年产三万吨双极氨冷式合成氨工艺流程设计(编辑修改稿)

年产三万吨双极氨冷式合成氨工艺流程设计(编辑修改稿)内容摘要：

炼气 .—— 合成气； 13—— 放空气 20—— 弛放气 —— 液氨 图 41 计算物料点流程 物料衡算 合成塔物料衡算 （ 1）合成塔入口气组分： 入塔氨含量 : y5NH3=％。 入塔甲烷含量： y5CH4=％； 入塔氢含量： y5H2=［ 100（ +17）］ 3/4 100％ =％； 入塔氮含量： y5N2=［ 100（ +17）］ 1/4 100％ =％ 表 42 入塔气组分含量（％） NH3 CH4 H2 N2 小计 17 100 （ 2）合成塔出口气组分： 以 1000kmol 入塔气作为基准求出塔气组分， 出塔氨含量： y8NH3=％ 由下式计算塔内生 成氨含量： MNH3=M5(y8NH3y5NH3)/(1+y8NH3)=1000 ( )/(1+)= 14 出塔气量 : M8=(MNH3+1000y5NH3)/y8NH3=(+1000 )/= 出塔甲烷含量： y8CH4=(M5/M8) y5CH4=(1000/) 17％ =％ 出塔氢含量： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4) 100％ =3/4() 100％ =％ 出塔氮含量： y8N2=1/4() 100％ =％ 表 43 出塔气体组分含量（％） NH3 CH4 H2 N2 小计 100 （ 3）合成率： 合成率 =2MNH3/［ M5(1y5NH3y5CH4)］ 100％ =2 ［ 1000 ()］ 100％=％ 氨分离器气液平衡计算 设 氨分离器进口气液混合物 F，进口物料组分 m(i） ,分离气象组分 y(i),气量 V；分离液相组分 x(i),液量 L，其中进口物料组分 m(i)等于合成塔出口气体组分。 根据气液平衡原理，以 1kmol进口物料为计算基准，即 F=1kmol。 表 44 已知氨分离器入口混合物组分 m(i) NH3 CH4 H2 N2 小计 查 t=35℃， P= 时各组分平衡常数： 表 45 各组分平衡常数 KNH3 KCH4 KH2 KN2 设（ V/L） = 时，带入 L (i)=m(i)/［ 1+(V/L) K(i)］ =L(i): LNH3=mNH3/［ 1+(V/L) KNH3］ =(1+ )= kmol LCH4= mCH4/［ 1+(V/L) KCH4］ =(1+ )= kmol LH2=mH2/［ 1+(V/L) KH2］ =(1+ )= kmol LH2=mN2/［ 1+(V/L) KN2］ =(1+ )= kmol 15 L 总 = LNH3+ LCH4 + LH2+ LN2=+++= kmol 分离气体量： V=1L== kmol 计算气液比：（ V/L） ＇ = 误差［（ V/L） （ V/L）＇］ /（ V/L） =（ ） / 100％ =0. 006％，结果合理。 从而可计算出液体中各组分含量： 液体中氨含量： xNH3=LNH3/L= 100％ =％ 液体中甲烷含量： xCH4=LCH4/L= 100％ =％ 液体中氢含量 : xH2=LH2/L= 100％ =％ 液体中氮含量： xN2=LH2/L= 100％ =％ 表 46 氨分离器出口液体含量（ %） NH3 CH4 H2 N2 小计 分离气体组分含量： 气体氨含量 : yNH3=(mNH3LNH3)/V=（ ） /=% 气体甲烷含量： yCH4=(mCH4LCH4)/V=（ ） /= % 气体氢含量： yH2=(mH2LH2)/V=（ ） /=％ 气体氮含量： yN2=(mN2LN2)/V=（ ） /=％ 表 47 氨分离器出口气体含量（％） NH3 CH4 H2 N2 小计 冷交换器气液平衡计算 根据气液平衡原理 x(i)=y(i)+K(i),由于冷交换器第二次出口气体含量等于合成塔进口气体含量，由合成塔入口气体含量和操作条件下的分离温度可查出K（ i），便可解出 x（ i）。 查 t=15℃ ,p= 的平衡常数： 表 48 各组分的平衡常数 KNH3 KCH4 KH2 KN2 16 27 75 80 冷交换器出口液体组分含量： 出口液体氨含量： xNH3=yNH3/KNH3=％ 出口液体甲烷含量： xCH4=yCH4/KCH4=％ 出口液体氢含量 : xH2=yH2/KH2==％ 出口液体氮含量 : xN2=yN2/KN2=％ 表 49 冷交换器出口液体组分含量（％） NH3 CH4 H2 N2 小计 液氨贮槽气液平衡计算 由于氨分离器出口分离液体和冷交换器出口分离液体汇合后进入液氨贮槽经减压后溶解在液氨中的气体会解吸，即弛放气。 两种液体百分比估算值，即水冷后分离液氨占总量的百分数。 G％ =（ 1+y5NH3） ( )/(( y8NH3 y5NH3) (1 )) =[(1+）（ ） ]/ [（ ）（ ） ] =％ 水冷后分离液氨占总量的 ％冷交，氨冷后分离液氨占总量的 ％。 以液氨贮槽入口 1kmol 液体计算为准，即 L0=1kmol，入口液体混合后组分含量： m0i=L15X15i+L16X16i= G％ L0X15i+(1 G％ )X16i=+ 混合后入口氨含量： m0NH3= + = 混合后入口甲烷含量 : m0CH4= + = 混合后入口氢含量： m0H2= + = 混合后入口氮含量： m0N2= + = 表 410 液氨贮槽入口液体含量（ %） m0NH3 m0CH4 m0H2 m0N2 小计 100 当 t=17℃， P= 时，计算得热平衡常数： 表 411 各组分的平衡常数 KNH3 KCH4 KH2 KN2 17 170 575 620 根据气液平衡 Li=m0i/[1+(V/L)ki],设 (V/L)=,代入上式得 : 出口液体氨含量： LNH3=m0NH3/[(1+(V/L) KNH3] =(1+)= kmol 出口液体 甲烷含量： LCH4=m0CH4/[ 1+(V/L) KCH4] =(1+170)= kmol 出口液体氢气含量： LH2=m0H2/[ 1+(V/L) KH2]=(1+575)= kmol 出口液体氮气含量： LN2=m0N2/[ 1+(V/L) KN2] =(1+620)= kmol L(总 )=+++= kmol； V== kmol, (V/L)’ =V/L= 误差 =()/ 100％ =%，参数设定符合，则 出口液体各组分含量如下： 出口液体氨含量： xNH3=LNH3/L= 100％ =％ 出口液体甲烷含量： xCH4=LCH4/L= 100％ =％ 出口液体氢气含量： xH2=LH2/L= 100％ =％ 出口液体氮气含量： xN2=LN2/L= 100％ =％ 表 412 液氨贮槽出口液氨组分（％） NH3 CH4 H2 N2 小计 出口弛放气各组分含量： 弛放气氨含量： yNH3=(m0NH3LNH3)/V=()/ 100％ =％ 弛放气甲烷 含量： yCH4=(m0CH4LCH4)/V=()/ 100％ =％ 弛放气氢含量： 18 yH2=(m0H2LH2)/V=()/ 100％ =％ 弛放气氮气含量： yN2=(m0N2LN2)/V=()/ 100％ =％ 表 413 出口弛放气组分含量（％） NH3 CH4 H2 N2 小计 100 以液氨贮槽出口 10000 吨纯液氨为基准折标立方米计算液氨贮槽出口液体量 L19=28892130 ( 17)= =14271521kmol 其中 NH3 L19NH3=L19 X19NH3= 14271521 ﹪ = m３= CH4 L19CH4=L19CH4 X19CH4= ﹪ = = H2 L19H2=L19 X19H2= ﹪ = = N2 L19N2=L19 X19N2= ﹪ = = 液氨贮槽出口弛放气（ V/L） = V20= L19= = = 其中 NH3 V20NH3=V20 y20NH3= = = CH4 V20CH4=V20 y20CH4= = = H2 V20H2=V20 y20H2= = m３ = N2 V20N2=V2 y20N2= = = 液氨贮槽出口总物料 =L19+ V20=+= m３ 液氨贮槽进口液体：由物料平衡，入槽总物料 =出槽总物料 L21=L19+V20= = 入口液体各组分含量计算 :L21i= L19i + V20i 其中 NH3 L21NH3=+= m３ = CH4 L21CH4=+= m３ = H2 L21H2= += = N2 L21N2=+= = 入口液体中组分含量核算 ,由 m180。 0i=L21(i)/L21: 19 入口液体中氨含量 m180。 0(NH3） = 100﹪ =﹪ 入口液体 中甲烷含量 m180。 0(CH4)= 100﹪ =﹪ 入口液体中氢气含量 m180。 0(H2)= / 100﹪ =% 入口液体中氮气含量 m180。 0(N2)= / 100﹪ =% 入口液体中组分含量 m180。 0（ i)≈ m0（ i) 合成系统物料计算 将整个合成看着一个系统，进入该系统的物料有新鲜补充气补 V 补 ，离开该系统的物料有放空气 V 放 ，液氨 贮槽弛放气 V 弛 ，产品液氨 L 氨 由前计算数据如下表： 表 414 各组分的含量 名称 NH3 CH4 H2 N2 气量 补充气 866763900 放空气 V 放 弛放气 液氨 入塔气 V 入 出塔气 V 出 根据物料平衡和元素组分平衡求 V 补 ,V 放 ,V 入 ,V 出 ： 循环回路中总物料体平衡 : V 入 =V 出 + V 补 V 放 V 弛 LNH3 ┉┉┉┉┉┉① = V 出 +866763900 V 放 = V 出 V 放 + 由于氨合成时体积减小 V 出 = V 入 （ 放 + 弛 + LNH3） = V 入 （ 放 + +） 以 V 出 代人①中 V 放 = m3 循环回路中氨平衡 : V 出 yNH3V 入 yNH3入 =V 放 y 放 +V 弛 y NH3弛 +LNH3 ┉┉┉┉┉┉② 出 入 = + += 20 联立①②式解得： V 出 =3805495624 m３。 V 入 =4209324380m3 合成塔物料计算 入塔物料： V5=4209324380m3= NH3 V5NH3=4209324380 ﹪ == CH4 V5CH4=4209324380 17﹪ == H2 V5H2=4209324380 ﹪ =2541379594m3= N2 V5N2=4209324380 ﹪ == 合成塔一出，二进物料，热交换器，冷气进出物料等于合成塔入塔物料 即 V5=V6=V7=4209324380m3= 出塔物料 V8=3805495624m3= NH3 V8NH3=3805495624 ﹪ == CH4 V8CH4=3805495624 ﹪ == H2 V8H2=3805495624 ﹪ =1941518201m3= N2 V8N2=3805495624 ﹪ == 合成塔生成氨含量： Δ VNH3=V8NH3V5NH3=== 沸热锅炉进出口物料，热交换器进出口物料等于合成塔出塔物料。 即 V8=V9=V10=3805495624m3 水冷器物料计算 进器物料：水冷器进气物料等于热交换器出口物料，即 V10入 =3805495624m3 出器物料：在水冷器中部分气氨被冷凝；由氨分离器气液平衡计算得气液比(V/L)=,有如下方程 : V11出 /L11出 =(V/L)= ┉┉┉┉┉┉① V11出 +L。