30万合成氨合成工段物料衡算Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:15892510
- 上传时间:2022-11-16
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:97.89KB
30万合成氨合成工段物料衡算Word文档下载推荐.docx
《30万合成氨合成工段物料衡算Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《30万合成氨合成工段物料衡算Word文档下载推荐.docx(26页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
4.2.4液氨贮槽气液平衡计算9
4.2.5液氨贮槽物料计算10
4.2.6合成系统物料计算13
4.2.7合成塔物料计算14
4.2.8水冷器物料计算14
4.2.9氨分离器物料计算15
4.2.10冷交换器物料计算16
4.2.11氨冷器物料计算17
4.2.12冷交换器物料计算18
4.2.13物料衡算结果汇总19
参考文献21
年产30万吨合成氨合成工段设计物料衡算部分
1总论
氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位;
同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。
氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料,这部分约占70%的比例,称之为“化肥氨”;
同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料,用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料,这部分约占30%的比例,称之为“工业氨”。
世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。
根据合成氨技术发展的情况分析,未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变,其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,改善经济性”的基本目标,进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发[1]。
1.1设计任务的依据
设计任务书是项目设计的目的和依据:
产量:
300kt/a液氨
放空气(惰性气Ar+CH4):
17%
原料:
新鲜补充气N224.2%,H275.1%,CH40.7%
合成塔进出口氨含量:
2.5%,13.2%
合成塔入口惰性气含量:
(惰性气Ar+CH4)~17%
年工作日330d
计算基准生产300000t氨
1.2产品方案
产品的名称:
氨(NH3);
产品的质量规格:
氨含量≥99.9%(wt%);
产品的规模:
30kt/a液氨;
产品的包装方式:
氨为高压低温液体,合成后直接送到下一工段作为原料继续生产,多余部分设立氨储槽储存起来。
2技术分析
2.1合成氨反应的特点
0.5N2+1.5H2==NH3ΔHθ=-46.22kJ·
mol-1
(1)是可逆反应。
即在氢气和氮气反应生成氨的同时,氨也分解成氢气和氮气。
(2)是放热反应。
在生成氨的同时放出热量,反应热与温度、压力有关。
(3)是体积缩小的反应。
(4)反应需要有催化剂才能较快的进行。
2.2合成氨反应的动力学
动力学过程氨合成为气固相催化反应,它的宏观动力学过程包括以下几个步骤:
a.混合气体向催化剂表面扩散(外,内扩散过程);
b.氢,氮气在催化剂表面被吸附,吸附的氮和氢发生反应,生成的氨从催化剂表面解吸(表面反应过程);
c.氨从催化剂表面向气体主流体扩散(内,外扩散过程)。
对整个气固相催化反应过程,是表面反应控制还是扩散控制,取决于实际操作条件。
低温时可能是动力学控制,高温时可能是内扩散控制;
大颗粒的催化剂内扩散路径长,小颗粒的路径短,所以在同样温度下大颗粒可能是内扩散控制,小颗粒可能是化学动力学控制。
2.2.1反应机理
氮、氢气在催化剂表面反应过程的机理,可表示为:
N2(g)+Cate—→2N(Cate)
H2(g)+Cate—→2H(Cate)
N(Cate)+H(Cate)—→NH(Cate)
NH(Cate)+H(Cate)—→NH2(Cate)
NH2(Cate)+H(Cate)—→NH3(Cate)
NH3(Cate)—→NH3(g)+(Cate)
实验结果证明,N2活性吸附是最慢的一步,即为表面反应过程的控制步骤。
2.3氨合成工艺的选择
考虑氨合成工段的工艺和设备问题时,必须遵循三个原则:
一是有利于氨的合成和分离;
二是有利于保护催化剂,尽量延长使用寿命;
三是有利于余热回收降低能耗。
氨合成工艺选择主要考虑合成压力、合成塔结构型式及热回收方法。
氨合成压力高对合成反应有利,但能耗高。
中压法技术比较成熟,经济性比较好,在15~30Pa的范围内,功耗的差别是不大的,因此世界上采用此法的很多。
一般中小氮肥厂多为32MPa,大型厂压力较低,为10~20MPa。
由于近来低温氨催化剂的出现,可使合成压力降低。
合成反应热回收是必需的,是节能的主要方式之一。
除尽可能提高热回收率,多产蒸汽外,应考虑提高回收热的位能,即提高回收蒸汽的压力及过热度。
高压过热蒸汽的价值较高,当然投资要多,根据整体流程统一考虑。
本次设计选用中压法(压力为32MPa)合成氨流程,采用预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收反应热,塔型选择见设备选型部分。
2.4系统循环结构
氢氮混合气经过氨合成塔以后,只有一小部分合成为氨。
分离氨后剩余的氢氮气,除为降低惰性气体含量而少量放空以外,与新鲜原料气混合后,重新返回合成塔,再进行氨的合成,从而构成了循环法生产流程。
由于气体在设备、管道中流动时,产生了压力损失。
为补偿这一损失,流程中必须设置循环压缩机。
循环机进出口压差约为20~30大气压,它表示了整个循环系统阻力降的大小。
2.5分离工艺
进入氨合成塔催化层的氢氮混合气,只有少部分起反应生成氨,合成塔出口气体氨含量一般为10~20%,因此需要将氨分离出来。
氨分离的方法有两种,一是水吸法,二是冷凝法,将合成气体降温,使其中的氨气冷凝成液氨,然后在氨分离器中,从不凝气体中分离出来。
目前工业上主要采用冷凝法分离循环气中的氨。
以水和氨冷却气体的过程是在水冷器和氨冷器中进行的。
在水冷器和氨冷器之后设置氨分离器,把冷凝下来的液氨从气相中分离出来,经减压后送至液氨贮槽。
在氨冷凝过程,部分氢氮气及惰性气体溶解在液氨中。
当液氨在贮槽内减压后,溶解的气体大部分释放出来,通常成为“贮罐气”。
3生产流程简述
气体从冷交换器出口分二路、一路作为近路、一路进入合成塔一次入口,气体沿内件与外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔,出塔后与合成塔近路的冷气体混合,进入气气换热器冷气入口,通过管间并与壳内热气体换热。
升温后从冷气出口出来分五路进入合成塔、其中三路作为冷激线分别调节合成塔。
二、三、四层(触媒)温度,一路作为塔底副线调节一层温度,另一路为二入主线气体,通过下部换热器管间与反应后的热气体换热、预热后沿中心管进入触媒层顶端,经过四层触媒的反应后进入下部换热器管内,从二次出口出塔、出塔后进入废热锅炉进口,在废热锅炉中副产25MPa蒸气送去管网,从废热锅炉出来后分成二股,一股进入气气换热器管内与管间的冷气体换热,另一股气体进入锅炉给水预热器在管内与管间的脱盐,脱氧水换热,换热后与气气换热器出口气体会合,一起进入水冷器。
在水冷器内管被管外的循环水冷却后出水冷器,进入氨分离器,部分液氨被分离出来,气体出氨分离器,进入透平循环机入口,经加压后进入循环气滤油器出来后进入冷交换器热气进口。
在冷交换器管内被管间的冷气体换热,冷却后出冷交换器与压缩送来经过新鲜气滤油器的新鲜气氢气、氮气会合进入氨冷器,被液氨蒸发冷凝到-5~-10℃,被冷凝的气体再次进入冷交,在冷交下部气液分离,液氨送往氨库气体与热气体换热后再次出塔,进入合成塔再次循环[2]。
图3-1工艺流程图
4工艺计算
4.1原始条件
(1)年产量300kt,年生产时间扣除检修时间后按330天计,则产量为:
300000/(330*24)=37.88t/h
(2)新鲜补充气组成
表4-1新鲜补充气组成
组分
H2
N2
CH4
总计
含量(%)
75.1
24.2
0.7
100
体积(m3/30万吨)
650939688.9
209756863.8
6067347.3
866763900
kmol/30万吨
29059807.5
9364145.7
270863.7
324467300.3
(3)合成塔入口中氨含量:
NH3入=2.5%
(4)合成塔出口中氨含量:
NH3出=13.2%
(5)合成塔入口惰性气体含量:
CH4+Ar=17%
(6)合成塔操作压力:
32Mpa
(7)精练气温度:
35℃
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4-1计算物料点流程
4.2物料衡算
4.2.1合成塔物料衡算
(1)合成塔入口气组分:
入塔氨含量:
y5NH3=2.5%;
入塔甲烷含量:
y5CH4=17.00%;
入塔氢含量:
y5H2=[100-(2.5+17)]×
3/4×
100%=60.375%;
入塔氮含量:
y5N2=[100-(2.5+17)]×
1/4×
100%=20.125%
表4-2入塔气组分含量(%)
NH3
小计
2.5
17
60.375
20.125
(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=13.2%
由下式计算塔内生成氨含量:
MNH3=M5(y8NH3-y5NH3)/(1+y8NH3)=1000×
(0.132-0.025)/(1+0.132)=94.523kmol
出塔气量:
M8=(MNH3+1000y5NH3)/y8NH3=(94.523+1000×
0.025)/0.132=905.477kmol
出塔甲烷含量:
y8CH4=(M5/M8)×
y5CH4=(1000/905.477)×
17%=18.775%
出塔氢含量:
y8H2=3/4(1-y8NH3-y8CH4)×
100%=3/4(1-0.132-0.18775)×
100%=51.019%
出塔氮含量:
y8N2=1/4(1-0.132-0.18775)×
100%=17.006%
表4-3出塔气体组分含量(%)
13.2
18.775
51.019
17.006
(3)合成率:
合成率=2MNH3/[M5(1-y5NH3-y5CH4)]×
100%=2×
94.523/[1000×
(1-0.025-0.17)]×
100%=23.484%
4.2.2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4-4已知氨分离器入口混合物组分m(i)
0.132
0.18775
0.5
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 30 合成氨 合成 工段 物料