四川理工学院毕业设计 绪论
也较好，适用于合成塔下面的床层。
（2）“二进二出”的合成流程及反应热回收的方式与利用：
本次设计选用的是“二进二出”的合成流程，选择塔内上下段双换热器和外设中置锅炉的工艺路线。主线、副线及1#、2#、3#冷激气一次进塔，反应完成后进入塔内上段换热器管程，降温后第一次出塔进入中置锅炉回收热量，提高了反应热的回收率并获得了高品位的热，降低了二次进塔气体的温度，有利于减少下段换热器的热负荷，延长设备的使用寿命，而中置锅炉的副产品1Mpa的蒸汽可进入下一工段利用，节省了能源，降低了成本，减少了工艺负荷。 （3）水冷器、双氨分离器的设置：
本次设计采用双氨分离器，氨分离器Ⅰ接在冷交换器与氨储罐之间，氨分离器Ⅱ放在冷交换器与氨冷器之间，这样的设计减少了单一氨分离器的生产负荷，有利于有效的分离产品中的液氨，提高液氨的产品规格等级，直接提高了经济效应，水冷后分离液氨再进行冷交，这样的设计减少了系统阻力，既提高了液氨的分离效果又避免了气液两相流，充分解决了低压下，水冷后很少有氨冷凝下来的矛盾[5]。
（4）氨冷器的选择设置：
本次设计选择的氨冷器与鸿化厂的氨冷凝塔氨蒸发器串联使用相比较，处理能力上有一定的劣势，但是单从合成氨工艺比较，单氨冷器的使用较两设备 串联使用，在符合设计要求的基础上，不仅简化了工艺流程，并且在经济上显得更加合理。
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四川理工学院毕业设计 工艺计算
第二部分 工艺计算
2.1 计算依据
（1）年产量90kt，年生产时间扣除检修时间后按320天计，则产量为：11.72t/h
（2）精炼气组成
表2-1 精炼气组成
组分 含量（V）
H2 74.70
N2 24.31
CH4 0.71
Ar 0.28
总计 100
（3）合成塔入口中氨含量：NH3入=3.0% （4）合成塔出口中氨含量：NH3出=15%
（5）合成塔入口中惰性气体含量：CH4 +Ar=14% （6）合成塔操作压力：31Mpa （7）精练气温度：35℃
（8）循环机进出口压差：1.45Mpa （9）计算基准：生产1吨液氨
设备及管道造成的压力，设备及管道的冷（热）量损失；冷交换器及氨冷器溶解在液氨中的气量，以上各项在计算中忽略不计。
2.2 物料衡算
2.2.1 合成塔入塔气量计算
(1)合成塔入口气组分
根据原始数据计算： 入塔气中氨的含量
X5NH3=3.0％
入塔气中甲烷的含量
X5CH4=14.00％30.71/（0.71+0.28）3100％=10.04％
入塔气中氩的含量
X5Ar=14％-10.04％=3.96％
入塔气中氢的含量
X5H2=［100-（3.0+14）］33/43100％=62.25％
入塔气中氮的含量
X5N2=［100-（3.0+14）］31/43100％=21.75％
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四川理工学院毕业设计 工艺计算
表2-2 入塔气组成（V）
NH3 3.0
CH4 10.04
Ar 3.96
H2 62.25
N2 21.75
小计 100
（2）合成塔出口气组分
设1000kmol入塔气作为基准求出塔气组分 由下式计算合成塔内生成氨的含量
MNH3=M5(X8NH3-X5NH3)/(1+X8NH3)
=1000(0.15- 0.03)/(1+0.15)=104.348kmol
出塔气量
M8=入塔气量—生成氨含量=1000-104.348=895.652kmol
出塔气中氨的含量
X8NH3=15.00％
出塔气中甲烷的含量
X8CH4=(M5/M8)3X5CH4=(1000/895.65)310.04％=11.210％
出塔气中氨的含量
X8Ar=(M5/M8)3X5Ar=1000/895.6533.96％=4.421％
出塔气中氢的含量
X8H2=3/4(1-Y8NH3-Y8CH4-Y8Ar)3100％
=3/4(1-0.150-0.11210-0.04421)3100％=52.027％
出塔气中氮的含量
X8N2=1/4(1-0.150-0.1121-0.04421)3100％=17.342％
表2-3 出塔气体组成（V%）
NH3 15.0 CH4 11.21 Ar 4.421 H2 52.027 N2 17.342 小计 100 则得出合成率
合成率=2MNH3/［M5(1-X5NH3-X5CH4-X5Ar)］3100％
=23104.348/［10003(1-0.03-0.14)］3100％=25.144％
2.2.2氨分离器气液平衡计算
X(i)F n(i)氨分离器Y(i)图 2-1操作条件35°29.4MpaF--进口企业混合物n(i)--组分含量X(i)--分离气相组分Y(i)--分离液相组分设氨分离器进口气液混合物F，
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四川理工学院毕业设计 工艺计算
进口物料组分n(i)；分离气相组分X(i)，气量V；分离液相组分Y(i)，液量L，其中进口物料组分n(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2-4 已知氨分离器入口混合物组分n(i)(V%)
NH3 0.150
CH4 0.1121
Ar 0.04421
H2 0.52027
N2 0.17342
小计 1.00000
t=35℃，P=29.4MPa时查《无机化工工艺学（1）》P346～349各组分平衡常数
表2-5 各组分平衡常数
KNH3 0.098
KCH4 8.2
KAr 28.200
KH2 27.500
KN2 34.500
假设（V/L）=15时，带入L3(i)=n(i)/［1+(V/L)3K(i)］: LNH3=mNH3/［1+(V/L)3KNH3］=0.15/(1+1530.098)=0.06073Kmol LCH4=mCH4/［1+(V/L)3KCH4］=0.1121/(1+1538.2)=0.0009Kmol
LAr=mAr/［1+(V/L)3KAr］=0.04421/(1+15328.2)=0.00010 Kmol LH2=mH2/［1+(V/L)3KH2］=0.52027/(1+15327.5)=0.00126Kmol LH2=mN2/［1+(V/L)3KN2］=0.17342/(1+15334.5)=0.00039 Kmol 计算分离液体量
L= LNH3+ LCH4+ LAr+ LH2+ LH2=0.06332 Kmol
计算分离气体量
V=1-L=1-0.07536=0.93668 Kmol
计算气液比
（V/L）＇=0.93668/0.06332=14.793
误差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（14.793-15）/153100％=1.38％，假定正确
则分离液体组分含量 液体中氨的含量
YNH3=LNH3/L=0.06073/0.063323100％=95.91％
液体中氩的含量
YAr=LAr/L=0.0009/0.063323IOO％=1.421％
液体中甲烷的含量
YCH4=LCH4/L=0.0001/0.063323100％=0.147％
液体中氢的含量
YH2=LH2/L=0.00126/0.063323100％=1.96％
液体中氮的含量
YN2=LH2/L=0.00039/0.063323100％=0.614％
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表2-6 氨分离器出口液体含量(V%)
NH3 95.91
CH4 1.421
Ar 0.147
H2 1.96
N2 0.614
小计 100.00
分离气体组分含量 气体中氨的含量
XNH3=［nNH3-LNH3］/V=(0.15-0.06073)/0.93668=9.53％
气体中甲烷的含量
XCH4=［nCH4-LCH4］/V=(0.1121-0.0009)/0.93668=11.87％
气体中氩的含量
XAr=［nAr-LAr］/V=(0.04421-0.0001)/0.93668=4.71％ 气体中氢的含量
XH2=［nH2-LH2］/V=(0.52027-0.00126)/0.93668=55.41％ 气体中氮的含量
XN2=［nN2-LN2］/V=(0.17342-0.00033)/0.93668=18.48％
表2-7 氨分离器出口气体含量(V%)
NH3 9.53
CH4 11.87
Ar 4.71
H2 55.41
N2 18.48
小计 100.00
2.2.3冷交换器气液平衡计算
根据气液平衡原理Y(i)=X(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X(i)和操作条件下的分离温度可查出K(i)，可解出Y(i)。
t=-10℃,p=28.3MPa时查《无机化工工艺学（1）》P346～349的平衡常数得
表2-8 各组分的平衡常数
KNH3 0.03048
KCH4 27
KAr 51
KH2 75
KN2 80
冷交换器出口液体组分含量： 出口液体中氨的含量
YNH3=XNH3/ KNH3=0.03/0.03048=98.448％ 出口液体中甲烷的含量
YCH4=XCH4/ KCH4=0.1004/27=0.372％
出口液体中氩的含量
YAr=XAr/ KAr=0.0396/51=0.078％ 出口液体中氢的含量
YH2=XH2/ KH2=0.6225/75=0.83％ 出口液体中氮的含量
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