尿素氨合成工段设计

本科生毕业论文（设计）题 目煤合成100wt/a尿素- 氨合成工段设计二级学院化学与化工学院专 业应用化学学生姓名学 号年级指导教师职称摘要 尿素作为氮肥中含氮量最高的品种，它在农业和工业及其他方面都有着十分广泛的作用，当然它的需求量也是很大的。尿素生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。 本设计是以煤为原料年产100万吨尿素中合成氨工序中氨合成工段的设计。由于资源结构的原因，以煤为原料，成本较低，资源丰富，虽然以煤为原料合成氨存在不少缺点，但近年来，我国技术人员做了大量技术改进，节能、降耗、环境污染等有了很大的进展。 本设计绪论部分主要讲述了尿素的性质、尿素工业的发展情况；设计方案的选择和确定，讲了几种流程方案的比较和建厂的选址；生产流程简述；设计工艺计算主要包括物料衡算和热量衡算；主要设备选型；环境保护与安全措施。关键字：尿素；合成氨；工艺选择；能源消耗 I2013届毕业设计abstractIn the nitrogen fertilizer products ，urea has the highest nitrogen content. It has widely effect in the agriculture ,industry and other aspects. Of course, it is also in great demand. The production of urea has years of development ,it has developed into a mature chemical process now. This design is based on the synthesis section of ammonia, which is a part of that use coal as raw material to produce urea 1 million tons every year. Because the structure of resource, taking coal as raw material is not only has a low cost, but also has a abundant resources. Although it has some shortcomings in using coal as raw materials for producting ammonia. But our technicist have done a lot of technical improvement in recent years. It has made great progress in energy saving, consumption reduction, environment pollution and so on. The first part of this design is mainly about the nature of the urea and its industry development situation. Then, the choice and determination of design scheme ; introduces several kinds of proces scheme and make a comparison;the location of the factory; the summary of production process. Design process mainly include material balance and heat balance calculation; The main equipment selection ;environmental protection and safety measures.Key words: the urea; synthetic ammonia ;process selection; energy III2013届毕业设计目 录摘要IabstractIII第1章 绪论11.1尿素的性质、用途及重要性11.1.1 尿素的性质11.1.2 尿素的用途11.2 尿素的发展趋势11.3 尿素的几中生产方法及特点2第2章 氨的合成32.1 设计产品所需的主要原料来源、规格32.1.1 主要原料来源32.1.2 主要原料规格32.2 氨合成操作条件的选择42.2.1 氨合成催化剂42.2.2 压力42.2.3 温度42.2.4 空间速度42.3 氨合成的工艺流程5第 3 章 工艺计算73.1 原始条件73.2 物料衡算73.2.1 合成塔物料衡算73.2.2 氨分离器气液平衡计算83.2.3 冷交换器气液平衡计算103.2.4 液氨贮槽气液平衡计算103.2.5液氨贮槽物料计算123.2.6 合成系统物料计算143.2.7合成塔物料计算143.2.8 水冷器物料计算153.2.9 氨分离器物料计算163.2.10冷交换器物料计算163.2.11 氨冷器物料计算173.2.12 冷交换器物料计算183.2.13液氨贮槽物料计算193.2.14 物料衡算结果汇总213.3 热量衡算243.3.1 冷交换器热量衡算24第 4 章 主要的设备选型与计算274.1 合成塔催化剂层设计274.2 换热器设计304.3 主要设备选型汇总31第 5 章 环境保护与安全措施335.1 环境保护335.2 安全措施335.2.1 防火335.2.2 防爆345.2.3 防中毒345.2.4 防烧伤345.2.5 防机械伤害345.2.6 防触电34结论37参考文献39致谢41附录43VI第1章 绪论1.1尿素的性质、用途及重要性1.1.1 尿素的性质 尿素，分子式CO(NH2)2,它的学名是碳酰二胺。 物理性质：相对分子质量为60.06，密度是1.335g/cm3，熔点是132.7，可溶于水、醇，但不溶于氯仿、乙醚。纯净的尿素是无色、无味的针状或棒状结晶体，尿素是氮肥中含氮量最高的，含氮量为46.6%。 化学性质：呈弱碱性，可以和酸作用生产盐。有水解作用，在常温下，尿素在水中逐渐地进行水解，先转化为氨基甲酸铵（简称甲铵），再形成（NH3)2CO3，最终分解为CO2与氨。它的水解速度温度升高成正比，同时水解进行更容易。尿素在高温下还可进行缩合反应，产物为缩二脲、缩三脲、三聚氰酸。当加热到160时，会分解产生氨气同时变为氰酸。当温度小于60时，尿素无论在酸、中或碱性溶液中都不水解1。1.1.2 尿素的用途 尿素在工业和农业还有其他方面都有着十分广泛的作用。在工业上，尿素可用来生产高聚物合成材料，如脲醛树脂。在农业上可用作肥料，尿素是当前使用的固体氮肥中含氮量最高的化肥。除此以外，在纺织、炸药、染料等生产中，也都利用了尿素。国外还用尿素用在环保方面，吸收污染物质，以保护环境2。尿素还有以下用途：水稻种植：在杂交稻技术中，可用尿素代替赤霉素，在孕穗盛期和始穗期使用1.5%-2%的尿素，可提高父母本的异交率和增加杂交稻制种量，同时还不会增加株高。调节花量：为克服苹果的小年，在开花后的5-6周，在其页面上喷洒低浓度的尿素水溶液，可提高叶子的含氮量，使新梢生长，抑制花芽分化。疏花疏果：用尿素对桃进行疏花疏果，但需要一定的浓度，不同的土地也有不同的效果。尿素铁肥：尿素与2价铁生成螯合铁，这是一种成本较低的有机铁肥，可以防止去热帖失绿。防治害虫：用尿素、洗衣粉、清水按照一定的比例混合均匀后，可用来防止蔬菜、果树、棉花上的红蜘蛛、菜青虫等害虫3。1.2 尿素的发展趋势 直接用二氧化碳和氨制尿素，在20世纪50年代之前都发展的很慢，但后来在尿素生产中的技术问题得到解决后，尿素工业也逐渐发展起来。20世纪60年代初主要是采用水溶液全循环法，到了70年代就以二氧化碳气提法居多了，直到80年代后期氨气提法等快速发展，生产规模也逐渐增大。这么多年以来，尽管经过不断的改进，但尿素的生产工艺也没有根本性变化2。 2012年2月3日发布的化肥工业“十二五”发展规划中提到了，为适应现代农业发展的需要，转变化肥工业发展方式，推进循环经济，加快调整产业结构，发展农化服务业，提高化肥利用效率等。化肥工业“十二五”发展规划在“十一五”化肥工业发展成就的基础上，提出淘汰落后产能、实现磷肥、氮肥完全自给并且可以少量出口及钾肥我国保障能力在60%以上的“十二五”发展目标，尿素作为氮肥中比重最大的产品，肯定会带来新一轮产业升级的发展热潮4。1.3 尿素的几中生产方法及特点 目前工业上主要是用氨与二氧化碳直接生产尿素，整个过程包括以下4步：二氧化碳和氨的供给和净化；二氧化碳和氨反应；反应生产的尿素熔融液和没有反应的分离；尿素熔融液加工成尿素成品。尿素的生产有几种不同的流程，是根据合成过程中未反应物的利用方式不同。 一、气提法：在和合成塔等压的条件下，用一种气体介质通过反应液分解出甲胺，并把分解物返回系统使用。 二、气体分离循环法：用选择性吸收剂吸收CO2和氨，吸收后的溶液再生，CO2和氨吸收后返回合成。 三、水溶液全循环法：用水吸收没反应的CO2和氨，再返回系统中。加入的水量较多，CO2和水的摩尔比接近1，称为碳酸铵盐水溶液全循环法；加入的水较少，基本上是以甲铵返回系统，则叫做氨基甲酸铵溶液全循环法。 四、热气循环法：把没反应的CO2和氨在较高温度下直接加压后，返回系统循环使用。 我国一般选用的是二氧化碳气提法和甲铵水溶液循环法1。22013届毕业设计第2章 氨的合成2.1 设计产品所需的主要原料来源、规格2.1.1 主要原料来源 由于资源结构的原因，在我国以气、油为原料制造氨，其原料成本较高，况且供应也不能保证。原料选用煤，不仅成本较低，而且来源也更丰富。目前，已形成以煤为主，油气并存的局面，以煤为原料制氨处于中国主导地位，本设计就是以煤为原料合成氨5。2.1.2 主要原料规格 （一）合成塔进塔气体组成 （1）氢氮气 当氢氮比是3时，对于氨合成发应，能得到最大平衡氨浓度，但在动力学角度来看，最适宜氢氮比随着氨含量的不同而变化。经过生产经验表明，把入塔气体中的氢氮比降到3以下，有利于氨的合成。最佳氢氮比为2.7-2.9，故可在循环气中有一定的过量氮，而新鲜的氮氢气应根据氮氢比的需要来调节。 （2）惰性气含量 新鲜氮氢气中含有CH4和Ar，以及微量的氦、氖、氪等稀有气体，因为它们不会参与氨合成反应，也不会使催化剂中毒，因此它会积累在系统中。但维持过低的惰性气又需要排放大量循环气。惰性气的存在，不管从化学平衡角度还是动力学角度都是不利的。因此，循环气中惰性气体含量还跟新鲜气惰性气体含量、催化剂活性、操作压力等有关。 （3）氨含量 合成塔出口气中氨分离采用冷凝法，因为此法不可能把气体中的氨全部冷凝下来，所以返回合成塔进口的气体还有一些氨，一般为2%-5%（体积）。当其他条件确定后，入塔气体中氨含量增加，出塔氨的含量也增加，但因为氨存在会影响氨合成效率，氨含量却减少。合成塔进口气中初始氨含量的高低取决于氨分离的方法，就冷冻分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。操作压力为30MPa时，一般进塔氨含量控制在3.2%-3.8%6。 （二）硫化物和碳氧化物含量 不管用什么原料来制原料气，都会产生一定的硫化物。即使它的含量不是很高，但对氨的生产有很不利。硫化物对很多催化剂来说都有毒，H2S会使设备管道腐蚀。为防止CO和CO2对催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得多余20ppm7。2.2 氨合成操作条件的选择 在选择氨的生产工艺时，要选可以产量高、消耗低的，而且要流程不是很复杂、设备结构简单、安全度高的。能影响生产条件的有温度、压力、催化剂等。2.2.1 氨合成催化剂 有许多金属，如Ru、Fe、Mo、Mn、W等对氨合成有一定催化作用。但采用铁系催化剂且加有促进剂的，不仅便宜容易得到，且活性好、使用寿命长，所以应用很多。 氨合成使用的催化剂，是黑色、带有金属光泽的，且有不规则成型的固体颗粒。至今已有球型颗粒的，虽然容易在空气中受潮，从而使钾盐析出降低活性，但经还原后的催化剂中，FeO被还原为小的活性铁晶体均匀的分布在Al2O3上，就变成了海绵状的结构且孔隙率较大，铁催化剂被还原后若敞在空中会很快被氧化，就没有活性了。CO2、CO、水蒸气、硫化物等都会使催化剂永远或暂时中毒，何况不同的铁催化剂也有最适宜反应温度、耐热温度和起始活性温度。2.2.2 压力 压力升高，有助于合成氨反应平衡，对反应速率也有利，空间速度确定后，氨出口的浓度和氨净值都随压力增大而增大，进而生产能力就增大，同时氨产率也上升。 压力能反应氨生产过程能量消耗的高低，其中的能量消耗包括氨分离的冷冻功与循环气压缩功。原料气的压缩功和氨净值随压力升高而增加，那么循环气量会减少，进而循环气压缩功也减少。氨的分离在压力高的情况下更有利，温度高更有利于氨冷凝成液氨，也降低了冷冻功。经验表明，当在20-35MPa下消耗的总能量会比较低。 2.2.3 温度 氨的合成中要用催化剂，所以在氨的合成过程要在一定的温度范围内进行最好。 在一个温度下，能使某催化剂在此生产条件下使氨的生产率最高，那么这个温度就是最适宜温度，催化剂不同则最佳温度也不同，即使是同种催化剂在不同的时间这个最佳温度也不同。这个最佳温度也跟空间速度有关，空间速度确定后，氨产率会先随温度的升高而增加，达到最佳温度后，会随温度的升高而降低，每个空间速度对应一个最佳温度。为了合成最大的氨产率，合成氨的产率随着空间速度的增加而提高，在最适宜温度以外，不管是升温还是降温，氨产率都会降低。氨产率也会受催化层内温度分布的影响，进催化层的温度高，出催化层的温度低。因为刚进入催化层的气体中氨含量低，离平衡远，为了提高氨含量要加快合成反应，催化层上面升高温度能加快反应速率。2.2.4 空间速度 在温度、操作压力、入塔气组成确定后，空间速度的增加会使气体通过催化层的速度也增加，这样催化剂和气体接触时间变少，那么出塔气中氨含量降低。但空间速度增大的幅度比氨净值降低的幅度要大，氨的生产能力随空间速度增大而提高，氨产量也跟着增大。其余条件确定后，空间速度的增大可以提高催化剂的生产强度，冷冻功也增大，但单位循环气量的氨产量也随之降低，若单位循环气的反应热减少到一定量时，整个合成塔将很难维持“自然”。 一般中压法合成氨，空间速度在20000-40000/h之间8。2.3 氨合成的工艺流程 （一）合成氨工艺流程 本设计采用传统中压氨合成流程（图2-1）。图2-1 传统中压流程简图 1、从合成塔1出来的气体，被水冷器2冷却到差不多30，有些氨冷凝后，在氨冷器中分出液氨，为降低惰性气体浓度，循环气在氨冷器中被放出，大部分循环气被循环压缩机4压缩，再进到油分离器，同时也补充新鲜气。 2、气体到了6上面的换热器管内，将从7出来的循环气的能量回收，再通过氨冷器冷至差不多-10，把大部分氨冷凝后，再在冷热交换器的下面氨分离段把氨分离出来。 3、分离出液氨的低温循环气经过冷热交换器管间预冷进氨冷器的气体，自身被加热到10-30后进入氨合成塔，完成循环过程8。 (二）反应热的回收利用 氨的合成反应是放热反应，所以有必要回收并利用这部分反应热。现在回收利用反应热的方法有很多，现在我们一般都采用把副产蒸汽和氢氮混合气在反应前加热，这样回收的热量较多，且可得副产蒸汽9。 62013届毕业设计第 3 章 工艺计算3.1 原始条件 （1）年产量100wt尿素，通过换算可知需年产113.33wt的液氨，若损失量为5%，则需要氨的年产量为119.29 wt，年生产时间扣除检修等时间后按330天计，则产量为：150.62t/h （2）新鲜补充气组成表3-1 新鲜补充气组成组分H2N2CH4Ar总计含量（%）74.5241.20.3100 （3）合成塔入口中氨的含量： （4）合成塔出口中氨的含量： （5）合成塔入口中惰性气体的含量： （6）合成塔的操作压力： （7）精炼气温度： 3.2 物料衡算 该过程的物料计算按照图3-1中的物料点流程计算，见图3-1：3.2.1 合成塔物料衡算 （1）合成塔入口气组分： 入塔时氨的含量: y5，NH3 = 2.7% ； 入塔时甲烷的含量：y5，CH4 = 15%1.2/（1.2+0.3）100%= 12% 入塔时氮的含量：y5，N2 =100%（2.7%+15%） 1/4100%= 20.575% 入塔时氢的含量：y5，H2 =100%（2.7%+15%） 3/4100%= 61.725% 入塔时氩的含量：15%12%= 3% （2）合成塔出口气组分： 以100kmol入塔气为计算基准来计算出塔气组分： 计算塔内生成氨含量：MNH3= = 出塔气量：M8=入塔气量生成氨含量=10011.466=88.534kmol 出塔氨的含量：y8，NH3 = 16% 出塔甲烷含量：y8，CH4=(100/88.534)12%= 13.554%1.2.3.4.5.精炼气 ； 6.7.8.9.10.11.12.14.17.18.合成气； 13放空气 20弛放气 ； 15.16.19.21液氨 图3-1 计算物料点流程 出塔氢的含量：y8，H2= 3/4100 =(10.160.135540.03389)3/4100=50.293% 出塔氮的含量：y8，N2=（10.160.135540.03389) 1/4100 =16.764% 出塔氩的含量：y8，Ar = =100/88.5343% = 3.389% 合成塔的进、出口各气体组分含量见表3-11： （3）合成率 合成率=100 = 2 11.466/100(10.0270.15) 100 = 27.864% 3.2.2 氨分离器气液平衡计算 表3-2 已知氨分离器入口混合物组分m(i)NH3CH4H2N2Ar小计0.160.135540.502930.167640.033891.00000 查表得当t=35，P=29.1MPa时各组分平衡常数： 表3-3 各组分平衡常数KNH3KCH4KH2KN2KAr0.0988.227.50034.50028.200 设时，带入： LNH3= = 0.07664Kmol LCH4= = 0.00147Kmol LH2= = 0.00164Kmol L N2= = 0.00044Kmol LAr= = 0.00011Kmol L总= =0.0803Kmol 分离气体量： 计算气液比：=0.9197/0.0803=11.4533 再计算液体中各组分含量： 液体中氨的含量：xNH3= 液体中甲烷的含量：xCH4= 液体中氢的含量：xH2= =0.00164/0.0803100%=2.042% 液体中氮的含量：xN2= =0.00044/0.0803100%=0.548% 液体中氩的含量：xAr= =0.00011/0.0803100%=0.137% 分离气体组分含量： 气体氨的含量：yNH3=9.06% 气体甲烷的含量：yCH4=14.58% 气体氢含量：yH2=54.51% 气体氮含量：yN2=18.18% 气体氩的含量：yAr=3.67% 氨分离器出口的液体、气体含量见表3-4：3.2.3 冷交换器气液平衡计算查表得当, 的平衡常数：表3-4 氨分离器出口液体、气体含量（%）NH3CH4H2N2Ar小计液体含量95.4421.8312.0420.5480.137100气体含量9.0614.5854.5118.183.67100表3-5 各组分的平衡常数KNH3KCH4KH2KN2KAr 冷交换器出口液体组分含量： 出口液体氨的含量：xNH3= =0.027/0.0274100%=98.54% 出口液体甲烷的含量：xCH4=0.444% 出口液体氢的含量：xH2=0.823% 出口液体氮含量：xN2=0.257% 出口液体氩的含量：xAr=0.059%表3-6 冷交换器出口液体组分含量（）NH3CH4H2N2Ar小计3.2.4 液氨贮槽气液平衡计算 因为冷交换器出口中和氨分离器中的液体都流到液氨贮槽，然后通过降低压力后，将溶解在液氨中的气体析出，便是弛放气。 。 G= =(1+0.027）（0.16-0.0906）/ （0.16-0.027）（1-0.0906） =58.928% 水冷之后分离的液氨占总量的58.928%冷交，氨冷后分离的液氨占总量的41.072%。 假定液氨贮槽入口的液体为1Kmol，则记为L0=1Kmol，那么入口的液体混合后组分含量为： m(0i)= = =0.58928 X15i+0.41072 X16i 混合后入口氨的含量：m0，NH3=0.589280.95442+0.410720.9854=0.96714 混合后入口甲烷的含量：m0，CH4=0.589280.01831+0.410720.00444=0.01261 混合后入口氢的含量：m0，H2=0.589280.02042+0.410720.00823=0.01541 混合后入口氮含量：m0，N2=0.589280.00548+0.410720.00257=0.00428 混合后入口氩的含量：m0，Ar=0.589280.00137+0.410720.00059=0.00105表3-7 液氨贮槽入口液体含量m0，NH3m0，CH4m0，H2m0，N2m0，Ar小计0.967140.012610.015410.004280.001051.000 当t=17，P=1.568MPa时，可得到热平衡常数如下：表3-8 各组分的平衡常数KNH3KCH4KH2KN2KAr0.598170575620540 由气液平衡L(i)=,设(V/L)=0.05,代入得： 出口液体中氨的含量：LNH3= = 0.96714/(1+0.050.598)=0.93906 Kmol 出口液体中甲烷的含量：LCH4= =0.01261/( 1+0.05170)=0.00133 Kmol 出口液体中氢气的含量：LH2= =0.01541/(1+0.05575)=0.00052 Kmol 出口液体中氮气的含量：LN2= =0.00428/(1+0.05620)=0.00013 Kmol 出口液体中氩的含量：LAr= =0.00105/(1+0.05540)=0.00004 Kmol L总= =0.94108 Kmol V = =1-0.94108=0.05892Kmol， =0.06261 误差=(0.06261-0.05)/0.05=-0.2522，假定正确. 出口液体中各组分的含量： 出口液体中氨的含量：xNH3= 出口液体甲烷的含量：xCH4= 出口液体中氢气的含量：xH2=0.00052/0.94108100%=0.055% 出口液体中氮气的含量：xN2=0.00013/0.94108100%=0.014% 出口液体中氩的含量：xAr=0.00004/0.94108100%=0.004%表3-9 液氨贮槽出口液氨各组分（）NH3CH4H2N2Ar小计99.7850.1420.0550.0140.004100 出口中弛放气各组分含量： 弛放气中氨的含量：yNH3= =（0.96714-0.93906)/ 0.05892100%=47.658% 弛放气中甲烷的含量：yCH4= =(0.01261-0.00133)/ 0.05892100%=19.145% 弛放气中氢气的含量：yH2= =(0.01541-0.00052)/ 0.05892100%=25.272% 弛放气中氮气的含量：yN2= =(0.00428-0.00013)/ 0.05892100%=7.043% 弛放气中氩的含量：yAr= =(0.00105-0.00004)/ 0.05892100%=1.712%表3-10 出口弛放气各组分含量（）NH3CH4H2N2Ar小计47.65819.14525.2727.0431.7121003.2.5液氨贮槽物料计算L(19)=100022.4/(0.9978517)=1320.486 m3其中NH3：L(19，NH3)= = 1320.48699.785%=1317.647 m3 CH4：L(19，CH4)= = 1320.4860.142%=1.875 m3 H2：L(19，H2)= = 1320.4860.055%=0.726 m3 N2：L(19，N2)= = 1320.4860.014%=0.185 m3 Ar：L(19，Ar)= = 1320.4860.004%=0.053 m3 假定液氨贮槽出口弛放气（V/L）=0.0618，则 V(20)= 0.0621L(19)=0.06211320.486=82.002 m3 其中NH3：V(20，NH3)= = 82.00247.658%=39.081 m3 CH4：V(20，CH4)= = 82.00219.145%=15.699 m3 H2：V(20，H2)= = 82.00225.272%=20.724 m3 N2：V(20，N2)= = 82.0027.043%=5.775 m3 Ar：V(20，Ar)= = 82.0021.712%=1.404 m3 液氨贮槽出口总物料体积=V(20) + L(19) =82.002+1320.486=1402.488 m3 因此入口物料也应与出口相等：L(21)=L(19)+V(20)= 1402.488 m3 入口的液体各组分含量：L(21i)= 其中NH3：L(21，NH3)= 1317.647+39.081=1356.728 m3 CH4：L(21，CH4)= 1.875+15.699=17.574 m3 H2：L(21，H2)= 0.726+20.724=21.45 m3 N2：L(21，N2)= 0.185+5.775=5.96 m3 Ar：L(21，Ar)= 0.053+1.404=1.457 m3 入口液体中各组分含量核算,由 m(0i)= ： 其中NH3：m(0NH3)= 1356.728/1402.488100%=96.737% CH4：m(0CH4)= 17.574/1402.488100%=1.253% H2：m(0H2)= 21.45/1402.488100%=1.529% N2：m(0N2)= 5.96/1402.488100%=0.425% Ar：m(0Ar)= 1.45/1402.488100%=0.103% 入口液体中组分含量 m(0i) M(0i)3.2.6 合成系统物料计算 离开的物料根据上面计算数据得下表： 表3-11 各组分含量 名称 NH3 CH4 H2 N2 Ar 气量入塔气 0.027 0.12 0.20575 0.61725 0.03 V入出塔气 0.16 0.13554 0.50293 0.16764 0.03389 V出补充气 0.012 0.745 0.24 0.003 V补放空气0.093690.14160.541480.180580.04276 V放弛放气 0.47658 0.19145 0.25272 0.07043 0.01712 82.002液氨 0.99785 0.00142 0.00055 0.00014 0.000041320.486 由物料平衡和元素组分平衡求V入、V出、V补、V放 循环回路中氮平衡: V补yN2补=V放yN2放V弛yN2弛+1/2V放yNH3放+1/2V弛yNH3弛+1/2LNH3 循环回路中氢平衡： 循环回路中惰性气体平衡:V出yNH3出V入yNH3入=V放y放+V弛y NH3弛+LNH30.16V出 0.027V入 =0.09369 V放+0.47658V弛+1320.486 循环回路中惰性气体平衡: V补(yCH4补+yAr补)=V弛(yCH4放+yAr放)+V弛(yCH4弛+yAr弛) V补（0.012 +0.003）= V弛（0.1416+0.04276）+82.002（0.19145+0.01712） V补= 12.2907 V弛 +1140.2133 循环回路中总物料体平衡: V入=V出 + V补 - V放 - V弛- LNH3= V出 + V补 - V放 -1402.488 联立以上方程解得： V入= 10714.504 m3 ； V出 =10051.32 m3 ；V补= 2198.14 m3 ；V放=132.468 m33.2.7合成塔物料计算 入塔物料：V5= 10714.504 m3 其中NH3：V5，NH3= 10714.5042.7%=289.292 m3 CH4：V5，CH4=10714.50412%=1285.740 m3 H2：V5，H2=10714.50461.725%=6613.528 m3 N2：V5，N2=10714.50420.575%=2204.509 m3 Ar：V5，Ar= 10714.5043%=321.435 m3热交换器和冷气的进出口物料等于合成塔入塔物料：则V5=V6=V7=10714.504 m3出塔物料V8=10051.32 m3其中NH3：V8，NH3= 10051.3216%=1608.211 m3 CH4：V8，CH4=10051.3213.554%=1362.356 m3 H2：V8，H2=10051.3250.293%=5055.110 m3 N2：V8，N2=10051.3216.764%=1685.003 m3 Ar：V8，Ar= 10051.323.389%=395.639 m3合成塔中生产的氨含量：VNH3=V8，NH3-V5，NH3 =1608.211-289.292=1318.919m3=1000.966kg 可得到V8=V9=V10=10051.32 m33.2.8 水冷器物料计算出器物料：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进器物料：水冷器进气物料等于热交换器出口物料，即 V10入=10051.32 m3有如下方程: V11，出/L11，出=(V/L)=11.1 则V11，出=11.1L11，出 V11，出+L11，出=L10入=10051.32 由以上两个方程得L11，出=830.69 m3 ；V11，出=9220.66 m3出口的气体组分根据V11i=V11出y11i可知：其中NH3：V11，NH3=9220.669.369%=863.884 m3 CH4：V11，CH4=9220.6614.16%=1305.645 m3 H2：V11，H2=9220.6654.148%=4992.803 m3 N2：V11，N2=9220.6618.058%=1665.067 m3 Ar：V11，Ar=9220.664.276%=394.275 m3出口的液体各组分根据L11i=V8i-V11i可知其中NH3：L11，NH3=1608.211- 863.884 =744.327 m3 CH4：L 11，CH4= 1362.356-1305.645=56.711 m3 H2：L11，H2= 5055.110-4992.803=62.307 m3 N2：L11，N2=1685.003- 1665.067 =19.936 m3 Ar：L11，Ar=395.639-394.275 =1.418 m33.2.9 氨分离器物料计算 进氨分离器物料：它的进器总物料等于水冷器出口气液混合物总物料则V11=V11，出+L11，出=9220.66+830.69=10051.35 m3出氨分离器物料： 出器气体；出器液体氨分离器出口的气体放空量V13=132.468 m3其中NH3：V13，NH3=132.4689.369%=12.411 m3 CH4：V13，CH4=132.46814.16%=18.757 m3 H2：V13，H2=132.46854.148%=71.729 m3 N2：V13，N2=132.46818.058%=23.921 m3 Ar：V13，Ar=132.4684.276%=5.664 m33.2.10冷交换器物料计算 进冷交换器物料：进器物料等于氨分离器出口气体物料减去放空气量V14=V12-V13=9220.66-132.468=9088.192 m3 其中NH3：V14，NH3=9088.1929.369%=851.473m3 CH4：V14，CH4=9088.19214.16%= 1286.888m3 H2：V14，H2=9088.19254.148%=4921.074 m3 N2：V14，N2=9088.19218.058%=1641.146 m3 Ar：V14，Ar=9088.1924.276%=388.611 m3 出冷交换器物料（热气）：假定热气出口的温度为17，查资料得t=17, P=28.42MPa时气液平衡的氨含量y NH3=5.9%，忽略溶解于液氨中的气体，取过饱和度为10%，则计算热气出口冷凝氨为V17，NH3=1.15.9%=6.49% 设定热气出口氨的体积是x，则x/（9088.192+851.473+x）=0.0649 解得x=689.855 m3 则L17，NH3=V14，NH3-x=851.473 -689.855=161.618 m3 冷交换器的热气出口的气含量与组分： 其中NH3：V17，NH3= V14，NH3-L17，NH3=851.473-161.618=689.855 m3 CH4：V17，CH4= V14，CH4 =1286.888m3 H2：V17，H2= V14，H2 =4921.074 m3 N2：V17，N2= V14，N2=1641.146 m3 Ar：V17，Ar= V14，Ar=388.611 m3 出口的总气量V17=V14-L17NH3=9088.192-161.618=8926.574 m3 出口的气体各组分： 其中NH3：V17，NH3/ V17100 =689.855/8926.574100=7.728 CH4：V17，CH4/ V17100=1286.888/8926.574100=14.416 H2：V17，H2/V17100=4921.074/8926.574100=55.128 N2：V17，N2/V17100=1641.146/8926.574100=18.385 Ar：V17，Ar/ V17100=388.611/8926.574100=4.3533.2.11 氨冷器物料计算 氨冷器的进器物料：它的进器物料等于冷交换器出器物料再加上补充新鲜气的物料V1=2198.14 m3其中CH4：V1，CH4=2198.140.012=26.378 m3 H2：V1，H2=2198.140.745=1637.614 m3 N2：V1，N2=2198.140.24=527.554 m3 Ar：V1，Ar=2198.140.003=6.594 m3 V18（进器气体物料）=V1+V17=2198.14+8926.574=11124.714 m3进器气体的各组分含量根据V18i=V1i+V17i其中NH3：V18，NH3= V17，NH3=689.855 m3 CH4：V18，CH4=26.378+1286.888=1313.266 m3 H2：V18，H2=1637.614+4921.074=6558.688 m3 N2：V18，N2=527.554+1641.146=2168.7 m3 Ar：V18，Ar=6.594+388.611=395.205 m3各组分的百分比y18i=V18i/V18其中NH3：y18，NH3=689.855/11124.714100=6.201 CH4：y18，CH4=1313.266/11124.714100=11.805 H2：y18，H2=6558.688/11124.714100=58.956 N2：y18，N2=2168.7/11124.714100=19.494 Ar：y18，Ar=395.205/11124.714100=3.552进氨冷器的液体等于冷交换器冷凝的液氨量L18=L18，NH3=L17，NH3=161.618 m3进入氨冷器的总物料为V18+L18=11124.714+161.618=11286.332 m3出氨冷器的物料：因为进器气体中氨含量是2.7，假定出器的气体中氨的含量是y m3，则y/(11124.714-689.855）=2.7 解出 y=281.74 m3那么氨冷器中的冷凝液氨量为L18，NH3=V18，NH3-y=689.855-281.74=408.115 m3氨冷器出口的气量：V2=V18-y=11124.714-408.115=10716.599 m3氨冷器出口的总液氨量：L2，NH3=L18，NH3+L18NH3=161.618+408.115=569.733 m3其中NH3：V2，NH3= 281.74 m3 CH4：V2，CH4= V18，CH4=1313.266 m3 H2：V2，H2= V18，H2=6558.688 m3 N2：V2，N2= V18，N2=2168.7 m3 Ar：V2，Ar= V18，Ar=395.205 m3各组分的百分比含量：y2i=V2i/V2其中NH3：y2，NH3= 281.74/10716.599100=2.629 CH4：y2，CH4=1313.266/10716.599100=12.255 H2：y2，H2=6558.688/10716.599100=61.201 N2：y2，N2=2168.7/10716.599100=20.237 Ar：y2，Ar=395.205/10716.599100=3.6883.2.12 冷交换器物料计算冷交换器进口物料：它的进口总物料等于氨冷器的出口总物料，气体的入口V2=10716.599 m3；液体的入口L2，NH3=569.733 m3假定以11Kmol为进口物料计算基准，那么由气液平衡计算得F=1V + L= F因为yNH3=0.027，xNH3=0.9854LxNH3+VyNH3=FmNH3V=（xNH3- mNH3）/（xNH3- yNH3）=1.028- mNH3/0.9584mNH3可根据物料平衡与氨平衡计算mNH3=V2NH3/V2V2=V1+V17 V17=V8-V13-L15V2，NH3=V2，NH3+L17，NH3+L18，NH3其中V2，NH3冷交换器入口总氨物料 V2 冷交换器入口总物料 V17冷交换器热气出口总物料把V8=10051.35 m3，V13=132.468 m3，L15=830.69 m3代入以上式子解得V17=9088.192 m3，则V2=2198.14+9088.192=11286.332 m3V2，NH3= 281.74+161.618+408.115=851.473 m3所以mNH3= V2，NH3/ V2=851.473/11286.332=0.075代到（3）中可得：V=1.028- 0.075/0.9584=0.950，则L=1-V=0.05，（L/V）=0.05/0.950=0.053根据（L/V）就求出冷交换器中冷凝液体量为（L16/V3）=（L/V）=0.053那么冷凝液体量 L16=0.053 V3=0.05310714.504=567.869 m3出器的物料：冷交换器出口的气体物料等于进口的总物料减去冷凝液体量V3=11286.332-567.869=10718.463 m3其中NH3：V3，NH3= 10718.4632.7=289.399 m3 CH4：V3，CH4=10718.46312=1286.216 m3 H2：V3，H2= 10718.46361.725=6615.971m3 N2：V3，N2=10718.46320.575=2205.324m3 Ar：V3，Ar= 10718.4633=321.554 m3误差=（V3-V5）/V5 100=-0.021氨分离器中的液氨百分比：A分=L15x15/(L1