合成氨工藝的物料衡算計(jì)算過程案例分析

目錄

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490

合成氨工藝的物料衡算計(jì)算過程案例分析

1

772

第1章緒論

1

6197

1.1氨的基本用途

1

1875

1.2合成氨技術(shù)的發(fā)展趨勢

1

1371

1.3合成氨操作條件的介紹與選擇

2

25291

1.4設(shè)計(jì)條件

3

22226

1.5合成氨工藝的計(jì)算物料點(diǎn)的流程圖及簡介

3

23780

第2章物料計(jì)算

4

20135

2.1物料計(jì)算

4

11814

2.1.1合成氨工藝的合成塔入口的最初氣體組分及含量計(jì)算

4

28485

2.1.2合成氨工藝的合成塔出口的最初氣體組分及含量計(jì)算

5

21315

2.1.3合成氨工藝當(dāng)中液氨貯槽部分流程的相關(guān)的物料計(jì)算

6

7844

2.1.4合成氨整體工藝中有關(guān)合成系統(tǒng)的部分的相關(guān)的物料的計(jì)算

7

20003

2.1.5合成氨工藝的合成塔工藝流程中的相關(guān)的物料的計(jì)算

10

第1章緒論

1.1氨的基本用途

合成氨的原料氣，是CO和H2合成的，但眾多與合成氨的生產(chǎn)工藝有關(guān)的主要工藝是原料氣的生產(chǎn)和運(yùn)輸，合成及凈化濁度。起始?xì)怏w通常含碳較高，而CO是氨合成催化劑的有毒物質(zhì)，但是對于聯(lián)產(chǎn)一系列相關(guān)的碳化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品（例如甲醇，氧合酸和乙酸）來說是綜合性的?？梢杂糜诤铣伤?、氨，具有許多功能，但同時可以減少合成氨相關(guān)有害排放物對企業(yè)造成的生態(tài)環(huán)境污染，企業(yè)的生產(chǎn)效率以及合成氨可帶來的經(jīng)濟(jì)效益改善，生產(chǎn)當(dāng)今的合成氨工藝，是技術(shù)開發(fā)的首選。

1.2合成氨技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，與合成氨相關(guān)的深加工技術(shù)發(fā)展迅速，受全球油價大起大落的影響，合成氨裝置的結(jié)構(gòu)調(diào)整是由于油價飆升和深加工技術(shù)的進(jìn)步。合成氨原料結(jié)構(gòu)和以天然氣為主體的形式發(fā)生了重大變化[2]。以煤炭為最基本原料制備的氨相關(guān)產(chǎn)品更具靈活性，因?yàn)槿蛎禾績α窟h(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然氣和石油的剩余量。它與相關(guān)的最新技術(shù)有關(guān)。煤炭的研究與應(yīng)用已成為相關(guān)科學(xué)前沿技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和重點(diǎn)。煤炭儲量非常大，因此在可用原油份額中占有非常有利的地位。將來，它將成為與氨有關(guān)的設(shè)備的材料，并且可以形成天然氣。相互補(bǔ)充，為人類作出貢獻(xiàn)。首先，我們將使用汽油或柴油作為燃料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為使用天然氣作為燃料的結(jié)構(gòu)。此外，有必要調(diào)整以石油和煤炭為中心的原材料結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行“多聯(lián)合生產(chǎn)和后處理”是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)。調(diào)整。這種方法是提高制氨廠經(jīng)濟(jì)性的更有效和可行的方法，不僅可以提高制氨廠的競爭力，而且還可以提高其利用率和知名度，進(jìn)實(shí)施環(huán)保的清潔生產(chǎn)線對于合成氨的未來發(fā)展至關(guān)重要，甚至是必不可少的，也是一條非常普遍的清潔道路，其生產(chǎn)過程不會產(chǎn)生或排放有害的副產(chǎn)品或廢物，從而使以“零排放”為主題的清潔生產(chǎn)成為可能最后，開發(fā)各種與合成氨相關(guān)的工藝優(yōu)化技術(shù)，以提高合成氨工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營的可持續(xù)可操作性和運(yùn)營周期顯得尤為重要。

1.3合成氨操作條件的介紹與選擇

近年來，國內(nèi)氨催化劑發(fā)展迅速。小型氨廠使用的氨催化劑多為國產(chǎn)和國產(chǎn)系列，以A106、A110、A110-2、A110-3、A110-4、A201、A301為主。

當(dāng)使用小的基于顆粒的催化劑時，小的合成塔具有高的催化劑體積利用率，大的空速和大的阻力。通常3.3至4.7毫米和4.7至6.7毫米的顆粒是合適的。由于放置催化劑的籃子上層反應(yīng)速率高，可在上層裝小顆粒型催化劑，下層反應(yīng)速率慢，內(nèi)擴(kuò)散影響很小，是相對合適的。在本設(shè)計(jì)中，我們選擇了A110-2型催化劑，該催化劑在反應(yīng)溫度范圍內(nèi)具有高活性，使反應(yīng)更有效，且易于還原。

A110-2型合成氨催化劑當(dāng)中最為重要的化學(xué)組織組成成分為四氧化三鐵，其中比四氧化三鐵的量少的物質(zhì)為氧化鋁、氧化鉀和氧化鈣等助催化劑物質(zhì)，這種A110-2型合成氨催化劑外觀看起來是一種黑色的有金屬的光澤的并且?guī)в写判缘耐庥^并不規(guī)則的固體顆粒狀物質(zhì)，這種顆粒的尺寸大多有四種類型，分別為2.2至3.3mm，3.3至4.7mm，4.7至6.7mm，6.7至9.4mm這四種類型。其中A110-2型合成氨用催化劑還原后容易被硫、磷、氯、砷、烯烴和潤滑油造成不可逆轉(zhuǎn)的永久性中毒，并且這種A110-2型合成氨催化劑適宜單獨(dú)裝填，并不適宜混合裝填使用，當(dāng)和其他類型的合成氨用催化劑混合使用時容易造成催化劑的整體活性的降低，影響合成氨工藝合成塔流程的生產(chǎn)合成氨的能力。

A110-2合成氨催化劑最重要的化學(xué)組成是三價氧化物Fe3O4，少于四氧化三鐵的物質(zhì)是助催化劑，例如Al2O3，KCL和CaCl2。這些物質(zhì)以催化劑的作用存在，這種A110-2型合成氨催化劑的外觀是黑色、金屬、有光澤、磁性不規(guī)則的固體顆粒狀物質(zhì)。有四種主要的粒徑類型：2.2-3.3，3.3-4.7,4.7-6.7，6.7-9.4單位毫米，最重要的是，A110-2合成氨催化劑在還原后會被硫、磷、氯、砷、烯烴和潤滑油導(dǎo)致不可逆地永久毒害，這種A110-2合成氨催化劑可用于單次填充。但不適合對于混合填充與其他類型的氨合成催化劑配合使用，整個催化劑的活性趨于降低，從而影響合成氨工藝合成塔工藝的合成氨生產(chǎn)能力，進(jìn)一步影響了工業(yè)生產(chǎn)，造成了不利影響。

1.4設(shè)計(jì)條件

設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)量：200kt/a。

精煉氣的成分如表1-1所示：

表1-1精煉氣的成分

組成

N2

Ar

H2

CH4

小計(jì)

摩爾分?jǐn)?shù)/%

24.12

0.33

74.45

1.10

100.00

整個流程中，合成塔的部分流程中的最起始進(jìn)入的氨氣的成分的量為：

NH3入=2.5%

整個流程中，合成塔的部分流程中的最起始進(jìn)入的惰性氣體的成分的量為：

CH4+Ar=15%

整個流程中，合成塔的部分流程中的最終釋放出口的氨氣的成分的量為：

NH3出=16.5%

合成氨工藝設(shè)計(jì)整體合成塔的部分流程中的合成塔所需控制的壓力值：32MPa。

合成氨工藝設(shè)計(jì)流程當(dāng)中的含有精煉氣的適宜的氣體溫度為：35℃。

合成氨整體工藝當(dāng)中需要的水冷器部分流程中的出口的氣體的溫度為：35℃。

以下各項(xiàng)在計(jì)算當(dāng)中略去不計(jì)

設(shè)備和管道引起的壓降；設(shè)備和管道造成的各環(huán)節(jié)冷(熱)損；冷交換器和氨冷卻器中反應(yīng)過程中溶解在液氨中的所有氣體的體積。

合成氨工藝流程工作中的循環(huán)機(jī)的入口與出口的所對比的壓力差值：1.47MPa。

合成氨工藝工廠的一年的運(yùn)行工作日：310d。

計(jì)算所需要的基準(zhǔn)單位：生產(chǎn)1噸液氨作為計(jì)算所需的基準(zhǔn)。

1.5合成氨工藝的計(jì)算物料點(diǎn)的流程圖及簡介

工藝介紹：新鮮氮?dú)夂蜌錃膺M(jìn)入冷卻換熱器和氨冷卻器系統(tǒng)，大部分氨被冷凝分離。精制的新鮮氮?dú)夂蜌錃庋a(bǔ)充油分離器的循環(huán)氣體，將完成進(jìn)入合成塔的循環(huán)氣體，進(jìn)入塔內(nèi)間隙升溫，然后由外部換熱器引導(dǎo)再次升溫。進(jìn)入第二合成塔后，被塔內(nèi)換熱器加熱升溫，出塔后，余熱鍋爐和換熱器回收熱量，冷卻一部分氨液化進(jìn)入氨分離器，分離出液氨后，一部分循環(huán)氣體放出成為排空空氣。氣體進(jìn)入冷交換器，進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)，補(bǔ)充壓力，形成循環(huán)回路。在氨冷卻器的入口處，額外的新鮮氫氣和氮?dú)膺M(jìn)入冷卻交換器。通過冷熱交換器從氨分離器流的液氨和從氨分離器分離出的液氨匯合到液氨儲存罐中以備使用。

圖1-1合成氨工藝流程[4]

1、2、3、4、5—精煉氣；6、7、8、9、10、11、12、14、17、18—合成氣；

13—放空氣；20—馳放氣；15、16、19、21—液氨

第2章物料計(jì)算

2.1物料計(jì)算

2.1.1合成氨工藝的合成塔入口的最初氣體組分及含量計(jì)算

合成氨工藝設(shè)計(jì)流程需要的依據(jù)

合成氨整體工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中進(jìn)入合成塔內(nèi)的氨氣的最初組分成分的量：

y5NH3=2.5%

合成氨整體工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中進(jìn)入塔內(nèi)的甲烷的最初的組分成分的量：

y5CH4=15%×1.11.1+0.33=11.539%

合成氨整體工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中進(jìn)入塔內(nèi)的氬氣的最初的組分成分的量：

y5Ar=15%×0.331.1+0.33=3.462%

合成氨整體工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中進(jìn)入塔內(nèi)的氫氣的最初的組分成分的量：

y5H2=100?2.5+11.539+3.462×34×100%=61.874%

合成氨整體工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中進(jìn)入塔內(nèi)的氮?dú)獾淖畛醯慕M分成分的量：

y5N2=100?2.5+11.935+3.462×14×100%=20.625%，如表2-1所示：

表2-1合成氨整體工藝當(dāng)中進(jìn)入合成塔內(nèi)的各種氣體的成分的量（%）

NH3

Ar

CH4

N2

H2

小計(jì)

2.5

3.462

11.539

20.625

61.874

100.00

2.1.2合成氨工藝的合成塔出口的最初氣體組分及含量計(jì)算

以2000kmol的入塔氣當(dāng)做合成氨工藝流程中的算法基準(zhǔn)來進(jìn)行求解出塔氣的各組分的含量，根據(jù)下列公式計(jì)算合成塔塔內(nèi)生成的氨的最初始的含量

NNH3=N5(y8NH3-y5NH3)1+y8NH3=2000（0.165?0.025）1+0.165=240.344kmol

合成氨工藝的合成塔出塔氣的含量（N8）=合成氨工藝的合成塔入塔氣量-合成氨工藝的生產(chǎn)氨的含量=2000?240.344=1759.656kmol

合成氨工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中的排出塔的氨氣的成分的量：

y8NH3=16.5%

合成氨工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中排出塔外的甲烷氣體成分的量：

y8CH4=N5N8×y5CH4=20001759.656×11.539%=13.115%

合成氨工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中排出塔外的氬氣的成分的量：

y8Ar=N5N8×y5Ar=20001759.656×3.462%=3.935%

合成氨工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中排出塔外的氫氣的成分的量：

y8H2=34（1-y8NH3-y8CH4-y8Ar）×100%

=34（1?0.165?0.13115?0.03935）×100%

=49.838%

合成氨工藝當(dāng)中合成塔的部分流程中排出塔外的氮?dú)獾某煞值牧浚?/p>

y8N2=14（1?0.165?0.13115?0.03935）×100%=16.612%，如表2-2所示：

表2-2合成氨整體工藝當(dāng)中排出合成塔外的各種氣體的成分的量占比（%）

NH3

H2

CH4

Ar

N2

小計(jì)

16.50

49.838

13.115

3.935

16.612

100.0

2.1.3合成氨工藝當(dāng)中液氨貯槽部分流程的相關(guān)的物料計(jì)算

液氨儲罐的材料計(jì)算以液氨儲罐出口一噸純液氨為計(jì)算依據(jù)，液氨儲罐出口的液量按標(biāo)準(zhǔn)平方米換算計(jì)算[6]。

L19=2000×22.40.99869×17=2638.75m3（標(biāo)）

液氨貯槽物料：

NH3:L19NH3=L19χ19NH3=2638.75×99.869%=2635.294m3(標(biāo))

CH4：L19CH4=L19χ19CH4=2638.75×0.085%=2.242m3（標(biāo)）

Ar：L19Ar=L19χ19Ar=2638.75×0.003%=0.078m3（標(biāo)）

H2：L19H2=L19χ19H2=2638.75×0.034%=0.898m3（標(biāo)）

N2:L19N2=L19χ19N2=2638.75×0.009%=0.238m3（標(biāo)）

液氨貯槽出口馳放氣比：

VL=0.0821

V20=0.0821L19=0.0821×2638.75=216.642m3（標(biāo)）

根據(jù)合成氨工藝的液氨貯槽流程列式：

NH3:V20NH3=V20y20NH3=216.642×59.605%=129.129m3（標(biāo)）

CH4:V20CH4=V20y20CH4=216.642×14.447%=31.298m3

Ar：V20Ar=V20y20Ar=216.642×1.526%=3.2m3（標(biāo)）

H2：V20H2=V20y20H2=216.642×19.145%=41.46m3（標(biāo)）

N2：V20N2=V20y20N2=216.642×5.277%=10.42m3（標(biāo)）

由合成氨工藝的液氨貯槽出口的總物料計(jì)算得

=V19+V20

=2638.75+216.642

=2855.392m3（標(biāo)）

合成氨工藝的液氨貯槽的進(jìn)口液體

根據(jù)物料平衡可列式得：合成氨工藝的進(jìn)入槽的總的相關(guān)的物料含量=合成氨工藝的出槽的總的相關(guān)的物料含量

L21=L19+L20=2855.392m3（標(biāo)）

貯槽入口液體：L21i=L19i+L20i

由貯槽流程列式：

NH3:L21NH3=2635.294+64.565=129.13m3（標(biāo)）

CH4:L21CH4=2.42+31.2=33.4m3（標(biāo)）

Ar：L21Ar=0.078+3.21=3.28m3（標(biāo)）

H2:L21H2=0.9+41.4=42.2m3（標(biāo)）

N2:L21N2=0.240+11.4=11.6m3（標(biāo)）

合成氨工藝的液氨貯槽的入口液體當(dāng)中的組分的含量計(jì)算，由m0i'=L21iL21得：

合成氨工藝的液氨貯槽的入口液體當(dāng)中的組分氨的含量計(jì)算：

m0NH3'=L21NH3L21=1382.2121427.696×100%=96.814%

合成氨工藝的液氨貯槽的入口的液體當(dāng)中的組分甲烷的含量計(jì)算：

m0CH4'=L21CH4L21=16.7701427.696×100%=1.175%

合成氨工藝的液氨貯槽的入口的液體當(dāng)中的組分氬的含量計(jì)算：

m0Ar'=L21ArL21=1.6921427.696×100%=0.119%

合成氨工藝的液氨貯槽的入口的液體當(dāng)中的組分氫的含量計(jì)算：

m0H2'=L21H2L21=21.1871427.696×100%=1.484%

合成氨工藝的液氨貯槽的入口的液體當(dāng)中的組分氮的含量計(jì)算：

m0N2'=L21N2L21=5.8351427.696×100%=0.408%

m0i'≈M0i

2.1.4合成氨整體工藝中有關(guān)合成系統(tǒng)的部分的相關(guān)的物料的計(jì)算

一套合成視為一個系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的進(jìn)料有新的補(bǔ)充氣V補(bǔ)，離開該系統(tǒng)的物料有放空氣V放，液氨貯槽的馳放氣V馳，產(chǎn)品的液氨L氨[5]，見圖2-1所示；

圖2-1合成系統(tǒng)物料計(jì)算示意圖

由計(jì)算所得的數(shù)據(jù)列入下表，如表2-3所示：

表2-3合成系統(tǒng)物料成分含量：

名稱

NH3

H2

CH4

Ar

N2

氣量m3（標(biāo)）

補(bǔ)充氣

—

0.7445

0.011

0.0033

0.2412

V補(bǔ)

放空氣

0.09376

0.54148

0.14140

0.04275

0.18061

V放

馳放氣

0.59605

0.19145

0.14447

0.01526

0.05277

108.321

液氨

0.99869

0.00034

0.00085

0.00003

0.00009

1319.375

入塔氣

2.500

61.874

11.539

3.462

20.625

V入

出塔氣

16.500

49.838

13.115

3.935

16.612

V出

根據(jù)物料的平衡和元素組分的平衡求V補(bǔ)、V放、V入、V出[4]。

合成氨工藝當(dāng)中的循環(huán)回路流程中的氮?dú)獾钠胶庥?jì)算方程：

V補(bǔ)yN2補(bǔ)=V放yN2放+V馳yN2馳+12V放yNH3放+12V馳yNH3馳+12LNH3式（2）

合成氨工藝當(dāng)中合成系統(tǒng)流程中的氫氣的平衡計(jì)算方程：

V補(bǔ)yH2補(bǔ)=V放yH2放+V馳yH2馳+32V放yNH3放+32V馳yNH3馳+32LNH3式（1）

合成氨工藝當(dāng)中的循環(huán)回路流程中的惰性氣體的平衡計(jì)算方程：

V補(bǔ)（yCH4補(bǔ)+yAr補(bǔ)）=V放（yCH4放+yAr放）+V馳（yCH4馳+yAr馳）

V補(bǔ)（0.011+0.0033）=V放（0.1414+0.04275）+108.321（0.14447+0.01526）

0.0143V補(bǔ)=0.18415V放+17.327

V補(bǔ)=12.878V放+1211.68式（3）

合成氨工藝當(dāng)中循環(huán)回路流程中的氨氣的平衡計(jì)算方程：

V出yNH3出?V入yNH3入=V放y放+V馳yNH3馳+LNH3

0.165V出?0.025V入=0.09376V放+0.59605×108.321+1317.647

0.165V出?0.025V入=0.0937V放+1382.212式（4）

合成氨工藝當(dāng)中循環(huán)回路流程中的總物料的平衡計(jì)算方程：

V入=V出+V補(bǔ)?V放?V馳?LNH3

=V出+V補(bǔ)?V放?108.321?1317.647

=V出+V補(bǔ)?V放?1425.968式（5）

將（1）式（2）式聯(lián)立：

V補(bǔ)（yH2補(bǔ)+yN2補(bǔ)）=V放（yH2放+yN2放+2yNH3放）+V馳（yH2馳+yN2馳+2yNH3馳）+2LNH3

（0.7445+0.2412）V補(bǔ)=V放（0.54148+0.18061+2×0.09376）

+108.321（0.19145+0.05277+2×0.59605）+2×1317.647

0.9857V補(bǔ)=0.90961V放+2790.878

V補(bǔ)=0.92281V放+2831.366式（6）

將（3）式（6）式聯(lián)立：

11.95519V放=1619.686

V放=270.958m3（標(biāo)）

代入（6）式：

V補(bǔ)=0.9228×270.958+5662.732=6202.732m3（標(biāo)）

聯(lián)立方程（4）式與（5）式

0.165V出?0.025V入=0.09376V放+1382.212V入=V出+V補(bǔ)?V放?1425.968

將V放，V補(bǔ)代入

V出=0.15152V入+8454.027式（7）

V入=V出+1