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1、年产18万吨合成氨厂合成工段工艺设计一、 设计依据：计算基准按1000Nm3新鲜原料气。本工段计算中全部采用绝对压力，为简便计算，下文中的压力单位中“绝对”二字略去不写。1、工艺流程：循环机油分氨合成塔氨冷器氨分离器冷排废热锅炉液氨储槽塔前预热器上水下水弛放气液氨压缩机六段来新鲜补充气冷交换器锅炉软水蒸汽放空气气氨去氢回收2、新鲜气体组成：（见下表）组成H2N2CH4Ar%73.6524.761.210.383、压力：系统压力为30MPa；废热锅炉产蒸汽压力为2.5MPa；计算循环机进出口气体温升时，其进出口压差取2.5MPa；系统压力降忽略不计。4、温度：新鲜气温度为35；合成塔底进气温度1
2、90；合成塔出口（至废热锅炉）气体温度约为320；废热锅炉出口气体温度195，进入合成塔前预热器；入水冷器气体温度80；水冷器出口气体温度为35；废热锅炉进口软水温度约为122；冷却水供水温度为30，冷却回水温度为40；进循环机气体温度28；氨库来源氨温度20。5、气体组成：合成塔进出口气体中氨含量为3%；合成塔出口气体中氨含量为16.7%；循环气中H2/N2为3；循环气中（CH4+Ar）含量为15%；各气体组分在液氨中的溶解量忽略不计。6、年操作日：285。7、参考书：小氮肥工艺设计手册合成氨工艺二、物料衡算基准：1000Nm3新鲜气为基准1、 合成物料衡算：、放空气体量V1及其组成V1=1
3、06Nm3查手册查得35时，气相中平衡氨含量为：y*NH3=9.187%，取过饱和度为10%，则：yNH3=9.187%（100%+10%）=10.11%yH2=yN2=%yCH4=15%yAr=15%所以放空气组成及其体积列表如下：组成H2N2CH4ArNH3合计%56.1718.7211.423.5810.11100Nm359.5419.8412.113.7910.72106（2）、氨产量V4由气量平衡：V2V0V3V1V4 由于氨合成时体积减少，故：2V3V410.11%V1 式中：V0补充新鲜气 Nm3 V1放空气体积 Nm3 V2进入合成塔混合气体积 Nm3V3出合成塔混合气体体积
4、Nm3V4冷凝成产品氨（液氨）的体积 Nm3 由、解得：V4=（3）、合成塔出口气体及其组成（进入循环机中氨含量控制在3%）由氨平衡： 由+3% 得： 合成塔出口气组成及其体积：组成H2N2CH4ArNH3合计%52.6917.569.933.1216.7100Nm31791.95597.20337.71106.11567.963400.93（4）、合成塔进口气量及其组成由得： 所以， 合成塔进口量及组成：组成H2N2CH4ArNH3合计%64.1121.378.772.753100Nm32470.34823.45337.93105.97115.603853.292、水冷器物料衡算（1）、水冷
5、器进口的物料同合成塔出口相同（2）、水冷器出口气体组成与放空气相同设经水冷器后1标准立方气体中所含氨量为出水冷器体积：因为35时气相平衡氨含量：，取过饱和度为10%，则： 解得：水冷器出口气组成及体积：组成H2N2CH4ArNH3合计%56.1718.7211.423.5810.11100Nm31770.28589.99359.92112.83318.633151.64水冷器冷凝下来的氨量=合成塔出口的氨量水冷器出口的氨量=3、 冷交换器的物料衡算（1）、冷交换器进口热气组成与放空气相同其体积为：所以，进口热气组成及体积为：组成H2N2CH4ArNH3合计%56.1718.7211.423.5
6、810.11100Nm31710.74570.14347.81109.03307.913045.64（2）、出口组成及体积设出口温度为19。（用试算法由热量平衡决定，见热量衡算部分）由公式：由于 故，代入上式可得：，取氨的过饱和度为10%，则：设出口气中氨气体体积为，则有：解得：所以，冷交换器中冷凝下来的氨量为：冷交换器出口体积：冷交换器出口体积及其组成：组成H2N2CH4ArNH3合计%58.4819.4911.893.736.41100Nm31710.74570.14347.81109.03187.642925.374、氨冷器的物料衡算（1）、进口气体量：故进气口的各气体的体积及组成：组成
7、H2N2CH4ArNH3合计%62.3420.839.172.884.78100Nm32447.24817.74359.91112.83187.643925.37（2）、出口组成与合成塔进口气相同合成塔进口气量：则冷凝下来的氨量：5、消耗定额的计算氨产量： ， 新鲜原料气消耗定额：高压机泄露取2%，则每吨氨耗用精炼气量为：三、热量衡算基准：新鲜气 温度为01、循环机出口气体温度查表得：循环机中各组分的绝热指数为：组成H2N2CH4ArNH3%64.1121.378.772.753ki1.4071.41.3081.661.29由公式：式中：混合气体中各组分的容积百分数混合气中各组分的绝热指数解得
8、：K=1.394已知：循环机 ， 由于循环机的入口温度为28，即301K则： 即 35.492、冷交换器的热量衡算（1）、冷气体的进口温度计算出氨冷器气体氨含量为3%，取饱和度为10%，则在冷凝温度下的平衡氨含量：由公式：其中： ，代入上式得：（2）、热量衡算（冷交换器）冷气体在冷交换器内温度由 5.53升到28；热气体出冷交换器温度需由热平衡计算，因气体热容随温度而变，不同温度时冷凝氨量也不一样，故需试差。、设出冷交换器热气温度为19，热气体由35冷却到19热气体在交换器内平均温度=设气体先冷却到19然后氨冷凝。因热气体在器内处于氨饱和区内，计算气体热容时不能用“按分压叠加法”，现采用先计算
9、常压时的热容，然后再加压力校正。采用别斯科夫算式求Cpi：列表计算如下：组成H2N2CH4ArNH3%56.1718.7211.423.5810.11Cpi6.9226.7938.1674.9808.345由表查得各组分的临界温度和临界压力，在分别计算混合气的临界温度和压力。成分H2N2CH4ArNH3Tc/K33.26126.16190.54150.76405.49Pc/atm12.833.545.3648.1111.65所以，查图得热容的压力校正图得：Cp=1.3 ， 又由于热气体在器中放出的显热量：查表查得：19时氨冷凝热为 284.60kal/kg所以，、冷气体在交换器内吸收的热量冷气
10、体在交换器内的平均温度=采用别斯科夫算式求Cpi，列表如下：组成H2N2CH4ArNH3%64.1121.378.772.753Cpi6.9206.7808.0454.9808.282查图得： ， 。即热量平衡相对误差：故冷交换器中冷气吸收的热与热气体放出的热基本相等，故热气出口温度为t=19是正确的。3、 氨冷器的热量衡算（1）、氨冷器进口温度（2）、氨冷器的热量衡算气体由22.30冷凝到-5.53，然后在-5.53下冷凝，同时液氨放热。平均温度为：在 下：由 ，得： ， 取过饱和度为10%，得：气体组成与循环机入口相同，总组成求得平均温度下的热容、临界温度、临界压力：组成H2N2CH4Ar
11、NH3合计%63.0421.018.622.704.62100Cpi6.9206.7788.0224.988.2716.994Tc33.26126.16190.54150.76405.4986.70Pc12.833.545.3648.1111.6525.47所以，查图的查表得：-5液氨焓值为94.5kcal/kg；-6液氨焓值为93.41kcal/kg。22液氨焓值为124.70kcal/kg；23液氨焓值为125.82kcal/kg。由内插法可得-5.53液氨焓值为93.92kcal/kg；22.3液氨焓值为125.04kcal/kg所以，液氨冷却放出的热量为：内插法得，氨在-5.53冷凝热
12、为：306.28kcal/kg所以：以上热量需由液氨蒸发移走，故亦可认为耗冷量。液氨蒸发温度取为-12，查表得，蒸发压力为2.732kg/cm2气氨压力满足碳化工段吸氨的要求。由表查得：20液氨的焓为122.40kcal/kg；-12气氨的焓为398.38kcal/kg。耗用气氨的量为：生产每吨氨耗冷量为：生产每吨氨耗用的液氨量为：因此生产的液氨量足够冷冻使用。4、废热锅炉的热量衡算（1）、废热锅炉回收的热量 废热锅炉压力为2.5MPa，查图得：组成H2N2CH4ArNH3合计%52.6917.569.933.1216.7100Cpi7.017.1811.705.1710.858.09（2）、2.5MPa下，饱和蒸汽的焓 软水的焓 设x为产生的蒸汽量，则：5、水冷器的热量衡算进入水冷器气体温度为；出水冷器设气体先冷却
