kT?5.923?1013exp(?173850),atm0.5/s RT
2.2.2.4 氨的物料衡算[15]
将入塔气体组成化为氨分解基气体组成：
yH2,0?(yH2,in?1.5yNH3,in)/(1?yNH3,in);yN2,0?(yN2,in?0.5yNH3,in)/(1?yNH3,in);
yCH4,0?(yCH4,in)/(1?yNH3,in);yAr,0?(yAr,in)/(1?yNH3,in);
氡含量为yNH3时瞬时气体组成：
yH2?yH2,0(1?yNH3)?1.5yNH3;yN2?yN2,0(1?yNH3)?0.5yNH3;yCH4?yCH4,0(1?yNH3);yAr?yAr,0(1?yNH3);2.2.2.5 氨合成的平衡常数
高压下由于真实气体的性质，平衡常数可表示为： KP?fNH3f1.5N2?f1.5H2/(?NH)?Kf/K? 0.51.5?N??H322 氢、氮、氨的逸度系数Φ，可按贝蒂-布里奇曼状态方程[16]计算：
0.5 RTln?i?[(Boi?Aoi/RT?Ci/T3)?(Aoi?Sum)2/RT]P
式中，P—压力，MPa； R—0.008315； T—温度，K。 Sum??yi(Aoi)0.5
表2-1 各组分系数的值
组分i Aoi Boi Ci H2 0.02001 0.02096 0.0504*10^4 N2 0.13623 0.05046 4.20*10^4 NH3 0.24247 0.03415 476.87*10^4 CH4 0.23071 Ar 0.13078
根据文献的数值，整理得到该模拟流程下的Kp与温度压力下的经验关联式：
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lgKP?2074.8?2.4993lgT?12.56?10?5T?1.856?10?7T2?3.02935 T3. 模拟计算
3.1 计算流程
本文将合成氨反应器简化为只有一层催化剂床层的反应器,床层高度定为1.143米，操作压力为15MPa，入塔器组成为yNH3=0.02，yH2=0.6127，yN2=0.2169，
yCH4=0.0926，yAr=0.0578.当合成塔填A110催化剂时，对气体组成随床层高度的
变化进行模拟计算，其计算框图如下：
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设定进口原料气流量N1，组成y1;并设定回流处断裂流量N4和组成y4为零 调用混合单元程序计算N1,N4混合后的N2,y2 调用氨合成塔程序,利用四阶龙格库塔法解NH3浓度随塔高变化微分方程，求出反应器出口的N3,y3 调用分离器程序计算液氨组成y5，产量N5和分离器出口气体的流量N4和组成y4, 去除放空量，求出最终的回流组成N4和组成y4 先试迭代100次看误差大小，若太大，则将计算结果设为新的初值，不断调整重设初值，迭代至误差小于1 将误差小于1的结果再设为初值，再迭代10万次至误差小于e-3 打印液氨产量N5和组成y5
注：将分离器看作理想分离器处理，即氨气全部冷凝，回流和放空的气体中不含氨气。
对循环气按文献比例[17]12.5/827.1=0.0151进行放空，则放空气N6=N4*0.0151。
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3.2 计算结果
表3-1 反应器进出口物流信息
组分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 流量kmol/s
反应器入口 0.02 0.6127 0.2169 0.0926 0.0578 4.5293
反应器出口 0.0275 0.3663 0.1738 0.3782 0.0542 69.1420
放空前气体 0 0.3767 0.1787 0.3889 0.0557 67.2386
回流气体 0 0.3767 0.1787 0.3889 0.0557 66.2224
通过上面的表格，我们可以看出放空对于反应器NH3的出口浓度至关重要，我们采用强制手段使回流气体中H2与N2浓度之比为文献中提供的数值时，反应器的出口浓度较之前更加合理。我们猜想，当回流气中的氢氮比为2.8时，反应器出口氨气的浓度最大。但是通过编程计算，效果并不是很理想，可能是我们的算法有问题，但是我们的水平实在有限，编不出更好的算法了。
放空气体对于氨合成工艺来说是很关键的一部。我们小组的成员通过查阅文献后认为，可以先对冷凝器出口的气体进行氢提纯，比如说用膜提氢法，使得氢氮比接近某个最佳数值，然后再与原料气混合送入反应器，所得到的出口浓度与产量最高。
因为我们所做的模型比较简化，所以对实际情况的模拟不是百分百准确的，但是我们认为我们的猜想有一定的实际价值。
4. 写在最后
以上便是我们小组的大作业成果展示，虽然做的不是很精美，但是这真是我们几个花了不少心血做出来的成果。王敬尧同学为了解方程，自学了matlab，但是我们用到的方程对于一个初学者来说还是很有挑战的，我都记不清他有多少个晚上熬夜到一两点了，为了调试一段程序也不知道来来回回运行了多少次，他说，不管结果怎么样，这个大作业我没有白做。是的，我们几个都没有白做，我之前一看文献就犯晕，这次大作业我分到了建模的任务，对着电脑一看文献就是一天，也常常是累的眼发花，但是当我把模型简化到不能在简化，拿给敬尧同学编程的时候还是颇有成就感的。从查资料，建模，再到编程，我们几个一气呵成，着实让我们几个体会到了什么是Team Work.总之，这次大作业让我们四个不仅实践了课本上的知识，还让我们学到了与这门课相关的各种知识。
王敬尧有话说：作为本组唯一的男生，担当起了编程任务。但是自己之前没有学习使用过matlab，而且c语言也是一年半前学的，几乎全都还给老师了。为了顺利完成大作业，首先是每天4个小时，用了一周的时间将《Matlab与化工计算》自学一遍。所以，这次大作业第一大收获是自己熟练掌握了matlab在数值计算方面的应用。在做完了那本书上所有例题后，顿时感觉信心满满，于是拿着数学模型开始编程，几个小时之后，100多行的程序就编完了。却发现最困难的不在于编程，而在于调试，最困难的不在调试，而在于对数学模型的物理诠释，而这其中参数的设定，尤其是初值的选择往往是决定性的。只是编好程序，却忽视其中各个变量的物理意义，往往会产生一些贻笑大方的结果。这也是我的第二大收获。
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比如在调试解决完所有bug之后，本以为大功告成，却发现反应器输出的浓度居然出现了负数，经过小组讨论，反复调试，终于发现是由于反应温度设定的太低了，没有对方程各个物理量的理解，是无法解决这一问题的。后来又发现用序贯模块法进行迭代时收敛很慢，回流量巨大，与文献参考值相距甚远。经过分析论证，我发现是流程设计出现问题，没有设定放空环节。然后又重新修改了流程，再迭代时终于得到了和文献值相近的结果。虽然之前我只管编程，不参与建模，但经过调试程序后，我也对模型提出了很多必要的改动，也阅读了许多文献，了解了整个流程。这也是第三大收获，编程的同时也必须对模型有很好的理解。
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