四川理工學院畢業(yè)設計目錄PAGE四川理工學院畢業(yè)設計11萬噸/年合成氨合成工段工藝設計學生：學號：專業(yè)：化學工程與工藝班級：2007級2班指導教師：毛潤琦四川理工學院材料與化學工程學院二〇一一年六月四川理工學院畢業(yè)設計目錄PAGE四川理工學院畢業(yè)設計摘要摘要本設計是年生產(chǎn)能力為11萬噸合成氨合成工段的初步工藝設計本設計采用“二進二出”合成流程。根據(jù)四川鴻化廠有關(guān)文獻資料，以合成塔為主要設備，在氨冷器、水冷器、氣—氣交換器、循環(huán)機、分離器、冷凝塔等輔助設備的作用下，以A301催化劑即三氧化二鐵為觸媒，在300—400℃的高溫條件下來制得氨氣。通過工藝路線的選擇確定工藝流程，完成物料，熱量的計算，通過設備選型等方面的計算設計了熱交換器的結(jié)構(gòu)。此設計配有說明書一份，圖紙兩張關(guān)鍵詞：合成氨；；催化劑；衡算；換熱器AbstractThedesignfortheyearproductioncapacityof110000tonsofsyntheticammoniasynthesissectionpreliminaryprocessdesignthisdesignUSESthe"binary2outof"syntheticprocess.Accordingtotheliteraturesofplantinsichuaninsynthetictowerfordata,mainequipment,ammoniatanks,water-coolingdevice,gas-gasswitch,recyclingmachine,separator,theauxiliaryequipmentcoolingtower,undertheactionofA301catalystnamelywithirontrioxidecatalyst,300-400℃inthehightemperatureconditiondownsystemammonia.Throughtheprocessroutechoosingprocess,completematerials,heat,throughthecalculationofequipmenttypeselectionofcalculatingthestructureoftheheatexchangersdesign.ThisdesigniseqKeywords:syntheticammonia;Catalyst;Calculation;Heatexchanger;

目錄摘要 IAbstract I第一部分緒論 11.1概述 11.1.1設計依據(jù)： 11.1.2三廢治理及環(huán)境保護： 11.2.1氨的用途 21.2.2我國合成氨的發(fā)展 21.2.3氨的發(fā)展前景 31.3流程簡述及設計規(guī)模特點 41.3.1流程圖簡述 51.3.2設計規(guī)模及特點： 5第二部分合成工段工藝計算 7設計依據(jù) 72.1物料衡算 72.1.1合成塔進出口物料計算： 72.1.2氨分離器氣液平衡計算： 92.1.3冷交換器氣液平衡計算： 102.1.4液氨貯槽氣液平衡計算： 102.1.5液氨貯槽物料計算： 122.1.6合成系統(tǒng)物料計算: 122.1.7合成塔物料計算： 132.1.8水冷器物料計算： 142.1.9氨分離器物料計算： 142.1.10冷交換器物料計算： 142.1.11氨冷器物料計算： 152.1.12冷交換器物料計算： 172.1.13液氨貯槽物料計算: 172.1.14物料計算匯總表 182.2熱量衡算 202.2.1冷交換器熱量計算 202.2.2氨冷凝器熱量計算： 222.2.3循環(huán)機熱量計算： 242.2.4合成塔熱量衡算： 252.2.5沸熱鍋爐熱量計算： 272.2.6熱交換器熱量計算： 272.2.7水冷器熱量衡算： 282.2.8氨分離器熱量衡算： 29第三部分設備的選型與計算 303.1熱交換器設備工藝計算: 303.1.1計算條件 303.1.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 303.1.3管外給熱系數(shù) 313.1.4總傳熱系數(shù) 333.1.5傳熱面積核算 333.1.6接管計算 343.1.7接管法蘭的選擇 343.1.8.殼體管箱和封頭 343.2沸熱鍋爐設備工藝計算： 353.2.1計算條件 353.2.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算: 353.2.3管外給熱系數(shù): 373.2.4傳熱總系數(shù)K: 373.2.5傳熱溫差 373.2.6傳熱面積 373.3水冷器設備工藝計算： 383.3.1計算條件 383.3.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 383.3.3管外給熱系數(shù) 393.3.4傳熱溫差 393.3.5傳熱總系數(shù)K 393.3.6傳熱面積 393.4氨冷器Ⅰ設備工藝計算: 403.41計算條件 403.4.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 403.4.3管外給熱系數(shù) 423.4.4傳熱總系數(shù)K 423.4.5傳熱溫差 423.4.6傳熱面積 423.5設備一覽表 43第四部分設計評述 44參考文獻： 45主體設備圖及帶控制點的工藝流程圖 46四川理工學院畢業(yè)設計緒論第一部分緒論1.1概述氨是一種重要的含氮化合物。氮是蛋白質(zhì)質(zhì)中不可缺少的部分，是人類和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，就沒有蛋白質(zhì)，沒有蛋白質(zhì)，就沒有生命。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氮占78％（體積分數(shù)）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉(zhuǎn)化成人和動物所需的營養(yǎng)物質(zhì)。把大氣中的游離氮固定下來并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氫合成為氨，再進一步制成化學肥料或用于其它工業(yè)在國民經(jīng)濟中，氨占有重要地位，特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。氨主要用來制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工產(chǎn)品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。氨也是非常重要的工業(yè)原料，在化學纖維、塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍-6、丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產(chǎn)品。由氨制成的硝酸，是各種炸藥和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各種炸藥。硝酸銨既是優(yōu)良的化肥，又是安全炸藥，在礦山開發(fā)等基本建設中廣泛應用。氨在其他工業(yè)中的應用也非常廣泛。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產(chǎn)品都是不可缺1.1.1設計依據(jù)：本設計按照材化系下達設計任務書進行編制，參照鴻化總廠的現(xiàn)場生產(chǎn)，以及中國五環(huán)化學工程總公司（原化工部第四設計院），和石油化工部化工設計院的有關(guān)資料設計而成。1.1.2三廢治理及環(huán)境保護：①放空氣弛放氣送氫回收系統(tǒng)，先用洗滌塔回收幾乎全部氨，制成濃氨水，再回收大部分氨送入高壓機壓縮后制氨既可以避免氨氣進入大氣，與放空氣作燃料相比又更合理經(jīng)濟。②廢物集中處理達到國家排放標準后排放。1.2合成氨的用途，發(fā)展及前景1.2.1氨的用途氨是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復合肥，都是以氨為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。1.2.2我國合成氨的發(fā)展我國的合成氨工業(yè)起步于20世紀30年代。一個是由著名愛國實業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦的南京永利化學工業(yè)公司铔廠——永利寧廠，現(xiàn)南京化學工業(yè)公司的前身；另一個是日本占領東北后在大連開辦的滿洲化學工業(yè)株式會社。其最高年產(chǎn)量不過50KT。另外，上海吳蘊初的天原還有一套電解水制氫生產(chǎn)合成氨、硝酸的小型車間(32年吳蘊初訪問Dupont購買的一套日產(chǎn)4t液氨的合成氨中試裝置)。整個合成氨生產(chǎn)從業(yè)人員約3400人，技術(shù)人員150人。新中國成立以后，經(jīng)過數(shù)十年的努力，己形成了遍及全國的、完整的合成氨工業(yè)布局。我國擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠1000多個。1999年我國合成氨產(chǎn)量為34.5Mt，列世界第一。解放后，我國化學工業(yè)的發(fā)展是從建設中型氮肥廠開始的。經(jīng)歷了以下幾個階段：①恢復老廠，建設新廠(新中國成立——1956年)建國之初，在恢復與擴建老廠的同時，從前蘇聯(lián)引進了三套以煤為原料、年產(chǎn)5萬噸合成氨配9萬噸硝銨裝置，創(chuàng)建了吉化、蘭州、太原三大化工基地。②自力更生發(fā)展中型氮肥廠(1956年——1965年)56年自行設計、制造了7.5萬噸合成氨系統(tǒng)，以川化的創(chuàng)建為標志。到65年中氮投產(chǎn)了15家。20世紀60年代隨著石油、天然氣資源的開采，64年又從英國引進了一套以天然氣為原料的10萬噸合成氨裝置(即瀘天化)。③小氮肥的迅猛發(fā)展(1965年——1975年)為了適應農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要，58年由著名化工專家侯德榜提出了碳化法合成氨制取碳酸氫銨的新工藝。在經(jīng)歷了技術(shù)關(guān)、經(jīng)濟關(guān)后，從20世紀60年代開始在全國各地(除西藏外)建設了一大批小型氨廠，鼎盛的1979年時最多達1540座氨廠。④大型氮肥廠的引進和發(fā)展1975年——至今)20世紀70年代是世界合成氨工業(yè)大發(fā)展時期。由于大型合成氨的優(yōu)越性，1972年我國作出了引進大型合成氨裝置的決定。73年開始，首批引進了13套年產(chǎn)30萬噸大型合成氨成套裝置(其中10套為天然氣為原料，建在川化、瀘天化、云南、貴州等地)。為了擴大原料范圍，78年又第二批引進了4套年產(chǎn)30萬噸合成氨裝置。20世紀90年代，又先后引進了14套具有20世紀90年代先進水平的大型合成氨成套裝置，從而掌握了世界上幾乎所有的先進工藝和技術(shù)。同時從20世紀70年代起，我國開始了大型合成氨成套裝置的自行設計、自行制造工作，第一套年產(chǎn)30萬噸的合成氨裝置于80年在上海建成投產(chǎn)。特別是于90年代初在川化建成投產(chǎn)的年產(chǎn)20萬噸合成氨裝置達到了當時的國際先進水平。1.2.3氨的發(fā)展前景據(jù)統(tǒng)計,世界合成氨產(chǎn)能已超過1.76億噸/年,主要生產(chǎn)能力分布情況:美國1000萬噸/年、加拿大520萬噸/年、墨西哥291萬噸/年、南美地區(qū)856萬噸/年(其中特立尼達453萬噸/年)、西歐1218萬噸/年、東歐3333.4萬噸/年、中東/非洲1560.2萬噸/年、亞太地區(qū)8720萬噸/年。合成氨按終端用途來分,約85%-90%的合成氨用作化肥:液態(tài)氨、硝酸銨、尿素或其他衍生物,僅13%用于其他商品市場。20世紀上半葉，合成氨生產(chǎn)經(jīng)歷了從間歇生產(chǎn)向連續(xù)生產(chǎn)、從小規(guī)模生產(chǎn)向大規(guī)模生產(chǎn)的歷史性轉(zhuǎn)變，大型化和連續(xù)化成為20世紀化工工業(yè)技術(shù)進步的一個重要特征，特別是20世紀60年代以后，開發(fā)了多種活性好的新型催化劑，能量回收和利用更趨合理。展望21世紀，合成氨裝置繼續(xù)朝著大型化、集中化、自動化、低能化與環(huán)保型的方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）合成氨裝置單系列大型化，對于規(guī)模較大的合成氨，為了提高生產(chǎn)能力一般采用若干個平行的系列裝置。若能提高單系列裝置的生產(chǎn)能力，就可以減少平行的系列數(shù)，有利于提高經(jīng)濟效益。從20世紀60年代中期開始，世界上新建的以氣態(tài)和液態(tài)為原料的大型氨廠大都采用單系列大型裝置，目前單系列大型合成氨裝置的能力從1000~1350t/d提高到1500~2000t/d。

（2）生產(chǎn)控制更加智能化、自動化、新型智能化的儀表的生產(chǎn)，使合成氨生產(chǎn)的控制更加智能化、自動化。采用多微處理器結(jié)構(gòu)、控制功能分散、各功能集中的集中分散型控制系統(tǒng)；可編程序邏輯控制器（PLC）與邏輯控制系統(tǒng)以及新型的智能化儀表的使用，將進一步提高合成氨生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟效益。

（3）預計21世紀以下技術(shù)可能實現(xiàn)突破并工業(yè)化

a；氣體分布更均勻阻力更小，更合理的合成塔內(nèi)件。

b；無毒、無害、吸收能力更強，再生能耗更低的凈化技術(shù)。

c；用低壓（3.0~6.0兆帕）高活性的氨合成催化劑，實行等壓合成。

d；合成回路增設變壓吸收系統(tǒng)，即在接近合成溫度和壓力的條件下，選擇一種對氨比氫氣、氮氣更具有吸附能力和更強選擇性的吸附劑，實現(xiàn)一次循環(huán)即獲得純氨產(chǎn)品以及未反應氫、氮氣再循環(huán)利用。

e；建立合成氨裝置的精確的數(shù)學模型，采用APC技術(shù)，如模型多變量預估控制和在線優(yōu)化控制。

f；生物固氮技術(shù)有望取得突破性進展，實現(xiàn)合成氨生產(chǎn)的革命性改變。1.3流程簡述及設計規(guī)模特點工藝流程圖：廢熱鍋爐1.3.1流程圖簡述廢熱鍋爐氨冷器Ⅱ氨冷器Ⅰ循環(huán)機新鮮氣冷交換器熱交換器水冷器氨分離器液氨貯槽合成塔由氮氫氣壓縮機送來的35℃～45℃的新鮮氣，與放空后經(jīng)冷交換器來的循環(huán)氣混合，而后溫度被降至20℃，進入氨冷器Ⅰ。氣體管內(nèi)流動，液氨在管外蒸發(fā)，由于氨大量蒸發(fā)吸收了混合氣的熱量，使管內(nèi)氣體進一步被冷卻至0℃左右，為降低氨冷器Ⅰ負荷，進入氨冷器Ⅱ繼續(xù)冷卻至-2.5℃左右，出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用分離器將液氨分離，分離出的液氨進入液氨貯罐，分氨后的循環(huán)氣上升至上部換熱器殼程被熱氣體加熱至22℃后出冷交換器，然后，氣體經(jīng)循環(huán)壓縮機，補充壓力至15兆帕，由合成塔的下部進入層間換熱器，移走第二絕熱床反應熱，冷氣體升溫進入第一絕熱床進行合成反應，再入第一、二絕熱床空間（冷激器）由185度左右的冷氣體作冷激氣原與出第一絕熱床的反應氣體混合降溫到385度左右，混合后氣體進入第二絕熱床進行合成反應，氣體氨凈值升高，出第二絕熱床氣體進入層間換熱器，移走熱量，使冷氣升溫，熱氣體降溫后進入第三絕熱床進行合成反應，氣體氨含量增加到14﹪，再經(jīng)塔內(nèi)下?lián)Q熱器將熱量移走，后進入沸熱鍋爐，副產(chǎn)1.3Mpa蒸氣。換熱產(chǎn)生蒸汽后進入循環(huán)器加熱器一次出塔氣體至160℃，本身溫度降至80℃左右進水冷器被冷卻產(chǎn)生部分液氨，溫度降至35℃，混合氣液進氨分離器，分離液氨，分離的液氨去液氨罐貯存，出氨分離器的氣體則部分放空，放空氣去氫回收裝置，放空后的循環(huán)氣經(jīng)冷交換器降溫至17℃與新鮮氣混合，繼續(xù)下一循環(huán)。氨冷器Ⅱ氨冷器Ⅰ循環(huán)機新鮮氣冷交換器熱交換器水冷器氨分離器液氨貯槽合成塔1.3.2設計規(guī)模及特點：本工段生產(chǎn)液氨，生產(chǎn)能力為11萬噸液氨/年，與傳統(tǒng)流程相比較，具有節(jié)能低耗的特點，通過設計兩個串聯(lián)的氨冷器，在低壓下，既減少了動力消耗，又保證了合成塔入口氨含量的要求；現(xiàn)具體起來如下：（1）循環(huán)機位置：本工段設置在氨分離系統(tǒng)后，合成塔之前，從而充分利用循環(huán)機壓縮功，提高進合成塔溫度，減少冷量消耗，降低氨冷器負荷，同時提高進塔壓力，提高合成率，而進循環(huán)機的氨冷量較低，避免了塔后循環(huán)機流程容易帶液氨而導致循環(huán)機泄漏。（2）反應熱回收的方式及利用：這涉及到廢熱鍋爐的熱量利用幾合成塔塔外換熱器如何科學設置的問題，廢熱鍋爐的配置實際上是如何提高反應熱的回收率和獲得高品位熱的問題，本設計選擇塔后換熱器及后置鍋爐的工藝路線，設置塔后換熱器使廢熱鍋爐出口氣體與合成塔二進氣體換熱，充分提高合成塔二進溫度，相應提高了合成塔二出溫度，進廢熱鍋爐的氣體溫度為365度，副產(chǎn)1.3兆帕的中壓蒸汽，充分提高回收熱量品位。（3）采用“二進二出”合成流程：全部冷氣經(jīng)合成塔環(huán)隙后進入熱交換器，可使合成塔體個點溫度分布均勻，出口氣體保持較低溫度，確保合成塔長期安全穩(wěn)定運行，與循環(huán)機來的冷氣直接進入熱交換器相比，使熱交換器出口溫度增大。進入水冷的氣體溫度降低意味著合成余熱回收率高和水冷負荷低。（4）水冷器、氨冷器的設置：水冷后分離液氨再進行冷交，氨冷有利于降低后續(xù)氨冷的負荷，邊冷卻邊分離液氨，即提高了液氨的分離效果，又避免了氣液兩相流的存在，通過設置兩氨冷器的冷凝充分解決了低壓下，水冷后很少有氨冷凝下來的矛盾，達到了進一步冷卻，保證合成塔入口氨冷量的要求。（5）補充氣及放空點位置設置：補充氣設置在冷交的二次入口，以便減少系統(tǒng)阻力，并通過氨冷進一步洗脫微量二氧化碳和一氧化碳及氨基甲酸等雜質(zhì)，有利于保護觸媒防止管道和設備堵塞。放空點設置在冷交換器和氨分離器之間，氨分后有效氣體濃度較低，惰性氣體含量較高，有利于降低新鮮氣單耗。（6）新型設備的使用：①離心式循環(huán)壓縮機離心式循環(huán)壓縮機用于合成工段，能避免油污滲入循環(huán)氣，提高合成氣質(zhì)量，從而可不設油分離器降低能耗，對于本工段選用冷激式內(nèi)件，要求合成氣質(zhì)量較高，無油壓縮機更為合適，離心式循環(huán)壓縮機還具有運行時間長的特點，經(jīng)江蘇宜興化肥廠資料表明，無油壓縮機與注油壓縮機相比較平均使用壽命可延長十倍。②冷交換器分離器為外向型旋流板，上部換熱器為列管換熱器和下部氨分離器，將熱氣體在進入氨冷器前用冷氣體進行冷卻換熱，以回收冷氣體的冷凍量，使入氨冷器的熱氣體預冷卻，從而節(jié)省冷凍量，同時分離經(jīng)氨冷后含氨混和氣中的液氨，安徽淮南化工公司發(fā)表與《小氮肥》雜志上的有關(guān)資料表明，該設備節(jié)能降耗顯著。四川理工學院畢業(yè)設計合成工段工藝計算第二部分合成工段工藝計算設計依據(jù)（1）.產(chǎn)量：110000tNH3/年，即14.785tNH3/h(2).精煉氣成分，（體積）%H2N2CH4Ar小計74.5124.460.730.3100.000（3）.合成塔入口氨含量：NH3入=3.200%（4）.合成塔出口氨含量：NH3出=14.00%（5）.合成塔入口惰性氣體含量：CH4+Ar=14.5%（6）.合成塔操作壓力：15MPa（絕壓）（7）.水冷器出口溫度：35（8）年工作日310天2.1物料衡算2.1.1合成塔進出口物料計算：以1kmol入塔氣作為基準：（如圖2.1）已知：入塔氨含量：b5=3.2入塔惰性氣體含量：b4+b3=14.5%入塔氬含量：入塔甲烷含量：入塔氫含量：入塔氮含量：出塔氨含量以1kmol入塔氣體為基準求出塔氣體，產(chǎn)生的氨產(chǎn)量（kmol）出塔氫含量：出塔氮含量：出塔甲烷含量：出塔氬含量：出塔氨含量：由：得到：表項目組分進塔物料出塔物料%molkmol/hkg/h%molkmol/hkg/hN220.5750.205755.76117.4950.15844.4357H261.7250.617251.23552.4870.47520.9504CH410.2770.102771.64411.3530.102771.6439Ar4.2230.042231.6894.6650.04221.689NH33.20.0320.544140.12672.1546小計100110.8731000.905310.8742氨合成率：.2氨分離器氣液平衡計算：表氨分離器入口混合物組分m(i)MNH3mCH4mH2mArmN2小計0.140.113530.046650.524870.174951.00000查《小氮肥工藝設計手冊》35℃，P=14.4555MP表2.1.3各組分平衡常數(shù)：KNH3KCH4KArKH2KN20.1388822.648562.825780.377172.8704設（V/L）=300時，帶入Lx(i)=m(i)/［1+(V/L)xK(i)］=L(i):LNH3=mNH3/［1+(V/L)xKNH3］=0.003281KmolLCH4=mCH4/［1+(V/L)xKCH4］=0.00001671KmolLAr=mAr/［1+(V/L)xKAr］=0.000002475KmolLH2=mH2/［1+(V/L)xKH2］=0.00002176KmolLN2=mN2)/［1+(V/L)xKN2］=0.0000080KmolL總=L(NH3)+L(CH4)+L(Ar)+L(Ar)+L(H2)+L(N2)=0.00333Kmol分離氣體量：V=1-L=1-0.00333=0.99667Kmol；計算氣液比：（V/L）＇=0.99667/0.00333=299.263誤差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（300-299.263）/300X100％=0.245％，結(jié)果合理從而可計算出液體中各組分含量：液體中氨含量：xNH3=LNH3/L=0.003281/0.00333x100％=98.53％液體中氬含量：xAr=LAr/L=0.00000247/0.00333xIOO％=0.074％液體中甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.0000167/0.00333x100％=0.502％液體中氫含量：xH2=LH2/L=0.0000217/0.00333x100％=0.654％液體中氮含量：xN2=LH2/L=0.0000080/0.00333x100％=0.240％表氨分離器出口液體含量NH3CH4ArH2N2小計98.5300.5020.0740.6540.240100.00分離氣體組分含量：氣體氨含量yNH3=［mNH3-LNH3］/V=(0.14-0.00328)/0.9967x100％=13.72％氣體甲烷含量yCH4=［mCH4-LCH4］/V=(0.11353-0.0000167)/0.9967x100％=11.39％氣體氬含量yAr=［mAr-LAr］/V=(0.04665-0.0000025)/0.9967x100％=4.68％氣體氫含量yH2=［mH2-LH2］/V=(0.52487-0.0000218)/0.9967x100％=52.65％氣體氮含量yN2=［mN2-LN2］/V=(0.17495-0.000008)/0.9967x100％=17.55％表氨分離器出口氣體含量（％）NH3CH4ArH2N2小計13.7211.394.6852.6517.55100.002.1.3冷交換器氣液平衡計算：查《小氮肥工藝設計手冊》t=15℃,p=29.1表各組分平衡常數(shù)平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN20.322385.58581.211143.32134.056冷交換器出口液體組分含量：出口液體甲烷含量xCH4=yCH4/KCH4=0.10277/85.585x100％=0.120％出口液體氨含量xNH3=yNH3/KNH3=0.032/0.03224x100％=99.267％ 出口液體氬含量xAr=yAr/KAr=0.0423/81.211x100％=0.052％出口液體氫含量xH2=yH2/KH2=0.61725/143.32x100％=0.431％出口液體氮含量xN2=yN2/KN2=0.20575/157.652x100％=0.130％表2.1.7冷交換器出口液體組分體積含量（％）NH3CH4ArH2N2小計99.2670.1200.0520.4310.130100.002.1.4液氨貯槽氣液平衡計算：由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣;兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分數(shù).G％=（1+y5NH3）x(y8NH3-yNH3分)/((y8NH3-y5NH3)x(1-yNH3分))=[(1+0.032）x（0.14-0.13718）]/[（0.14-0.032)x（1-0.13718）]x100％=3.10％水冷后分離液氨占總量的3.10％冷交，氨冷后分離液氨占總量的96.90％.液氨貯槽入口1Kmol液體計算為準，即L0=1Kmol，入口液體混合后組分含量：m(0i)=L(15)xX15i+L16xX16i=G％xL0xX15i+(1-G％)xX16i=0.031xX15i+0.969X16i混合后入口氨含量：m0NH3=0.031x0.9853+0.969x0.99267=0.9924混合后入口甲烷含量:m0CH4=0.031x0.00502+0.969x0.0012=0.00132混合后入口氬含量:m0Ar=0.031x0.0007+0.969x0.00052=0.000527混合后入口氫含量：m0H2=0.031x0.0065+0.969x0.00431=0.00438混合后入口氮含量：m0N2=0.031x0.0024+0.969x0.0013=0.00133表液氨貯槽入口液體含量m0NH3m0CH4m0Arm0H2m0N2小計0.99240.001320.0005270.004380.001331.0000當熱t(yī)=17℃表2.1.9平衡常數(shù)P=1.568MPaKNH3KCH4KArKH2KN20.598170540575620根據(jù)氣液平衡L(i)=m(0i)/[1+(V/L)xk(i)],設(V/L)=0.0168代入上式得:出口液體氨含量：LNH3=m0NH3/[(1+(V/L)xkNH3]=0.9924/(1+0.0565x0.598)=0.9826Kmol出口液體甲烷含量：LCH4=m0CH4/[1+(V/L)xkCH4]=0.00132/(1+0.0565x170)=0.000342Kmol出口液體氬含量LAr=m0Ar/[1+(V/L)xkAr]=0.000527/(1+0.0565x540)=0.000052Kmol出口液體氫氣含量：LH2=m0H2/[1+(V/L)xkH2]=0.00438/(1+0.0565x575)=0.000411Kmol出口液體氮氣含量：LN2=m0N2/[1+(V/L)xkN2]=0.00313/(1+0.0565x620)=0.000117KmolL(總)=0.9835,V=1-0.9465=0.0165Kmol(V/L)＇=V/L=0.01678,誤差(0.01678-0.0165)/0.0165=0.089％假設成立出口液體組分含量：出口液體氨含量：xNH3=LNH3/L=0.9826/0.9835x100％=99.906％出口液體甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.000342/0.9835x100％=0.035％出口液體氬含量：xAr=LAr/L=0.000052/0.9835x100％=0.0053％出口液體氫氣含量：xH2=LH2/L=0.00041/0.9835x100％=0.0417％出口液體氮氣含量：xN2=LN2/L=0.000117/0.9835x100％=0.0119％表液氨貯槽出口液氨組分（％）NH3CH4ArH2N2小計99.9060.0350.00530.04170.0121.0000出口弛放氣組分含量：弛放氣氨含量：yNH3=(M0NH3-LNH3)/V=(0.99244-0.98257)/0.01651x100％=59.797％弛放氣甲烷含量：yCH4=(M0CH4-LCH4)/V=(0.001318-0.0003476)/0.01651x100％=5.91％弛放氣氬含量：yAr=(M0Ar-LAr)/V=(0.00053-0.0000532)/0.0165x100％=2.87％弛放氣氫氣含量：yH2=(M0H2-LH2)/V=(0.004379-0.0004176)/0.0165x100％=24.04％弛放氣氮氣含量：yN2=(M0N2-LN2)/V=(0.00133-0.0001169)/0.0165x100％=7.37％表出口弛放氣組分含量NH3CH4ArH2N2小計59.805.912.8824.047.37100.002.1.5液氨貯槽物料計算：以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量L(19)=1000x22.4/(0.9906256x17)=1318.883其中 NH3L(19NH3)=L(19NH3)xX(19NH3)=1318.883x99.906﹪=1317.647mCH4L(19CH4)=L(19CH4)xX(19CH4)=1318.883x0.03476﹪=0.458ArL(19Ar)=L(19Ar)xX(19Ar)=1318.883x0.0053﹪=0.070mH2L(19H2)=L(19H2)xX(19H2)=1318.883x0.041﹪=0.N2L(19N2)=L(19N2)xX(19N2)=11318.883x0.012﹪=0.1液氨貯槽出口弛放氣（V/L）=0.0168V(20)=0.025xL(19)=0.0168x1318.883=22.157m其中NH3V(20NH3)=V(20NH3)×y(20NH3)=22.157x59.80﹪=13.249mCH4V(20CH4)=V(20CH4)×y(20CH4)=22.157x5.92﹪=1.311mArV(20Ar)=V(20Ar)×y(20Ar)=22.157x2.875﹪=0.637mH2V(20H2)=V(20H2)×y(20H2)=22.157x24.038﹪=5.326mN2V(20N2)=V(20N2)×y(20N2)=22.157x7.37﹪=1.634m液氨貯槽出口總物料=L(19)+V(20)=1318.883+22.157=1341.040m液氨貯槽進口液體：由物料平衡，入槽總物料=出槽總物料，L(21)=L(19)+V(20)=1341.040m入口液體各組分含量計算:L(21i)=L(19i)+V(20i)其中NH3L(21NH3)=1317.647+13.249=133CH4L(21CH4)=0.458+1.311=1.769ArL(21Ar)=0.070+0.637=0.707H2L(21H2)=0.551+5.326=5.877N2L(21N2)=0.157+1.634=1.791入口液體中組分含量核算,由m′(0i)=L(21i)/L(21):入口液體中氨含量m′(0NH3)=1330.896/1341.040x100﹪=98.24﹪入口液體中甲烷含量m′(0CH4)=1.769/1341.040x100﹪=0.131﹪入口液體中氬含量m′(0Ar)=0.707/1341.040x100﹪=0.0527﹪入口液體中氫氣含量m′(0H2)=5.877/1341.040x100﹪=0.438﹪入口液體中氮氣含量m′(0N2)=1.791/1341.040x100﹪=0.134﹪入口液體中組分含量m′(0i)≈M′(0i)2.1.6合成系統(tǒng)物料計算:將整個合成看著一個系統(tǒng)，進入該系統(tǒng)的物料有新鮮補充氣補V補，離開該系統(tǒng)的物料有放空氣V放，液氨貯槽弛放氣V弛，產(chǎn)平液氨L氨由前計算數(shù)據(jù)如下表：表名稱NH3CH4ArH2N2氣量補充氣--0.00730.0030.74510.2446V補放空氣0.13720.11390.04680.52650.1755V放弛放氣0.59800.05910.02880.24040.073722.157液氨0.999060.000350.0000530.0004170.000121318.883入塔氣0.0320.102770.042230.617250.20575V入出塔氣0.140.113530.046650.524870.17495V出根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求V補,V放,V入,V出：循環(huán)回路中氮平衡:V補yN2補=V放yN2放＋1/2V放yNH3放+V弛yN2弛+1/2V弛yNH3弛+1/2LNH3+LN2①帶人數(shù)據(jù)得0.2446V補=0.1755V放+1/2V放x0.1372+22.157x0.0737+0.5x22.157x0.5980+1318.883x0.00012+1318.883x0.9906循環(huán)回路中惰性氣體平衡:V補(yCH補+yAr補)=Ｖ放(yCH4放+yAr放)+V弛(yCH4弛+yAr弛)+LCH4+LAr②帶入數(shù)據(jù)得0.0103V補=（0.1139+0.0468）V放+（0.028+0.051）x22.157+（0.00035+0.00053）x1318.883聯(lián)立①②解得：V放=169.711m3V補循環(huán)回路中氨平衡：V出yNH3出-V入yNH3入=V放+V弛+LNH3③循環(huán)回路中總物料體平衡:V入=V出+V補-V放-V弛-LNH3=V出+V補－V放-22.157-1317.647④聯(lián)立③④式解得：V出=12949.51m３;V入=2.1.7合成塔物料計算：入塔物料：Ｖ5=143345.997NH3V5NH3=14335.997x3.2﹪=458.752CH4V5CH4=14335.997x10.227﹪=14ArV5Ar=14335.997x4.223﹪=605.41H2V5H2=14335.997x61.725﹪=8848.89N2V5N2=14335.997x20.575﹪=2949.63合成塔一出，二進物料，熱交換器，冷氣進出物料等于合成塔入塔物料即Ｖ5=V6=V7=143345.997出塔物料V8=12949.51NH3V8NH3=12949.51x14﹪=1812.93CH4V8CH4=12949.51x11.353﹪=1470.16ArV8Ar=12949.51x4.665﹪=604.09H2V8H2=12949.51x52.487﹪=6796.81N2V8N2=12949.51x17.495﹪=2265.52合成塔生成氨含量：⊿VNH3=V8NH3-V5NH3=1812.93-458.752=1354.18m3沸熱鍋爐進出口物料，熱交換器進出口物料等于合成塔出塔物料。即V8=V9=V10=12949.512.1.8水冷器物料計算：進器物料：水冷器進氣物料等于熱交換器出口物料，即V10入=9998.906m出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計算得氣液比(V/L)=300,有如下方程:V11出/L11出=(V/L)=300①V11出+L11出=L10入=12949.51②將V11出=29.85L11出帶入②得:L11出=43.02m3V11出出口氣體組分由V11i=V11出y11i得:其中，NH3V11NH3=12906.488x13.72﹪=1CH4V11CH4=12906.488x11.39﹪=1470.05ArV11Ar=12906.488x4.68﹪=604.023H2V11H2=12906.488x52.65﹪=6795.266N2V11N2=12906.488x17.55﹪=2266.379出口液體各組分由L11i=V8i-V11i其中，NH3L11NH3=1812.93-1770.77=CH4L11CH4=1470.1578-1470.049=ArL11Ar=604.0946-604.0236=0.H2L11H2=6796.809-N2L11N2=2265.52-2265.0892.1.9氨分離器物料計算：進器物料：氨分離器進器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料即V11=12949.51出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進行分離，分別得到氣體和液體出器氣體V12＝V11出＝12906.488m3，出器液體L15＝L11出氨分離器出口氣體放空V13=169.711其中，NH3V13NH3=169.711x13.72﹪=23.284CH4V13CH4=169.711x11.39﹪=19.33ArV13Ar=169.711x4.68﹪=7.94H2V13H2=169.711x52.65﹪=89.37N2V13N2=169.711x17.55﹪=29.782.1.10冷交換器物料計算：進器物料：進器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量V14=V12-V13=12906.488-169.711=12736.778其中，NH3V14NH3=12736.778x13.72﹪=1747.485CH4V14CH4=12736.778x11.39﹪=1450.719ArV14Ar=12736.778x4.68﹪=596.081H2V14H2=12736.778x52.65﹪=6707.18N2V14N2=12736.778x17.55﹪=2235.30出器物料（熱氣）：設熱氣出口溫度17℃查t=17℃,P=13.062MPa氣相平衡氨含量yNH3=8.386﹪，計算熱氣出口冷凝液氨時，忽略溶解在液氨中的氣體。取過飽和度10﹪故V17NH3=1.1x8.386﹪=9.225﹪設熱氣出口氨體積為，則：a/(12736.77-1747.486+a)=0.09225a=1116.786L17NH3=V14NH3-a=1747.486-1116.786=630.70冷交換器熱氣出口氣量及組分：其中NH3V17NH3=V14NH3-L17NH3=1116.786CH4V17CH4=V14CH4=1ArV17Ar=V14Ar=596.08H2V17H2=V14H2=6707.19N2V17N2=V14N2=2253.30出口總氣量V17=V14-L17NH3=12736.777-630.70=12106.077出口氣體各組分：NH3V17NH3／V17=1116.78／12106.077x100％=9.225％CH4V17CH4／V17=1450.72／12106.077x100％=11.983％ArV17Ar／V17=596.08／12106.077x100％=4.9238％H2V17H2／V17=6707.19／12106.077x100％=55.403％N2V17N2／V17=2235.30／12106.077x100％=18.146％2.1.11氨冷器物料計算：氨冷器Ⅰ物料計算：進器物料：氨冷器進器物料等于冷交換器出器物料加上補充新鮮氣物料V1=2897.238其中，CH4V1CH4=2897.238x0.0073=21.1498ArV1Ar=2897.238x0.003=8.692H2V1H2=2897.238x0.7451=2N2V1N2=2897.238x0.2446=2943.969V18（進器氣體物料）=V1+V17=2897.238+12106.077=1進器氣體組分含量V18i=V1i+V17i其中，NH3V18NH3=V17NH3=1116.786CH4V18CH4=21.145+1450.719=1471.869ArV18Ar=8.692+596.081=604.773H2V18H2=2158.732+6707.187=8865.919N2V18N2=2235.305+708.664=2943.969各組分百分含量y18i=V18i/V18NH3y18NH3=1116.786/15003.315x100％=7.44％CH4y18CH4=1254.252/15003.315x100％=9.81％Ary18Ar=435.557/15003.315x100％=4.03％H2y18H2=7013.307/15003.315x100％=59.09％3N2y18N2=2386.273/15003.315x100％=19.62％進器液體等于冷交換器冷凝液氨量L18=L18NH3=L17NH3=630.70進器總物料＝V18=L18=15003.31+630.70=15634.01出器Ⅰ物料：已知出器Ⅰ氣體中氨含量為4.872％，設出器氣體中氨含量為bm3b/(15003.31-1116.786+b)=4.872％解得b=711.201則氨冷器Ⅰ中冷凝液氨量：L′18NH3=V18NH3-b=1116.786-711.201=405.584氨冷器Ⅰ出口總液氨量:L2NH3=L18NH3+L′18NH3=630.70+405.58=1036.28氨冷器Ⅰ出口氣量:V2=V18-b=15003.31-405.584=1其中，NH3V2NH3=711.201CH4V2CH4=V18CH4=1ArV2Ar=V18Ar=604.773H2V2H2=V18H2=8865.919N2V2N2=V18N2=2各組分百分含量y2i=V2i/V2NH3y2NH3=711.201/14597.73100％=4.872％CH4y2CH4=1471.869/14597.73x100％=10.082％Ary2Ar=604.773/14597.73x100％=4.143％H2y2H2=8865.919/14597.73x100％=60.735％N2y2N2=2943.969/14597.73x100％=20.167％出器Ⅰ總物料=V2+L2NH3=14597.73+1036.28=15634.0氨冷凝器Ⅱ物料計算：進器氣體物料=V2=1進器氣體組分含量等于氨冷凝器Ⅰ出口氣體含量進器液體等于氨冷器Ⅰ液氨量=1036.2841進器總物料等于出器Ⅰ總物料=15634.015出器Ⅱ物料：已知出器Ⅱ氣體中氨含量為3.2％，設出器氣體中氨含量為bⅡm3bⅡ/(14597.73-711.201+bⅡ)=0.032解得bⅡ=459.059則氨冷器Ⅱ中冷凝液氨量：L′22NH3=V′28NH3-bⅡ=711.20-459.059=252.142氨冷器Ⅱ出口總液氨量:LⅡNH3=L8NH3+L′28NH3=1036.284+252.142=1288.427氨冷器Ⅱ出口氣量:VⅡ=V8-bⅡ=14597.73-252.142=14345.58其中，NH3VⅡNH3=459.059CH4VⅡCH4=V22CH4=1471.869ArVⅡAr=V22Ar=604.773H2VⅡH2=V22H2=8865.919N2VⅡN2=V22N2=2943.969各組分百分含量yⅡi=VⅡi/VⅡNH3yⅡNH3=459.059/14345.58x100％=3.2％CH4yⅡCH4=1471.869/14345.58x100％=10.2601％AryⅡAr=604.773/14345.58x100％=4.216％H2yⅡH2=8865.919/14345.58x100％=61.802％N2yⅡN2=2943.969/14345.58x100％=20.522％出器Ⅱ總物料=VⅡ+LⅡNH3=15634.0152.1.12冷交換器物料計算：進口物料：冷交換器進口總物料等于氨冷器出口總物料進器物料V進=12736.778m3，V補=出器氣體量V出器=V入塔=14335.9由物料平衡得出器液體量L=V進+V補-V出器=12736.778+2897.238-14335.997=1298.0192.1.13液氨貯槽物料計算:進槽物料：氨分離器入槽液體L15=43.022其中NH3L15NH3=43.022x0.99267CH4L15CH4=43.022x0.0012ArL15Ar=43.022x0.00052=0.H2L15H2=43.022x0.00431N2L15N2=43.022x0.00131冷交換器入槽液體L16=1288.427其中NH3L16NH3=1288.427x0.99267CH4L16CH4=1288.427x0.0012ArL16Ar=1288.427x0.00052=0.670H2L16H2=1288.427x0.00431N2L16N2=1288.427x0.00131入槽混合物料L21=L15+L16=43.022+1288.427=1331.449各組分物料含量：L21i=L15i+L16i其中NH3L21NH3=CH4L21CH4=ArL21Ar=0.0224+0.670=0.692H2L21H2=0.185N2L21N2=出槽物料：液氨貯槽出口弛放氣V20=22.157其中NH3V20NH3=13.249CH4V20NH3=1.311ArV20NH3=0.637H2V20NH3=5.326N2V20NH3=1.634出口液氨總物料L19=L21-L20=1331.449-22.157=1309.292其中NH3L19NH3=L21NH3-V20NH3CH4L19CH4=L21CH4-V20CH4ArL19NH3=L21NH3-V20NH3=0.692-0.637=0.055H2L19H2=L21H2-V20H2N2L19N2=L21N2-V20N2各組分百分含量：x19i=L19i/L19其中NH3x19NH3=1308.44/1309.292x100％=99.927％CH4x19CH4=0.287/1309.292x100％=0.022％Arx19Ar=0.055/1309.292x100％=0.004％H2x19H2=0.503/1309.292x100％=0.038％N2x19N2=0.11/1309.292x100％=0.0084％液氨產(chǎn)量核算:mNH3=1308.44/22.4x17=992.1.14物料計算匯總表表2.14.1物料計算匯總表：（3）氨冷器Ⅰ出口（氣體）（5）冷交換器冷氣出口％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH34.872711.20110515.107469.4243.2458.7526782.65302.80CH410.0821471.86921761.583971.49910.2771473.3121782.89972.45Ar4.143604.7738941.569399.1774.223605.418950.99399.60H260.7358865.919131082.6125851.90261.7258848.89130830.845840.66N220.1672943.96143526.4631943.14620.5752949.6343610.281946.88∑100.00014597.73215827.3349635.149100.000145335.99211957.649462.39（7）合成塔一次入口（10）合成塔二次出口％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH33.2458.7526782.65302.80141812.9326804.171196.61CH410.2771473.3121782.89972.4511.3531470.1621736.32970.31Ar4.223605.418950.99399.604.665604.098931.47398.73H261.7258848.89130830.845840.6652.4876796.81100490.834486.20N220.5752949.6343610.281946.8817.4952265.5233495.711495.34∑100.000145335.99211957.649462.39100.00012949.51191458.518547.25(13)水冷器出口氣體(13)水冷器出口液體％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH313.721770.77026180.8371168.78793.81242.16623.33627.827CH411.391470.04921734.674970.2980.2430.1091.6120.0719Ar4.68604.0248930.489398.6821.5600.70110.3640.463H252.656795.266100468.0074485.1793.4331.54322.8131.018N217.562266.37933508.4181495.9120.9520.4286.3280.282∑100.00012906.488190822.4258518.858100.00043.022664.45229.663（18）氨分離器出口（19）放空氣％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH313.721770.77026180.8371168.78713.7223.284344.25915.368CH411.391470.04921734.674970.29811.3919.330285.79512.759Ar4.68604.0248930.489398.6824.687.942117.4295.242H252.656795.266100468.0074485.17952.6589.3521321.08258.977N217.562266.37933508.4181495.91217.5629.801440.61219.670∑100.00012906.488190822.4258518.858100.000169.7112509.177112.017（20）冷交換器熱氣進口（14）氨分離器出口液氨％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH313.721747.48625836.5791153.41998.856320.4066068.169270.900CH411.391450.71921448.881957.5392.9220.94717.9350.8Ar4.68596.0818813.061393.4400.0640.2073.9200.175H252.656705.91399146.9334426.2020.4071.31824.9621.114N217.562236.57833067.8091476.2410.1640.53310.0940.451∑100.00012736.77812736.7788406.842100.000324.1146138.395274.035（6）冷交換器出口液體（21）冷交換器熱氣出口氣體％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH399.267626.0779256.548413.2399.2251116.7816511.5923737.125CH40.120.75711.1900.49911.9831450.7221448.8952957.540Ar0.0520.3284.8490.2164.924596.088813.0428393.439H20.4312.71840.1901.79455.40356707.1999165.8044427.045N20.1310.82612.2160.54518.4642235.3033048.9111475.398∑100.000630.709324.993416.294100.00012106.77178988.2457990.547（21）冷交換器熱氣出口液體（2）氨冷器Ⅰ進口氣體％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH3100630.709324.993416.2947.441116.7816511.592737.125CH49.811471.86921761.583971.499Ar4.03604.7738941.569399.177H259.098865.919131082.6125851.902N219.622943.96943526.5821943.151∑100.000630.709324.993416.294100.00015003.31221823.9389902.854（2）氨冷器Ⅰ進口液體（3）氨冷器Ⅱ進口氣體％m3/tNH3m3/hKmol/h％m3/tNH3m3/hKmol/hNH3100630.709324.993416.2944.872711.20110515.107469.424CH410.0831471.86921761.583971.499Ar4.143604.7738941.569399.177H260.7358865.919131082.6125851.902N220.1672943.