#30万合成氨合成工段物料衡算

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 总论 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 设计任务的依据2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 产品方案 2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 技术分析2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 合成氨反应的特点2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Docume

2、nt 合成氨反应的动力学3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 反应机理 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 氨合成工艺的选择3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 系统循环结构4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 分离工艺4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 生产流程简述5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Docu

3、ment 工艺计算6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 原始条件 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 物料衡算 74.2.1 合成塔物料衡算7氨分离器气液平衡计算 8冷交换器气液平衡计算 9液氨贮槽气液平衡计算 9液氨贮槽物料计算 104.2.6 合成系统物料计算 错误!未定义书签。4.2.7 合成塔物料计算 错误!未定义书签。4.2.8 水冷器物料计算 错误!未定义书签。4.2.9 氨分离器物料计算 错误!未定义书签。4.2.10 冷交换器物料计算 错误!未定义书签。4.2.11 氨冷器物料

4、计算 错误!未定义书签。4.2.12 冷交换器物料计算错误!未定义书签。4.2.13 物料衡算结果汇总6参考文献 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

5、%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：300 kt/a液氨放空气(惰性气Ar +CH )： 17%4原料：新鲜补充气N 24.2%, H 75.1 %，CH 0.7%224合成塔进出口氨含

6、量：2.5%，13.2%合成塔入口惰性气含量：(惰性气Ar +CH )17%4年工作日 330 d计算基准 生产300000t氨1.2 产品方案产品的名称：氨(NH)；3产品的质量规格：氨含量99.9%(w t%)；产品的规模：30 kt/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0.5N+1.5H=NH山=-46.22 kj mol-i223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。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。是体积缩小的反应。反

7、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

8、化剂表面反应过程的机理，可表示为：N (g)+Cate2N(Cate)2H (g)+Cate2H(Cate)2N(Ca te) + H(Ca te)NH(Ca te)NH(Cate) + H(Cate)NH (Cate)2NH (Cate) + H(Cate)NH (Cate)23NH (Cate)NH (g) + (Cate)33实验结果证明， N 活性吸附是最慢的一步，即为表面反应过程的控制步骤。22.3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

9、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 1530Pa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1020MPa。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

10、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2030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 1020%，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

11、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。

12、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

13、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-5-10C，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。弛放4工艺计算4.1原始条件年产量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新鲜补充气组成表4-1新鲜补充气组成组分HCH4总计含量()75.124.20.7100体积M30万吨)

14、650939688.9209756863.86067347.3866763900kmol/30 万吨29059807.59364145.7270863.7324467300.3合成塔入口中氨含量：NH3 =2.5%3入合成塔出口中氨含量：NH3 =13.2%3出合成塔入口惰性气体含量：CH4 +Ar=17%合成塔操作压力：32Mpa精练气温度：35C1.2.3.4.5.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: y =2.5;

15、5NH3入塔甲烷含量：y =17.00%；5CH4入塔氢含量：y 二100- （2.5+17） X3/4X100%=60.375%；5H2入塔氮含量：y 二100- （2.5+17） X1/4X100%=20.125%5N2表 4-2 入塔气组分含量（）NH3CH4H2N2小计2.51760.37520.1251002）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： y =13.2%8NH3由下式计算塔内生成氨含量：M =M (y -y )/(1+y )=1000X(0.132- 0.025)/(1+0.132)=94.523kmolNH3 5 8NH3 5NH3

16、8NH3出塔气量:M=(M +1000y )/y =(94.523+1000X0.025)/0.132=905.477kmol8 NH35NH3 8NH3出塔甲烷含量：y =(M/M)Xy =(1000/905.477)X17%=18.775%8CH4 585CH4出塔氢含量：y =3/4(1-y -y )X100%=3/4(1-0.132-0.18775)X100%=51.019% 8H28NH3 8CH4出塔氮含量：y =1/4(1-0.132-0.18775)X100%=17.006%8N2表 4-3 出塔气体组分含量（）NH3CH4H2N2小计13.218.77551.01917.00

17、61003)合成率：合成率=2M / M (1-y -y )X100%=2X94.523/ 1000XNH355NH3 5CH4(l0.0250.17)X100%=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1 kmol进口物料为计算基准，即F=lkmol。表4-4已知氨分离器入口混合物组分m(i)NHCHHN小计34220.1320.187750.510190.170061.00000查t=35C, P=29.

18、1MPa时各组分平衡常数：表4-5各组分平衡常数K K K KNH3CH4H2N20.0988.227.5034.50设(V/L) =21.16 时，带入 LX (i)=m(i)/ 1+(V/L)XK(i) =L(i)：L =m /1+(V/L)XK =0.132/(1+21.16X0.098)=0.042945 kmolNH3 NH3NH3L = m /1+(V/L)XK =0.18775/(1+21.16X8.2)=0.001076 kmol TOC o 1-5 h z CH4 CH4CH4L=m/1+(V/L)XK=0.51019/(1+21.16X27.50)=0.000875 kmo

19、lH2 H2H2L=m/1+(V/L)XK=0.17006/(1+21.16X34.50)=0.000233 kmolH2 N2N2L =L +L +L+L=0.042945+0.001076+0.000875+0.000233=0.045129总 NH3 CH4H2 N2kmol分离气体量：V=1-L=1-0.045129=0.954871 kmol计算气液比：(V/L) =0.954871/0.045129=21.1587误差(V/L)-(V/L)/(V/L) = (21.16-21.1587)/21.16X 100%=0. 006%, 结果合理。从而可计算出液体中各组分含量：液体中氨含量

20、： x =L /L=0.042945/0.045129X100%=95.161%NH3 NH3液体中甲烷含量：x =L /L=0.001076/0.045129X100%=2.384%CH4 CH4液体中氢含量:x =L /L=0. 000875/0. 045129X100%=1.939%H2 H2液体中氮含量： x=L/L=0.000233/0.045129X100%=0.516%N2 H2NHCHHN小计342295.1612.3841.9390.516100.00分离气体组分含量：气体氨含量: y =(m -L )/V=(0.132-0.042945)/0.954871=9.326%NH

21、3 NH3 NH3气体甲烷含量：y =(m -L )/V= (0.18775-0.001076) /0.954871二 19.55%CH4 CH4 CH4气体氢含量： y=(m-L)/V=(0.51019-0.000875)/0.954871=53.339H2 H2 H2气体氮含量： y=(m-L)/V=(0.17006-0.000233)/0.954871=17.785N2 N2 N2表 4-7 氨分离器出口气体含量()NH3CH4H2N2小计9.32619.5553.33917.785100.004.2.3冷交换器气液平衡计算根据气液平衡原理x(i)=y(i)+K(i),由于冷交换器第二次

22、出口气体含量等 于合成塔进口气体含量，由合成塔入口气体含量和操作条件下的分离温度可查出 K (i),便可解出x (i)。查t=-15C,p=28.3MPa的平衡常数：表 4-8各组分的平衡常数KKKKNH3CH4H2N20.0254277580冷交换器出口液体组分含量：出口液体氨含量： x =y /K =9.326/0.0254=98.3157NH3 NH3 NH3出口液体甲烷含量： x =y /K =19.55/27=0.6289CH4 CH4 CH4出口液体氢含量:x =y /K =53.339/75=0. 8041H2 H2 H2出口液体氮含量:x =y /K =17.785/80=0.

23、 2513N2 N2 N2表 4-9 冷交换器出口液体组分含量()NH3CH4H2N2小计98.31570.62890.80410.2513100.004.2.4液氨贮槽气液平衡计算由于氨分离器出口分离液体和冷交换器出口分离液体汇合后进入液氨贮槽 经减压后溶解在液氨中的气体会解吸，即弛放气。两种液体百分比估算值，即水 冷后分离液氨占总量的百分数。G%二(1+y )X(y -y )/( y - y )X(1- y )5NH38NH3 NH3.分8NH3 5NH3NH3.分= ( 1 +0.025 ) X (0. 1 32-0.09326 ) / ( 0. 1 32-0.025 ) X ( 1 -

24、0.09326 ) =40.928%水冷后分离液氨占总量的40.928 %冷交，氨冷后分离液氨占总量的59.072 % 。以液氨贮槽入口 lkmol液体计算为准，即L=1kmol,入口液体混合后组分含量:0m=LX +LX = G%LX +(1- G%)X =0.40928X +0.59072X0i 15 15i16 16i0 15i16i15i16i混合后入口氨含量:m =0.40928X0.95161+0.59072X0.983157=0.970250NH3混合后入口甲烷含量: m =0.40928X0.02384+0.59072X0.006289=0.0134720CH4混合后入口氢含量

25、:m =0.40928X0.01939+0.59072X0.00804=0.0126850H2混合后入口氮含量:m =0.40928X0.00516+0.59072X0.00251=0.00359460N2表4-10液氨贮槽入口液体含量()mmmm小计 TOC o 1-5 h z 0NH30CH40H20N297.0251.34721.26850.35946100当t=17C, P=1.568MPa时，计算得热平衡常数：表4-11各组分的平衡常数K K K KNH3CH4H2N20.598170575620根据气液平衡L=m /1+(V/L)k,设(V/L)=0.076，代入上式得：0i i出

26、口液体氨含量： L =m /(1+(V/L)XK =0.97025/(1+0.091XNH3 0NH3NH30.598)=0.92807 kmol出口液体甲烷含量：L =m / 1+(V/L) XK =0.013472/(1+0.091 X TOC o 1-5 h z CH4 0CH4CH4170)=0.000968 kmol出口液体氢气含量：L =m / 1+(V/L) XK =0.012685/(1+0.091XH2 0H2H2575)=0.000284 kmol出口液体氮气含量：L =m / 1+(V/L) XK =0.0035946/(1+0.091 XN2 0N2N2620)=0.0

27、00075 kmolL(总)=0.92807+0.000968+0.000284+0.000075=0.929397 kmol；V=1-0.929397=0.070603 kmol,(V/L)=V/L=0.075966误差=(0.075966-0.076)/0.076X100%=-0.045%，参数设定符合，则出口液体各组分含量如下：出口液体氨含量： x =L /L=0.92807/0.929397X 100%=99.857%NH3 NH3出口液体甲烷含量：x =L /L=0.000968/0.929397X100%=0.104%CH4 CH4出口液体氢气含量：x =L /L=0.000284

28、/0.929397X100%=0.0305%H2 H2出口液体氮气含量：x =L /L=0.000075/0.929397X 100%=0.00807%N2 N2表 4-12 液氨贮槽出口液氨组分（）NH3CH4H2N2小计99.8570.1040.03050.008071.0000出口弛放气各组分含量：弛放气氨含量：y =(m -L )/V=(0.97025-0.92807)/ 0.070603X 100%=59.743%NH3 0NH3 NH3弛放气甲烷含量：y =(m -L )/V=(0.013472-0.000968)/ 0.070603X100%=17.710%CH4 0CH4 CH

29、4弛放气氢含量：y=(m -L)/V=(0.012685-0.000284)/ 0.070603X100%=17.564%H2 0H2 H2弛放气氮气含量：y=(m -L)/V=(0.0035946-0.000075)/ 0.070603X100%=4.985%N2 0N2 N2表 4-13 出口弛放气组分含量（）NH3CH4H2N2小计59.74317.71017.5644.985100以液氨贮槽出口300000吨纯液氨为基准折标立方米计算液氨贮槽出口液体量L =300000000 X 22.4/(0.99857 X 17)=395860197.7m3=i7672330 3kmol19其中

30、NH L =L XX = 395860197.7X99.857%=395294117 6 m3319NH31919NH3=17647058.8kmolCH L =L XX =395860197.7X0.104%= 411694.6m3=i8379 2kmol TOC o 1-5 h z 419CH419CH419CH4HL =LXX = 395860197.7X0.0305%=120737.4 m3=5390.1kmol19H2 1919H2NL =LXX = 395860197.7X0.00807%=31945.9m3=1426.2kmol19N2 1919N2液氨贮槽出口弛放气(V/L)

31、=0.076V=0.076XL=0.076X395860197.7=30085375.0m3=1343097.1kmol2019其中 NH3 V =V Xy = 30085375.0X0.59743=17973905.6m3=802406 5kmol20NH32020NH3CH V =VXy =30085375.0X0.17710=5328119.9m3=237862.5kmol420CH42020CH4HV =VXy =30085375.0X0.17564=5284195.3 m3=235901.6kmol20H2 2020H2NV =VXy =30085375.0X0.04985=1499

32、755.9 m3=66953.4kmol20N2 220N2液氨贮槽出口总物料=L + V =395860197.7+30085375.0=425945572.7 m31920液氨贮槽进口液体：由物料平衡，入槽总物料=出槽总物料L=L+V=425945572.7m3=19015427.4kmol211920入口液体各组分含量计算:L = L + V21i19i20i其中 NH L =395294117.6+17973905.6=413268023.2 m3=i8449465.3kmol21NH3CH L =411694.6+5328119.9=5739814.5 m3=256241.7kmol

33、21CH4H L =120737.4 +5284195.3= 5404932.7m3=241291.6kmol21H2N L =31945.9+1499755.9=1531701.8m3=68379.5kmol21N2入口液体中组分含量核算，由m =L /L :入口液体中氨含量入口液体中甲烷含量 入口液体中氢气含量 入口液体中氮气含量 入口液体中组分含量0i 21(i) 21m =413268023.2/425945572.7X 100%=97.024%0(NH3)m = 5328119.9/425945572.7X 100%=1.2509% 0(CH4)m = 5284195.3 /4259

34、45572.7X 100%=1.2406% 0(H2)m = 1499755.9 /425945572.7 X 100%=0.3521%0(N2)m a m0(i) 0(i)4.2.6合成系统物料计算将整个合成看着一个系统进入该系统的物料有新鲜补充气补”补离开该系统的物料有放空气V ，液氨贮槽弛放气V放由前计算数据如下表：图 4-2 系统示意图表 4-14各组分的含量名称NH3CH4H2N2气量补充气-0.0070.7510.242866763900放空气0.093260.19550.533390.17785V放弛放气0.597430.177100.175640.0498530085375.0

35、液氨0.998570.001040.0003050.0000807395860197.7入塔气0.0250.170.603750.20125V入出塔气0.1320.187750.510190.17006V出根据物料平衡和元素组分平衡求补放循环回路中总物料体平衡:=V + V - V - V - L入 出补放弛 NH3= V +866763900- V -30085375.0-395860197.7= V -V +440818327.3 出放出 放由于氨合成时体积减小= V -(0.09326V +0.59743V + L )出入放弛 NH3=V - (0.09326V +0.59743X300

36、85375.0+395860197.7) 入放以V代人中 V =36989571.5 m3 出放循环回路中氨平衡:y -V y =V y +V y +L出 NH3 入 NH3入 放 放 弛 NH3弛 NH30.132V -0.025V =0.09326X36989571.5+ 0.59743X 出入30085375.0+395860197.7=417283750.7联立式解得：V =3805495624 ms； V =4209324380m3 出入4.2.7合成塔物料计算入塔物料：V =4209324380m3=i87916267.0kmol5NH V =4209324380X2.5% = 1

37、05233109.5m3=4697906.7kmol5NH3CH V =4209324380X17%=715585144.6m3=31945765.4kmol5CH4H V =4209324380 X 60.375 % =2541379594m3=113454446.2kmol5H2N V =4209324380X20.125%=847126531.5m3=37818148.7kmol5N2合成塔一出，二进物料，热交换器，冷气进出物料等于合成塔入塔物料即V=V=V=4209324380m3=187916267.0kmol567出塔物料V=3805495624m3=169888197.5kmol

38、8NH V =3805495624X13.2%=502325422 4m3=22425242.0kmol8NH3CH V =3805495624 X 18.77 %=714291528 6m3=31888014.7kmol TOC o 1-5 h z 8CH4H V =3805495624X51.0188%=i94151820im3=86674919.7kmol8H2N V =3805495624X17.0062%=647170196 8m3=28891526.6kmol8N2合成塔生成氨含量： V =V -V =502325422 4T05233109.5=397092312.9m3=301

39、364701.8kgNH3 8NH3 5NH3 沸热锅炉进出口物料，热交换器进出口物料等于合成塔出塔物料。即 V =V =V =3805495624m389104.2.8水冷器物料计算进器物料：水冷器进气物料等于热交换器出口物料，即 V =3805495624m3 10入出器物料：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(V/L)=21.16,有如下方程：/L =(V/L)=21.16 11出 11出+L =L =3805495624 11出 11出 10入将 V =21.16L 带入得：11出 11出L =171728141.9m3= 7666434 9kmol ,11出V

40、=3633767482m3=162221762 6kmol11出出口气体组分由V =V y得：11i11出 11i其中， NH V =3633767482X0.093264=338899690.5m3=15129450.5kmol11NH3CH V =12533.791X0.195497=710390641 4m3=31713867.9kmol TOC o 1-5 h z 11CH4H V =12533.791X0.53384 =1939850433m3=86600465.7kmol11H2N V =12533.791X0.17785=646265546 7m3=28851140.5kmol1

41、1N2出口液体各组分由L =V -V11i 8i 11i其中， NH L =502325422 4-338899690.5=163425731.9m3=7295791.6kmol11NH3CH L =714291528.6-710390641.4=3900887.2m3=174146.75 kmol11CH4H L =1941518201-1939850433=1667768m3=74453.9kmol11H2N L =647170196.8-646265546.7=904650.1m3=40386.2kmol 2 11N24.2.9氨分离器物料计算进器物料：氨分离器进器总物料等于水冷器出口气

42、液混合物总物料即 V=V +L =3805495624m311 11出 11出出器物料：气液混合物在器内进行分离，分别得到气体和液体出器气体 V =V =3633767482m3, TOC o 1-5 h z 1211出出器液体 L =L =171728141.9m3=7666434.9kmol1511出其中 NH L = 171728141.9X0.95161 =163418217.1m3=7295456 1kmol15NH3CH L =171728141.9X 0.02384 =4093998.9m3=182767.8kmol15CH4H L = 171728141.9X 0.01940=

43、3331526.0m3= 148728 8kmol215H2N L =171728141.9X 0.00515=884399.9m3=39482.1kmol215N2氨分离器出口气体放空 V =36989571.5m3=1651320.2kmol13其中,NH V =36989571.5X9.3264% =3449795.4m3=154008.7kmol13NH3CH V =36989571.5X19.5497% =7231350.3m3=322828.1kmol TOC o 1-5 h z 13CH4H V =36989571.5X53.384% =19746512.9m3=881540.8

44、kmol213H2N V =36989571.5X17.785% =6578595.3m3=293687.3kmol213N24.2.10 冷交换器物料计算进器物料：进器物料等于氨分离器出口气体物料减去放空气量V=V-V=3633767482-36989571.5 =3596777910.5m3=160570442.4kmol1412其中,13NH V =3596777910.5X9.326% =335449895m3=14975441.7kmol14NH3CH V =3596777910.5X19.5497% =703159291.2m3=31391039.8kmol14CH4HV =359

45、6777910.5X53.384% =1920103920m3=85718925.0kmol214H2NV =3596777910.5X17.785% =639686951.4m3=28557453.2kmol214N2出器物料（热气）：设热气出口温度17C查t=17C,P=28.42MPa气相平衡氨含量y =5.9%,计算NH3热气出口冷凝液氨时，忽略溶解在液氨中的气体。取过饱和度10%故 V =1.1X5.9%=6.49%17NH3设热气出口氨体积为a,贝V：a/(3596777910.5-335449895+a)=0.0649a=226350324.2m3L =V -a=33544989

46、5-226350324.2=109099570.8m3=4870516.6kmol 17NH3 14NH3冷交换器热气出口气量及组分：其中 NH V =V -L =335449895-109099570.8=226350324.2m317NH314NH317NH3=10104925.2 kmolCH V = V =703159291.2m3 TOC o 1-5 h z 17CH414CH4H V = V =1920103920m3217H214H2N V = V =639686951.4m3217N214N2出口总气量V=V-L =3596777910.5-109099570.8=348767

47、8339.7m3=155699925.9kmol1417NH3出口气体各组分：NH V /V =226350324.2 / 3487678339.7X 100%=6.490% TOC o 1-5 h z 17NH317CH V / V =703159291.2 / 3487678339.7X 100%=20.161%17CH417HV /V=1920103920/3487678339.7X100%=55.054%217H217NV /V=639686951.4/3487678339.7X100%=18.341%17N2174.2.11氨冷器物料计算进器物料：氨冷器进器物料等于冷交换器出器物料加

48、上补充新鲜气物料=866763900m31其中， CH V =866763900X 0.007 =6067347.3m3=270863.7kmol4 1CH4H V =866763900X0.751= 650939688.9m3=29059807.5kmol TOC o 1-5 h z 21H2N V =866763900X 0.242 =209756863.8m3=9364145.7kmol21N2(进器气体物料)=V +V =866763900+3487678339.7=4354442239.7m3117=194394742.8kmol进器气体组分含量 V =V+V18i 1i 17iNH

49、 V = V =226350324.2m3=10104925.2kmol18NH317NH3CH V =6067347.3+703159291.2=709226638.5m3=31661903.5kmol18CH4H V =650939688.9+1920103920=2571043608.9m32 18H2=114778732.5kmolN V =639686951.4+209756863.8=849443815.2m3=37921598.9kmol2 18N2各组分百分含量 y =V /V18i 18i 18NH y =226350324.2/4354442239.7X100%=5.198

50、1%18NH3CH y =709226638.5/4354442239.7X100%=16.2874% TOC o 1-5 h z 18CH4H y =2571043608.9/4354442239.7X100%=59.0442%3218H2N y =849443815.2/4354442239.7X100%=19.5075%218N2进器液体等于冷交换器冷凝液氨量L=L =L =109099570.8m3=4870516.6kmol1818NH317NH3进器总物料=V +L =4354442239.7+109099570.8=4463541810 50 m318 18出器物料：已知出器气体

51、中氨含量为2.500%，设出器气体中氨含量为b m3 b/(4354442239.7-226350324.2)=2.500% 解得 b=103202298m3 则氨冷器中冷凝液氨量：L，=V -b=226350324.2-103202298 =123148026.2m3=3078700.7kmol18NH318NH3氨冷器出口总液氨量:L =L +L，=109099570.8+123148026.2=232247597.0m3=10368196.3kmol2NH3 18NH318NH3氨冷器出口气量:V=V-b=4354442239.7 -103202298=4251239941.7m3=18

52、9787497.4kmol18其中，NHV=103202298m3=4607245.5kmol32NH3CHV = V =650939688.9m3=29059807.5kmol42CH418CH4HV=V =2571043608.9m3=114778732.5kmol22H218H2N2V=2N2V =849443815.2m3=37921598.9kmol18N2各组分百分含量 y=V/V2i 2i 2NH y =103202298/4251239941.7X 100%=2.428%2NH3CH y =650939688.9/4251239941.7X100%=15.312% TOC o

53、1-5 h z 2CH4H y =8824.518/4251239941.7X100%=60.478%22H2N y =849443815.2/4251239941.7X100%=19.981%22N2出器总物料二V +L =4251239941.7+232247597.0=8734727480.4m32 2NH34.2.12 冷交换器物料计算进口物料：冷交换器进口总物料等于氨冷器出口总物料，其中气体入口 V =4251239941.7m3；液体入口 L =349498350.4m322NH3由气液平衡计算得，以1 Kmol进口物料为计算基准：即F=1L+V二FLx+Vy =Fm NH3 NH

54、3 NH3图4-3冷交换器物料示意图 将y =0.025, x =0.983代入上式:NH3NH3V=(x - m ) / (x - y ) = 1.026- m /0.958NH3NH3NH3NH3NH3式中m可由物料平衡和氨平衡计算m=V /VNH3NH32NH32V，=V +V，2117V，=V-V -L 1781315V ，=V +L +L ，2NH32NH317NH318NH3式中V，2-冷交换器入口总物料；V，17冷交换器热气出口总物料V 冷交换器入口总氨物料2NH3将 V =4354442239.7m3, V =36989571.5m3, L =171728141.9m3代入上式

55、解得:81315V / =4354442239.7-36989571.5T71728141.9=4145724526m317V =866763900 +4145724526= 5012488426 m3；2V / =103202298+226350324.2+123148026.2=452700648.4m3=20209850.4kmol 2NH3m = V / V，=452700648.4/5012488426 =0.0903 代入得： TOC o 1-5 h z NH3 2NH32V=1.026-0.0903/0.958=0.929；L=1-V=0.071；(L/V)=0.071/0.92

56、9=0.0765由（L/V）可求出冷交换器冷凝液体量（L /V） = （L/V） =0.0765 163冷凝液体量 L =0.0765V =0.0765x4209324380=322013315.1m3163其中 NH3L=322013315.1 X 0.983157 =316589644.8 m3=i4133466.3kmol16NH3CH4L=322013315.1X 0.006289 =2025141.7 m3=90408.1kmol16CH4H2L =322013315.1X 0.008041= 2589309.1m3=115594.2kmol16H2N2L = 322013315.1

57、X 0.002513 =809219.5m3=36125.9 kmol16N2出器物料：冷交换器（冷气）出口气体物料等于进口总物料减去冷凝液体量V3= 5012488426 -322013315.1=4690475111.0m3=209291512.2kmol其中 NH V =4690475111.0X 2.5% =117261877.8m3=5234905.3kmol3NH3CH V =4690475111.0X17%= 797380768.9m3=35597355.7kmol TOC o 1-5 h z 3CH4H V =4690475111.0X 60.375%= 2829529111m

58、3=126318263.9kmol23H2N V = 4690475111.0X 20.625%=943958116.1m3=42140987.3kmol23N2计算误差二(V-V ) /V X100%=(4690475111.0-4209324380)/ 4209324380355X100%=11.4%校核氨分离器液氨百分数氨分离器液氨百分数：G %=Lx/(Lx+Lx)X100%分15 1515 1516 16=171728141.9X0.95161/(171728141.9X0.95161 +322013315.1X0.983157)X100%=51.62%冷交换器分离液氨百分数：G %

59、=1-G %=48.38%冷分计算误差二(G，-G )心=(0.40928-0.5162)/0.40928=-0.26分4.2.13 物料衡算结果汇总将以上的计算结果汇总与下表：表 4-15 物料计算汇总表：装置单位N2H2CH4NH3总计氨冷器出摩尔分数19.9860.4815.312.43100m3849443815.22571043608.9650939688.91032022984251239941.7口（气体）2kmol37921598.9114778732.529059807.54607245.5189787497.4冷交器冷摩尔分数%20.1360.33172.5100气出口m3

60、943958116.12829529111797380768.9117261877.84690475111.0345kmol42140987.3126318263.935597355.75234905.3209291512.2合成塔一摩尔分数%20.12560.375172.5100次入口m3847126531.52541379594715585144.6105233109.54209324380567kmol37818148.7113454446.231945765.44697906.7187916267.0合成塔二摩尔分数%17.00651.01918.77513.2100次出口m3647