天然气合成氨20万吨合成工段设计说明书

TOC\o"1-3"\h\u620第一章总论3249401.1概述3281641.2氨的性质 4164831.2.1氨的物理性质 4168981.2.2氨的化学性质 4285111.3原料气来源 5151771.4文献综述 5234191.4.1合成氨工业的开展 6120951.4.2合成氨工业的现状 657201.4.3合成氨工业的开展趋势 6316321.5设计任务的工程来源 730544第二章流程方案确实定7207392.1生产原理7121642.2各生产方法及特点 866282.3工艺流程的选择 9120492.4合成塔进口气的组成 11208第三章工艺流程简述 12279503.1合成工段工艺流程简述127523.2工艺流程方框图 1329191第四章工艺计算1443164.1物料衡算 1414470设计要求 147098计算物料点流程图 15285354.1.3合成塔入口气组分 1562444.1.4合成塔出口气组分1673294.1.5合成率1742384.1.6氨别离器气液平衡计算17311784.1.7冷交换器气液平衡计算19231064.1.8液氨贮槽气液平衡计算20252824.1.9液氨贮槽物料计算2341514.1.10合成系统物料计算2494514.1.11合成塔物料计算26311704.1.12水冷器物料计算27173684.1.13氨别离器物料计算28182944.1.14冷交换器物料计算 2892014.1.15氨冷器物料计算30291064.1.16冷交换器物料计算 32213194.1.17液氨贮槽物料计算 34124604.2热量衡算3710750冷交换器热量计算374404.2.2氨冷凝器热量衡算401771循环机热量计算423034合成塔热量衡算4421094废热锅炉热量计算471513热交换器热量计算4890水冷器热量衡算504811氨别离器热量核算5221524第五章设备选型及设计计算53277985.1合成塔催化剂层设计 53315945.2废热锅炉设备工艺计算 55157605.2.1计算条件 5510665.2.2管内给热系数的计算 55159775.2.3管外给热系数 5915245.2.4传热总系数K 59110535.2.5传热温差 59276245.2.6传热面积 60278255.3热交换器设备工艺计算 60258155.3.1计算条件 606585.3.2管内给热系数的计算 61301595.3.3管外给热系数63230355.3.4总传热系数 67190075.3.5传热面积核算 68245255.4水冷器设备工艺计算 68302145.4.1计算条件 68207065.4.2管内给热系数的计算 69166795.4.3管外给热系数 7185735.4.4传热温差 7146045.4.5传热总系数K71238485.5氨冷器设备工艺计算72292125.5.1计算条件72108905.5.2管内给热系数的计算 73192795.5.3管外给热系数77151095.5.4传热总系数K 7795405.5.5传热温差77276675.5.6传热面积 7812781第六章车间布置8020670第七章“三废〞治理及综合利用8196327.1“三废〞的产生及污染81193687.1.1废气污染危害 813777.1.2废水污染危害 82262347.1.3工业废渣对环境的污染 83270227.2“三废〞治理原那么8314778结束语8411760参考文献854178附录869362物料衡算汇总表 863151热量计算点图89第一章总论1.1概述氨是一种重要的含氮化合物。氮是蛋白质质中不可缺少的局部，是人类和一切生物所必须的养料；可以说没有氮，就没有蛋白质，没有蛋白质，就没有生命。大气中存在有大量的氮，在空气中氨占78％〔体积分数〕以上，它是以游离状态存在的。但是，如此丰富的氮，通常状况下不能为生物直接吸收，只有将空气中的游离氮转化为化合物状态，才能被植物吸收，然后再转化成人和动物所需的营养物质。把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程，称为固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氢合成为氨，再进一步制成化学肥料或用于其它工业。在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。氨主要用来制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化氨和碳酸氢氨以及磷酸铵、氮磷钾混合肥等。氨也是非常重要的工业原料，在化学纤维、塑料工业中，那么以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙-6、丙烯腈等单体和尿醛树脂等产品。由氨制成的硝酸，是各种炸药和根本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各种炸药。硝酸铵既是优良的化肥，又是平安炸药，在矿山开发等根本建设中广泛应用。氨在其他工业中的应用也非常广泛。在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中，氨及其加工产品都是不可缺少的。例如制冷、空调、食品冷藏系统大多数都是用氨作为制冷剂。1.2氨的性质1.2.1氨的物理性质氨在常温下是无色气体，比空气轻，具有刺激性臭味，能刺激人体感官粘膜空气中，含氨大于0.01％时即会引起人体慢性中毒。气态氨易溶于水，成为氨水，氨水呈弱碱性。氨在水中的溶解度随压力增大而降低。氨水在溶解时放出大量热。氨水中的氨极易挥发。常压下气态氨需冷却到-33.35℃〔沸点〕才能液化。而在常温下需加压到0.87MPa时才能液化。液氨为无色液体，气化时吸收大量的热。1.2.2氨的化学性质⑴氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物,并能进一步与水作用,制得硝酸：⑵氨与酸或酐反响生成盐类,是制造氮肥的根本反响：⑶氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵,进一步脱水成为尿素：⑷氨与二氧化碳和水作用,生成碳酸氢铵：(5)氨可与盐生成各种络合物，如CuCl2•6NH3、CuSO4•4NH3。氨与空气(或氧)的混合气,在一定浓度范围内能发生剧烈的氧化作用而爆炸。在常温常压下，氨与空气爆炸极限为15%～28%(NH3)。100℃，0.1MPa下，爆炸极限为14.5%～29.5%(NH3)。1.3原料气来源原料气主要有两局部：氮气、氢气。氮气主要是从空气中提取。氢气是从半水煤气中提取的，以煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气，经过一系列反响生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、及甲烷等混合气体的过程。在气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气等称为汽化剂。这种生成的混合气称为煤气。煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进行汽化的条件。根据所用汽化剂的不同，工业煤气可分为以下四种：空气煤气：以空气为汽化剂制取的煤气，又称为吹风气。水煤气：以水蒸气〔或水蒸气与氧的混合气〕为汽化剂制取的煤气。混合煤气：以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气，一般作燃料用。半水煤气：是混合煤气中组成符合〔H2+CO〕/N2=3.1～3.2的一个特例。可用蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得，也可用水煤气与吹风混合配制。本设计采用半水煤气，半水煤气经过净化后得到纯洁的氢气，再配制适量的氮气，成为合成氨的原料气，其中含有氮气、氢气、以及惰性气体甲烷和氩。1.4文献综述合成氨工业是氮肥工业的根底，也是一些工业部门的重要原料，它的迅速开展促进了一系列科学技术和化学合成工业的开展，随着科学技术的开展，合成氨工业在国民经济中的作用必将日益显著。1.4.1合成氨工业的开展合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作为火炸药工业的原料，为战争效劳;第一次世界大战结束后,转向为农业、工业效劳。随着科学技术的开展，对氨的需要量日益增长，近30年来合成氨工业开展很快。目前，国内合成氨年生产能力30万吨以上的大型企业有26家，合成氨年生产能力10万吨以上的中型企业有100多家，其他还有800多家小氮肥厂也生产约占总量60%的合成氨。1.4.2合成氨工业的现状我国合成氨工业存在一些特殊问题，一是氮肥资源紧张。国际上以天然气为原料的氮肥占85%。而我国氮肥原料以煤为主，天然气仅占20%，我国氮肥行业急需解决采用成熟的粉煤气化技术，以本地粉煤代替无烟块煤。建议针对不同企业采用不同的技术路线。内技术进行改造。同时，对于有廉价天然气资源的地区，鼓励采用天然气改造现有装置或建设天然气化肥基地。二是企业结构不合理，产业集中度低，技术水平不高。在氮肥行业，要推广新型煤气化技术，包括粉煤气化、水煤浆气化技术等；新型净化技术，如低温变换、低温甲醇洗MDEA等净化技术；新型氨合成塔及大型低压合成的成套技术和装备。1.4.3合成氨工业的开展趋势合成氨工业的开展趋势:①原料路线的变化方向。煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、本钱低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。②节能和降耗。合成氨本钱中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改良重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。③与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。到2023年，力争组建50家大型企业集团，大型氮肥厂合成氨平均规模达40万吨/年以上，中型氮肥厂平均规模达20万吨/年以上。其产品集中度到达50%，并形成3-5家在国际上有一定影响的大型企业集团。同时，调整企业结构，减少根底肥料生产厂数量，提高单套装置的规模，使合成氨工业朝现代化又迈进一步。1.5设计任务的工程来源本课题是指导老师提高毕业生设计能力而选定的。希望通过此次课程设计让学生可以较好地把理论学习中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来，得到较为合理的设计成果，到达课程设计训练的目的，提高学生分析和解决化工实际问题的能力。第二章流程方案确实定2.1生产原理氨是由气态氮和氢在适宜温度压力,并有触媒的作用下发生反响的,其反响式为：此式为一不可逆，放热，体积缩小的反响，其反响过程为：氨合成的反响特点：⑴反响过程要在高压下进行，压力越高，越有利于氨的合成。⑵温度低时，反响有利于向氨合成的方向进行，但反响速度较慢，提高温度不利于反响平衡，但可以加快反响速度，在实际操作中，温度的选择取决于触媒的活性。⑶必须借助触媒，以加快反响速度。⑷混合气中氢、氮含量越高越有利于反响，因此，气体中惰性气体含量越少越好。2.2各生产方法及特点合成氨的生产主要包括三个步骤：第一步是造气，即制备含有氢、氮的原料气；第二步是净化，不管选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氢、氮以外的杂质；第三步是压缩和合成，将纯洁的氢、氮混合压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。目前氨合成的方法，由于采用的压力、温度和催化剂种类的不同，一般可分为低压法、中压法和高压法三种。(1)低压法操作压力低于20MPa的称低压。采用活性强的亚铁氰化物作催化剂，但它对毒物很敏感，所以对气体中的杂质〔CO、CO2〕要求十分严格。也可用磁铁矿作催化剂，操作温度450～550℃。该法的优点是由于操作压力和温度较低，对设备、管道的材质要求低、生产容易管理，但低压法合成率不高，合成塔出口气体中含氮约8％～10％，所以催化剂的生产能力比拟低；同时由于压力低而必须将循环气降至-20℃的低温才能使气体中的氨液化，别离比拟完全，所以需要设置庞大的冷冻设备，使得流程复杂，且生产本钱较高。(2)高压法操作压力为60MPa以上的称为高压法，其操作温度大致为550～650℃。高压法的优点是，氨合成的效率高，合成氨出口气体中含氨达25％～30％，催化剂的生产能力较大。由于压力高，一般用水冷的方法气体中的氨就能得到完全的别离，而不需要氨冷。从而简化了流程；设备和流程比拟低紧凑，设备规格小，投资少，但由于在高压高温下操作，对设备和管道的材质要求比拟高。合成塔需用高镍优质合金钢制造，即使这样，也会产生破裂。高压法管理比拟复杂，特别是由于合成率高，催化剂层内的反响热不易排除而使催化剂长期处于高温下操作，容易失去活性。(3)中压法操作压力为20～35MPa的称为中压法，操作温度为450～550℃。中压法的优缺点介于高压法与低压法中间，但从经济效果来看，设备投资费用和生产费用都比拟低。氨合成的上述三种方法，各有优缺点，不能简单的比拟其优劣。世界上合成氨总的开展趋势多采用中压法，其压力范围多数为30～35MPa。本设计采用中压法，操作压力为32MPa。2.3工艺流程的选择合成氨的生产工艺条件必须满足产量高，消耗低，工艺流程及设备结构简单，操作方便及平安可靠等要求。决定生产条件最主要的因素有操作压力、反响温度、空间速度和气体组成等。(1)最适宜的操作压力氨合成反响是气体体积缩小的反响，提高压力有利于反响平衡向右移动。压力增加平衡常数增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高压力对氨合成反响的平衡和反响速度都有利，在一定空速下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力也越大。氨合成压力的上下，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨别离的冷冻功。提高操作压力，原料气压缩功增加，合成氨净值增高，单位氨所需要的循环气量减少，因而循环气压缩功减少，同时压力高也有利于氨的别离，在较高气温下，气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。但是压力高时，对设备的材料和制造的要求均高。同时，高压下反响温度一般较高，催化剂使用寿命也比拟短，操作管理比拟困难。所以要根据能量消耗、原料费用、设备投资等综合技术经济效果来选择操作压力。目前我国中小型合成氨厂合成操作压力大多采用20~32MPa。(2)最适宜的反响温度合成氨反响是一个可逆放热反响，当温度升高时，平衡常数下降，平衡氨含量必定减少。因此从化学平衡角度考虑，应尽可能采用较低的反响温度。实际生产中还要考虑反响速率的要求。为了提高反响速率，必须使用催化剂才能实现氨合成反响。而催化剂必须在一定的温度范围内才具有活性，所以氨合成反响温度必须维持在催化剂的活性范围内。合成氨生产所用的催化剂活性温度在400~500℃。反响温度不能低于活性温度，在活性温度范围内选用较低温度，也有利于延长催化剂的使用寿命。在合成氨生产过程中，对应于任意一个瞬时转化率都存在一个最大的反响速率的温度，即最正确温度。就整个反响过程来说，随着反响的进行，转化率不断增加，最正确温度随转化率增加而降低。在实际生产中，应尽可能沿着最正确温度曲线进行。反响温度的控制还与催化剂的使用时间有关。新的催化剂因活性比拟高，可采用较低的温度。在中期活性降低，操作温度应比初期适当提高8~10℃。催化剂使用到末期，活性因衰老而减弱，应再适当提高温度。(3)空间速度空间速度反映气体与催化剂接触时间的长短。空间速度增加，气体与催化剂接触时间减少，反响物来不及反响就离开了反响区域，因此将是合成塔出口气体中氨含量降低，即氨净值降低。但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以当空间速度增加时，合成氨的产量也有所增加。在其他条件一定时，增加空间速度能提高合成氨的生产强度。但空间速度增大，将使系统阻力增加，压缩循环气功耗增加，别离氨所需的冷冻量也增大，因此冷冻功耗增加。同时，单位循环气量的产氨量减少。但在一定限度内，其他条件不变，增加空间速度，合成氨产量增加，单位时间所得的总反响热增多，通过水冷器和氨冷器的气体流量增大，需要移走的热量增多，导致冷凝器的冷却面积要相应增大，否那么就不能将高流速气体中的氨冷凝下来。此外，空间速度增大，使出塔气体中氨的百分含量降低，为了使氨从混合气中冷凝别离出来，必须降低出塔气体温度，这样就要消耗更多的冷冻量，导致冷冻功耗增加。综合以上各方面的考虑，空间速度的增加是有限度的。目前，国内一些小型合成氨厂合成压力在30MPa左右的，空间速度选择在2000~3000每小时之间。工业上采用的氨合成工艺流程虽然很多，而且流程中设备结构操作条件也各有差异，但实现氨合成过程的根本步骤是相同的，都必须包括以下几个步骤：氮、氢原料气的压缩并补充到循环系统；循环气的预热与氨的合成；氨的别离；热能的回收利用；对未反响气体补充压力，循环使用；排放局部循环气以维持循环气中惰性气体的平衡等。流程设计在于合理地配置上述几个步骤，以便得到较好的技术效果，同时在生产上稳定可靠。从氢氮混合气体中别离氨的方法大致有两种：水吸收法、冷凝法。本设计采用冷凝法。一般含氨混合气体的冷凝别离是经水冷却器和氨冷嚣二步实现的。液氨在氨别离器中与循环气体分开，减压送入贮槽。贮槽压力一般为1.6～1.8MPa，此时，冷凝过程中溶解在液氨中的氢、氮及惰性气体大局部可减压释放出来，即弛放气。2.4合成塔进口气的组成合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量和塔进口氨含量。(1)氢氮比当氢氮比为3:1时，对于氨合成反响可以获得最大的平衡氨浓度，但从动力学角度分析，最适宜氢氮比随着氨含量的变化而变化。从氨的合成反响动力学机理可知，氮的活性吸附是合成氨反响过程速度的控制步骤，因此适当提高氮气浓度，对氨合成反响速度有利。在实际生产中，进塔气体的氢氮比控制在2.8~2.9比拟适宜。(2)惰性气体在混合气体中含有甲烷和氩气等，统称为惰性气体。惰性气体不参与反响，也不毒害催化剂，但由于他们的存在会降低氢氮比的分压。无论从化学平衡还是动力学角度分析，他们都是有弊无利的，导致氨的生产率下降。惰性气体来源于新鲜气，随着合成反响的进行，它们不参与反响而在系统中积累，这样合成系统中惰性气体越来越多，为了提高氨的合成率，必须不断在循环气中将它们排放出去。排放量多，可以使合成系统惰性气体含量降低，氨的合成率提高。但是氢氮气和局部氨也随之排放，造成一定损失，故循环气体中惰性气体的控制含量不能过高也不能过低。循环气体中惰性气体的控制还与操作压力和催化剂活性有关。操作压力比拟高，及催化剂活性比拟好时，惰性气体的含量可以高一些。相反，那么要控制低一些。由于原料气的制备与净化方法不同，新鲜气体中惰性气体的含量也不同。在生产中，一般要保持新鲜气中含惰性气体的体积分数在0.5%~1.0%之间，并控制循环气中惰性气体的体积分数在10%~15%之间。(3)塔进口氨含量进塔气体中氨的含量，主要决定于氨别离时的冷凝温度和别离效率。冷凝温度越低，别离效果越好，那么进塔气体中氨含量也就越低。降低进口氨含量，可加快反响速度，提高氨净值和生产能力。但将进口氨含量降的过低，会导致冷冻功耗增加过多，经济上并不可取。进口氨含量还与合成操作压力和冷凝温度有关。压力高，氨合成反响速度快，进口氨含量可适当控制高一些；压力低，为保持一定的反响速度，进口氨含量可适当控制低一些。综合考虑的结果，一般中小型合成氨厂当操作压力在30MPa左右时，塔进口氨含量约控制在2.5%~3.5%之间。对于压力在15MPa的合成氨厂，一般应控制在2.0%左右。本设计中塔进口氨含量控制为2.5%。第三章工艺流程简述3.1合成工段工艺流程简述由氮氢气压缩机送来的35℃的新鲜气，在油别离器中与循环机来的循环气混合，除去气体中的油、水及其杂质。混合气进冷交换器上部换热管内，与冷交换器下部来的冷气体进行换热回收冷量，热气体被冷却至17℃，然后进入氨冷器。气体在管内流动，液氨在管外蒸发，由于氨大量蒸发吸收了混合气的热量，使管内气体进一步冷却至-10℃，出氨冷器后的气液混合物，在冷交换器的下部用氨别离器将液氨别离。分氨后的循环气上升至上部换热器壳程被热气体加热至25℃后出冷交换器。然后气体分两股进入合成塔，一股主线经主阀由塔顶进入塔内环隙，另一股副线经副阀从倒塔底进入塔内中心管，以调节催化剂床层温度。入塔气氨含量为2.5%。反响换热后温度降为140~160℃，氨含量13%的反响气体出合成塔进入水冷器，气体经水冷器冷却至常温，其中局部气氨被冷凝，液氨在氨别离器中分出。为降低惰性气体含量，保持循环系统中一定量的惰性气体，循环气岀氨别离器后局部放空，然后进循环机增压后送往油别离器，从而完成一个循环。冷交换器和氨别离器内的液氨，经液位调节系统减压后送往液氨贮槽。该流程具有能如下一些特征：eq\o\ac(○,1)氨合成反响热未充分予以回收，用来副产蒸汽，或用来预热锅炉给水。eq\o\ac(○,2)流程简单，设备投资抵。eq\o\ac(○,3)放空气位置设在惰性气体含量最高，氨含量较低处以减少氨和原料气损失。eq\o\ac(○,4)循环机位于水冷器和氨冷器之间，适用于有油润滑往复式压缩机。eq\o\ac(○,5)新鲜气和循环气中油、水及杂质可通过氨冷器低温液氨洗涤后除去。3.2工艺流程方框图合成塔合成塔水冷器热交换器废热锅炉油别离器冷交换器循环机新鲜气放空液氨储槽氨冷器氨别离塔驰放气图3-1合成氨工艺流程方框图第四章工艺计算4.1物料衡算设计要求1.年产20万吨液氨,设计裕度及液氨损失均不计2.精炼气组成〔%〕：如下表表4-1-1精炼气组成〔mol％〕组成N2H2CH4Ar合计mol％24.1274.451.10 0.331003.合成塔入口氨含量〔mol％〕：合成塔出口氨含量〔mol％〕：合成塔入口惰性气体含量〔mol％〕：4.合成塔操作压力:32MPa(绝压)5.精炼气温度：35℃6.水冷器出口温度：35℃7.循环机进出口压差：1.47Mpa8.年工作日：330天9.产量：25.2525tNH3/h10.计算基准：生产1吨液氨计算物料点流程图12345精炼气6789101112141718合成气；13放空气20弛放气液氨图4-1-1计算物料点流程图合成塔合成塔氨别离塔水冷器氨冷器热交换器液氨储槽废热锅炉放空油别离器新鲜气冷交换器循环机液氨储槽氨冷器氨别离塔循环机3145716141221152019181729101168134.1.3合成塔入口气组分根据计算依据有入塔氨含量：入塔甲烷含量：入塔氩含量：入塔氢含量：入塔氮含量：表4-1-2入塔气组分含量〔%〕NH3CH4ArH2N2小计2.50011.5393.46261.87420.6251004.1.4合成塔出口气组分以入塔气作为基准求出塔气组分，由下式计算塔内生成氨含量：出塔气量:出塔氨含量：出塔甲烷含量：出塔氩含量：出塔氢含量：出塔氮含量：表4-1-3出塔气体组分含量〔%〕NH3CH4ArH2N2小计16.513.1153.93549.83816.6121004.1.5合成率4.1.6氨别离器气液平衡计算氨别离器入口混合物组分表4-1-4氨别离器入口混合物组分小计0.1650.131150.039350.498380.166121查，各组分平衡常数：表4-1-5平衡常数表0.0988.228.227.534.5设时，代入计算各组分溶解液量:别离液体量：别离气体量：计算气液比：结果合理从而可计算出液体中各组分含量：液体中氨含量：液体中氩含量：液体中甲烷含量：液体中氢含量：液体中氮含量：表4-1-6氨别离器出口液体含量〔%〕NH3CH4ArH2N2小计95.6181.7310.1571.9730.521100.00别离气体组分含量：气体氨含量气体甲烷含量气体氩含量气体氢含量气体氮含量表4-1-7氨别离器出口气体含量〔%〕NH3CH4ArH2N2小计9.37614.1404.27554.14818.0611004.1.7冷交换器气液平衡计算根据气液平衡原理，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，由合成塔入口气体含量和操作条件下的别离温度可查出，便可解出。查,的平衡常数：表4-1-8平衡常数表0.025427517580冷交换器出口液体组分含量：出口液体氨含量出口液体甲烷含量出口液体氩含量出口液体氢含量出口液体氮含量表4-1-9冷交换器出口液体组分含量〔%〕NH3CH4ArH2N2小计98.4250.4270.0680.8250.2551004.1.8液氨贮槽气液平衡计算图4-1-2液氨贮槽气液平衡图液氨储槽L19L16液氨储槽L19L16L15V20L21水冷后别离液氨占总量的，冷交别离液氨占总量的。以液氨贮槽入口液体计算为准，即，入口液体混合后组分含量：混合后入口氨含量：混合后入口甲烷含量：混合后入口氩含量：混合后入口氢含量：混合后入口氮含量：表4-1-10液氨贮槽入口液体含量〔%〕小计96.8091.1770.1191.4860.409100当(由热平衡计算得)平衡常数：表4-1-11平衡常数表0.598170540575620根据气液平衡,设,代入上式得:出口液体氨含量：出口液体甲烷含量：出口液体氩含量：出口液体氢气含量：出口液体氮气含量：出口液体总量：出口气体总量：l出口液体组分含量出口液体氨含量：出口液体甲烷含量：出口液体氩含量：出口液体氢气含量：出口液体氮气含量：表4-1-12液氨贮槽出口液氨组分〔%〕NH3CH4ArH2N2小计99.8690.0850.0030.0340.009100出口弛放气组分含量：弛放气氨含量：弛放气甲烷含量：弛放气氩含量：弛放气氢气含量：弛放气氮气含量：表4-1-13出口弛放气组分含量(%)NH3CH4ArH2N2小计59.60514.4471.52619.1455.2771004.1.9液氨贮槽物料计算以液氨贮槽出口一吨纯液氨为基准折标立方米计算液氨贮槽出口液体量其中NH3CH4ArH2N2液氨贮槽出口弛放气其中NH3CH4ArH2N2液氨贮槽出口总物料液氨贮槽进口液体：由物料平衡，，入口液体各组分含量计算：其中NH3CH4ArH2N2入口液体中组分含量核算,由入口液体中氨含量入口液体中甲烷含量入口液体中氩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4.1.10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,离开该系统的物料有放空气，液氨贮槽弛放气，产品液氨，见图4-1-3所示：合成塔合成塔V补V出V驰V放V氨V入图4-1-3合成系统物料计算示意图由前计算数据如下表：表4-1-14合成系统物料计算数据名称NH3CH4ArH2N2气量Nm３补充气--0.0110.00330.74450.2412放空气0.093760.141400.042750.514940.18061弛放气0.596050.144470.015260.19210.05277108.321液氨0.998690.000850.000030.0003360.000091319.375入塔气0.0250.115390.034620.618740.20625出塔气0.1650.131150.039350.498380.16612根据物料平衡和元素组分平衡求,,,:循环回路中氢平衡：循环回路中氮平衡:循环回路中惰性气体平衡:循环回路中惰性气体平衡:循环回路中总物料平衡:联立各式解得：;;;4.1.11合成塔物料计算入塔物料：其中NH3CH4ArH2N2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出塔物料NH3CH4ArH2N2合成塔生成氨含量：废热锅炉进出口物料，热交换器进出口物料等于合成塔出塔物料。即4.1.12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，即出器物料：在水冷器中局部气氨被冷凝；由氨别离器气液平衡计算得气液比，,有如下方程:将代入得:出口气体组分由得:其中，NH3CH4ArH2N2出口液体各组分由得其中NH3CH4ArH2N24.1.13氨别离器物料计算进器物料：氨别离器进器总物料等于水冷器出口气液混合物总物料即出器物料：气液混合物在器内进行别离，分别得到气体和液体出器气体，出器液体氨别离器出口气体放空其中，NH3CH4ArH2N24.1.14冷交换器物料计算进器物料：进器物料等于氨别离器出口气体物料减去放空气量其中，NH3CH4ArH2N2出器物料〔热气〕：设热气出口温度17℃〔由热量计算核定〕查,气相中平衡氨含量，计算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，故。设热气出口氨体积为，那么：冷交换器热气出口气量及组分：其中NH3CH4ArH2N2出口总气量出口气体各组分：NH3CH4ArH2N24.1.15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上补充新鲜气物料其中CH4ArH2N2进器气体物料进器气体组分含量其中NH3CH4ArH2N2各组分百分含量NH3CH4ArH2N2进器液体等于冷交换器冷凝液氨量进器总物料出器物料：出器气体中氨含量为，设出器气体中氨含量为。解得那么氨冷器中冷凝液氨量：氨冷器出器总液氨量:氨冷器出器气量:其中NH3CH4ArH2N2各组分百分含量NH3CH4ArH2N2出器总物料4.1.16冷交换器物料计算图4-1-4冷交换器物料计算示意图V3V3V2冷交换器V14V17其中气体入口；液体入口；由气液平衡计算得，以进口物料为计算基准：即将，代入上式：式中可由物料平衡和氨平衡计算式中———冷交换器入口总物料；———冷交换器热气出口总物料———冷交换器入口总氨物料将，，代入上式解得：∴；∴代入得：;;由可求出冷交换器冷凝液体量冷凝液体量出器物料：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。其中NH3CH4ArH2N2计算误差校核氨别离器液氨百分数氨别离器液氨百分数：冷交换器别离液氨百分数：计算误差4.1.17液氨贮槽物料计算进槽物料：氨别离器入槽液体其中NH3CH4ArH2N2冷交换器入槽液体其中NH3CH4ArH2N2入槽混合物料各组分物料含量：其中NH3CH4ArH2N2百分含量其中NH3CH4ArH2N2出槽物料：液氨贮槽出口弛放气其中NH3CH4ArH2N2出口液氨总物料其中NH3CH4ArH2N2各组分百分含量：其中NH3CH4ArH2N2液氨产量核算:物料衡算汇总表见附录4.2热量衡算冷交换器热量计算冷交换器冷交换器Q3Q2Q17Q16Q14图4-2-1冷交换器热量计算示意图〔1〕热气进口温度，冷交换器热气进口温度等于水冷器体出口温度，由题意知。〔2〕冷气进口温度，为保证合成塔入口氨含量在,出氨冷器的气体的氨含量必须等于或小于，设过饱和度为,那么，该冷凝温度下的平衡氨含量为：查《小氮肥工艺设计手册》图9-3-1平衡氨含量为；时，冷激温度,故冷气进口温度等于〔3〕热气体带入热量，热气体在器内处于氨饱和区，计算气体比热容时先求常压下气体比热容，然后用压力校正的方法计算实际的气体比热容：查,时的各组分比热容并计算得：查《小氮肥工艺设计手册》附表1-1-1，各物质的临界温度和压力并计算得：查《小氮肥工艺设计手册》附表1-5-9由压力校正法：热气体带入热量：(4)冷气体带入热量：查,时各组分比热容并计算得：,查《小氮肥工艺设计手册》附表1-5-19由压力校正法：冷气体带入热量：(5)氨冷凝热：设热气出口温度为，热气体在器内由冷却到然后进行氨冷凝，查氨冷凝热液氨冷凝放出热量，(6)液氨带入热量：查-10℃时液氨比热容液氨带入热量(7)热气体带出热量：查,时的各组分比热容并计算得：查《小氮肥工艺设计手册》附表1-5-8由压力校正法：热气体带出热量：(8)热气体中液氨带出热量：查时液氨比热容液氨带入热量(9)冷气体带入热量：(10)冷气体带出热量：∵设,查时的各组分比热容并计算得：表4-2-1冷交换器热量平衡汇总表收方热量〔KJ〕支方热量〔KJ〕管内热气体带入热量486381.901管内热气体带出热量2290099.849管外冷气体带入热量-187109.861管内液氨带出热量17519.657管内液氨冷凝热258981.854管外液氨带出热量-19802.698管外液氨散热-19802.602管外冷气带出热量320824.088小计548451.286小计548451.286(11)冷交换器热量负荷计算：4.2.2氨冷凝器热量衡算QQ17氨冷凝器Q液氨Q2Q1Q18Q气氨图4-2-2氨冷凝器热量计算示意图〔1〕气体带入热量由冷交换器热量计算得〔2〕气体中液氨带入热量由冷交换器热量计算得〔3〕氨冷器中气氨冷凝热查《小氮肥工艺设计手册—理化数据》在,那么气氨冷凝热：〔4〕新鲜气带入热量,查压力下各组分气体比热容然后用叠加的方法计算得实际气体混合热容所以新鲜气带入热量：氨冷器收入总热量〔5〕氨冷器入口混合物温度计算由热平衡设,查压力下各组分气体比热容，然后用叠加的方法计算得实际气体混合热容。,,查《小氮肥工艺设计手册》附图4-1-1液氮的比热容代入上式与假设一致。混合后按冷气入口热气温度.〔6〕气体带出热量和由冷交换器热量计算〔7〕气体中液氨带出热量〔8〕液氨蒸发吸热〔9〕需冷冻量查液氨，液氨，所以：，表4-2-2氨冷器热量平衡汇总表收方热量〔KJ〕支方热量〔KJ〕气体带入热量229909.849气体带出热量-187109.861液氨带入热量17519.657液氨带出热量-19802.608气体中氨冷凝热285535.476冷冻量877109.046新鲜气带入热137231.594小计670196.576小计670196.576循环机热量计算〔1〕由《小氮肥工艺设计手册—理化数据》表1-1-1查的绝热指数如下表：表4-2-3绝热指数表组分H2N2ArCH4NH3Ki1.41.1.41.661.311.29由公式∴由前代入上式得：〔2〕气体带入热量〔3〕压缩功又式中将上述数据代入压缩功的计算式得：压缩功(4)气体带出热量由热平衡得：∵由查常压下各组分气体比热容并计算得：查《小氮肥工艺设计手册》附图1-5-19比热容压力校正图，误差那么计算正确。气体带出热量表4-2-4循环机热平衡汇总表收方〔KJ〕支方〔KJ〕气体带入热量Q′3320824气体带出热量Q4476358.788压缩热QN155534.4小计476358.788小计476358.788合成塔热量衡算图4-2-3合成塔热量计算示意图Q6Q8合成塔QRQQ6Q8合成塔QRQ5Q7Q损设合成塔环隙高度，由经验公式知：环隙温升按计那么合成塔一出温度为:(2)气体带入热量由前计算因油别离器内无温升变化〔忽略损失〕∴(3)气体反响热设合成塔二出温度365℃，假定气体在塔内先温升至出口温度后进行氨合成反响在压力的气体反响简化计算式为：将代入得：由物料平衡计算知氨产量那么合成塔内反响热(4)二次入塔气体带入热量Q7由热平衡知∴(5)合成塔一出气体带出热量Q6查混合气体热容，按高压叠加法计算得：∴(6)合成塔二出气体带出热量Q8查混合气体热容，按高压叠加法计算得：∴(7)合成塔热损失根据经验公式设塔壁温度空气温度塔外壁高外径那么∴(8)合成塔二入温度计算将上述数据带入温度计算式中得：设查混合气体热容，按高压叠加法计算得：那么误差假设值与实际值根本相符,计算有效。∴合成塔气体二次入口带入热量〔9〕合成塔绝热温升核算由式中∴假设值与实际值根本相符,计算有效。表4-2-5合成塔热量平衡汇总表收方热量〔KJ〕支方热量〔KJ〕一次气体进口带入热量Q5476358,788一次气体出口带入热量Q6781534.064二次气体进口带入热量Q73042919.602二次气体进口带入热量Q85860107.589反响热QR3324784.813热损失Q损202422.085小计6844063.208小计6844063.208废热锅炉热量计算〔1〕管内热气体带入热量Q8由合成塔热平衡计算得〔2〕管内热气体带出热量Qs设查《小氮肥工艺设计手册—理化数据》并计算得：∴(3)废热锅炉热负荷(4)软水量计算设废热锅炉参加软水温度，，副产1.724MPa饱和蒸汽需软水量X。查软水焓蒸汽焓由热平衡得：∴废热锅炉软水带入热量：蒸汽带出热量表4-2-6废热锅炉热量平衡汇总表收方热量〔KJ〕支方热量〔KJ〕管内热气带入热量Q85860107.059管内热气带出热量Q93500130.388软水带入热量Q软111362.784蒸汽带出热量Q蒸2471339.46小计5971469.843小计5971469.843热交换器Q7Q6Q10Q9热交换器热量计算热交换器Q7Q6Q10Q9图4-2-4热交换器热量计算示意图〔1〕冷气带入热量Q6由合成塔热平衡计算得：〔2〕热气体带入热量Q9由废热锅炉热平衡计算得：〔3〕冷气带出热量Q7由合成塔热平衡计算得：〔4〕热气出口温度计算由热平衡得：∴设查《小氮肥工艺设计手册—理化数据》混合气体热容按叠加法计算得：查《小氮肥工艺设计手册—理化数据》附图1-5-19比热容压力校正图误差假设值与实际值根本相符，计算有效。〔5〕热交换器热负荷表4-2-7热交换器热量平衡汇总表收方热量〔KJ〕支方热量〔KJ〕冷气带入热量Q6781534.064冷气带入热量Q73042919.602热气带入热量Q93500130.388热气带出热量Q101238744.85小计4281664.452小计4281664.452水冷器热量衡算由题意知水冷器出口温度，设气体先冷却至35℃后氨再冷凝〔1〕热气带入热量Q10由热交换器热平衡计算〔2〕氨冷凝热查《小氮肥工艺设计手册—理化数据》10-1-1得：氨冷凝热，式中16.796是液氨的平均分子量。〔3〕热气体带出热量Q11，,由于气体在氨饱和区，故先计算常压下气体组分比热容然后用压力校正法计算实际比热容查《小氮肥工艺设计手册—理化数据》比热容压力校正图那么混合气的比热容热气带出热量(4)液氨带出热量查35℃液氨比热容(5)冷水量计算设需冷水量W，冷却上水，冷却下水，冷却水比热容那么冷却水吸收热量为∴冷却上水带入热量：冷却下水带入热量：表4-2-8水冷器热量平衡汇总表收方热量〔KJ〕支方热量〔KJ〕热气带入热量Q101238744.851热气带出热量Q11503664.955氨冷凝热量Q冷708733.731液氨带出热量Q液108120.043冷却上水带入热量Q上水5008852.26冷却下水带入热量Q下水6344545.783小计6956330.841小计6956330.841氨别离器热量核算其进出口温度无变化，由气体热平衡，氨别离器吸入热、水冷器热平衡计算得：氨别离器支出热，气体放空气带出热量：冷交换器带入热量，由冷交换器热平衡计算得：；误差假设值与实际值根本相符计算有效氨别离器带入热量等于液氨带出热量热量计算点图见附录第五章设备选型及设计计算5.1合成塔催化剂层设计WW电炉出塔气入塔气1654321第一段绝热床2冷激器3第二段绝热床4层间换热器5第三段绝热床6下换热器图5-1三段绝热冷激—间接换热式内件流程图选用三段绝热冷激—间接换热式内件，此内件是由三段轴向绝热床和复合换热式结构组成，层间换热器与下换热器并联：第一绝热床+冷激器+第二绝热床+层间换热器+第三绝热床+下换热器。三段绝热冷激—间接换热式内件流程如图5-1所示。并在此根底上进行合成塔的催化剂层设计，依据已给定参数设计确定催化剂用量及几何尺寸等工艺参数，然后再按照一定的操作条件确定催化剂床层温度、浓度和产量。本设计根据经验对催化剂床层进行近似设计。将整个催化剂床层分成三段，各段尺寸及参数见下表：表5-1各段催化剂床层尺寸及参数表段段数n名称123绝热层高度150025003500催化剂用量0.5050.7090.8912.6953.8711.331催化剂活性系数0.620.420.26进口温度412382.05472.10出口温度447458.5487进口氨含量2.54.612.5出口氨含量4.612.516.5氨产量192.216240.833287.872催化剂单位反响热，6963.3555382.13依图5-1对该流程进行说明：入塔主线气体经内外筒环隙进入，经底部出口去塔外预热器预热后，分两股二次入塔，一股进入下换热器预热，然后通过中心管进入一段床层进行绝热反响，出一段催化剂气体与从塔顶引入的冷激气，在冷激分布器中混合均匀，降低温度后进入二段催化剂，经二段绝热反响后气体进入层间换热器管内与另一股管间冷气换热降温，冷气从塔顶引入，出换热管间后通过升气管与入塔主线气体混合后一起进入一段床层，经三段床层绝热反响后的气体进入底部下换热器，降温后出塔，改变冷激气和冷却气流量，可以分别调节二段及三段床层入口气体温度，一段床层入口气体温度可采用塔副线调节。5.2废热锅炉设备工艺计算5.2.1计算条件〔1〕选卧式U型换热管〔2〕高压管尺寸，，，〔3〕热负荷〔4〕产量〔5〕冷气体压力〔6〕气体入口温度〔7〕气体出口温度〔8〕进气量〔9〕副产蒸气压力〔10〕软水入口温度〔11〕蒸气饱和温度5.2.2管内给热系数的计算式中各物性数据取之平均温度之值(1)压缩系数Z查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕表1-1气体的临界常数表5-2-1临界常数表NH3CH4ArH2N20.1650.131150.039350.498380.16612405.6190.715133.3126.211.3954.6394.8621.2963.393比照压力，比照温度查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕普遍化压缩系数之四得(2)混合气体平均分子量(3)气体热容查《小氮肥厂工艺手册》气体比热容表5-2-2气体比热容表NH3CH4ArH2N24.9323.9201.7761.3874.96548.48851.41421.23429.42730.514(4)气体导热系数λ高温下含氮混合气体的导热系数，用氮的比照导热系数图进行计算查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕临界修正参数表5-2-3临界修正参数表NH3CH4ArH2N20.1650.131150.039350.498380.16612405.5239151.233.3126.218．03023.1964.8621.5683.3930.66960.44690.10680.36870.12866假比照参数查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕导热系数，(5)气体粘度μ查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕图1-22,23,25,30,31各组分气体的粘度表5-2-4各组分气体粘度表NH3CH4ArH2N20.1650.131150.039350.498380.166120.971.04110.920.08060.07740.14690.04980.10624.1246.321.415.29高压下含氨混合气体的粘度(6)雷诺准数重量流量管道截面积，设管道数量185根那么重量流速〔7〕普兰特准数管内给热系数5.2.3管外给热系数式中Q—锅炉热负荷，,F—锅炉换热面积，m2,p—蒸气压力，Mpa设锅炉换热面积F=60.0m2，副产1.372Mpa绝热蒸气，代入上式5.2.4传热总系数K设气相测污垢系数设液相侧污垢系数5.2.5传热温差管内气体温度管内软水温度5.2.6传热面积实取换热面积按一根U型管长8.04m，需列管数5.3热交换器设备工艺计算5.3.1计算条件〔1〕选列管式换热器，冷气走壳程，热气走管程〔2〕列管尺寸无缝钢管，，，〔3〕热负荷〔4〕产量〔5〕冷气体压力〔6〕冷气入口温度〔7〕冷气出口温度〔8〕冷气气量〔9〕热气体压力〔10〕热气入口温度〔11〕热气出口温度〔12〕热气气量5.3.2管内给热系数的计算式中各物性数据取之平均温度之值(1)压缩系数和体积流量由废热锅炉压缩系数计算知，比照压力,比照温度查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕普遍化压缩系数之四得那么气体体积流量(2)混合气体平均分子量(3)气体热容查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕并计算得(4)气体导热系数λ查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕1-88表常压下各组分导热系数表5-3-1各组分导热系数表NH3CH4ArH2N20.14180.19070.08430.81480.12042.5712.5093.4191.2593.037由计算由前计算查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕普遍化气体比照导热系数，(5)气体粘度μ查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕图1-22,23,25,30,31各组分气体的粘度表5-3-2各组分气体粘度表NH3CH4ArH2N20.650.9110.890.2070.07480.01350.04230.1008高压下含氨混合气体的粘度(6)雷诺准数设取管内流速(7)普兰特准数管内给热系数5.3.3管外给热系数式中冷气体物性数据取平均温度(1)压缩因子Z由前计算知比照压力查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕普遍化压缩系数之四得(2)混合气体分子量．(3)气体热容查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕气体比热容表5-3-3气体比热容表NH3CH4ArH2N20.7863.6291.08919.466.48840.60442.48820.9332.56730.767(4)导热系数λ查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕1-88表常压下各组分导热系数表5-3-4导热系数表NH3CH4ArH2N20.11870.16180.07660.74780.10942.5712.5193.4191.2593.037由计算其中由前计算查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕普遍化气体比照导热系数那么(5)气体粘度μ查《小氮肥厂工艺手册》〔理化数据〕图1-22,23,25,30,31各组分气体的粘度表5-3-5气体粘度表NH3CH4ArH2N20.440.88110.850.28080.07560.013320.04030.099高压下含氨混合气体的粘度其中(6)换热器尺寸设计设换热器面积，换热管那么换热管数管间距取正六边形排列层数实取37层六边形对角线排管取板间距，取那么设备直径实取换热器直径校核管内流速其中实际传热系数管外当量直径流道截面积〔挡板为圆缺形〕，其中取档板直径，流道截面积(7)计算雷诺准数气体重量流速(8)计算普兰特准数管内给热系数5.3.4总传热系数取5.3.5传热面积核算与假定面积相符 实取换热面积取,5.4水冷器设备工艺计算5.4.1计算条件〔1〕选淋洒式排管冷却器〔2〕高压换热管〔3〕热负荷〔4〕产量〔5〕热气体压力〔6〕热气入口温度〔7〕热气出口温度〔8〕热气气量〔9〕冷却水压力〔10〕冷却水入口温度〔11〕冷却水出口温度〔12〕冷却水量5.4.2管内给热系数的计算式中各物性数据取之平均温度〔1〕压缩系数由废锅计算知比照温度比照压力查《小氮肥厂工艺设计手册》〔理化数据〕图1-4普遍化压缩系数图得〔2〕混合气体平均分子量〔3〕气体热容〔4〕气体导热系数常压下气体的导热系数那么假比照参数查《小氮肥厂工艺设计手册》〔理化数据〕普遍化气体比照导热系数，(5)气体粘度查《小氮肥厂工艺设计手册》〔理化数据〕图1-22,23,25,30,31各组分气体在压力下的粘度表5-4-1气体粘度表NH3CH4ArH2N20.30.75110.82Kg/(m.h)0.4860.0850.1310.0370.095高压下含氨混合气体的粘度(6)雷诺准数设取管内流速密度〔7〕普兰特准数管内给热系数5.4.3管外给热系数式中：冷却水量忽略蒸发水量，高压管真管长度冷却管列数管外给热系数5.4.4传热温差5.4.5传热总系数K设管内污垢系数设管外污垢系数5.4.6传热面积实取换热面积需排管数取20排实际传热面积冷排高度流速核算气体实际体积流量:管内流速5.5氨冷器设备工艺计算5.5.1计算条件〔1〕选立式氨冷器，热气走管程，液蒸发走壳程〔2〕高压换热管〔3〕热负荷〔4〕产量〔5〕热气体压力〔6〕热气入口温度〔7〕热气出口温度〔8〕液氨入口温度〔9〕液氨蒸发温度〔10〕液氨量5.5.2管内给热系数的计算式中各物性数据取之平均温度管内汽液混合物〔按气相计算〕表5-5-1气体百分数表NH3CH4ArH2N2小计气量21862.30133792.08710212.288181853.85960121.581307846.383%7.10210.9773.31859.07319.530100(1)压缩系数Z和体积流量比照温度比照压力查《小氮肥厂工艺设计手册》〔理化数据〕图1-4普遍化压缩系数图得气体体积流量为〔3〕混合气体平均分子量〔4〕气体热容查气体常压比热容表5-5-2比热容表NH3CH4ArH2N236.41833.48820.9328.67428.821混合气体常压比热容由，查比热容压力校正图〔5〕气体导热系数查《小氮肥厂工艺设计手册》〔理化数据〕1-88表常压下各组分导热系数表5-5-3导热系数表NH3CH4ArH2N20.07890.10030.05970.6090.0862.5712.5193.4191.2593.037由由，查《小氮肥厂工艺设计手册》〔理化数据〕普遍化气体比照导热系数(6)气体粘度查《小氮肥厂工艺设计手册》〔理化数据〕图1-22,23,25,30,31各组分气体在压力下的粘度表5-5-4气体粘度表NH3CH4ArH2N20.170.652110.778Kg/(m.h)0.1870.09180.1350.03380.099高压下含氨混合气体的粘度(7)雷诺准数设取管内流速密度(8)普兰特准数管内给热系数5.5.3管外给热系数式中F-氨冷器的换热面积，用试差法计算设5.5.4传热总系数K设管内污垢系数无缝钢管导热系数总传热系数5.5.5传热温差5.5.6传热面积与假定面积相符合取管数根管长U型管)表5-6工艺设备选型汇总表合成塔外壳公称直径压力外壳高度空重容积内件内件规格形式公称直径型式三段绝热冷激—间接换热式净空高触媒装填量下部换热器型式列管式电加热器功率塔内热电偶规格嵌装式K型测温范围电偶直径数量3组共20点废热锅炉型式卧式U型换热管换热管数量根换热管长度L=8.04m换热管规格换热面积热交换器型式列管式换热器换热管数量根换热管长度换热管规格无缝钢管换热面积水冷器型式淋洒式排管冷却器换热管列数根直管长度换热管规格换热面积氨冷器型式立式氨冷器换热管数量根换热管长度换热管规格换热面积第六章车间布置车间布置是设计中的重要环节，既要符合工艺要求，又要经济实用，合理布局。车间布置直接影响到工程建设的投资，建设后的生产运转正常，设备维修和平安，以及各项经济指标的完成。车间布置是指对车间各根本工段、辅助工段、生产效劳部门、设施、设备、仓库、通道等在空间和平面上的相互位置的统筹安排。车间布置旨在最有效地利用厂房空间，一方面方便于工作操作，防止生产设备的过度拥挤；另一方面，注意厂房的通风和防火防爆，确保平安生产。其具体内容包括：1.在纵跨、横跨、高跨、露天跨建筑面积上的安排；2.在厂房内空间分层的安排；3.在多层建筑内的安排。本设计的车间的平面布置要根据工厂的生产大纲和车间分工表、生产流程、工艺路线、生产组织形式、机器设备和起重运输设备的种类、型号、数量等多方面因素共同确定。好的车间布置应最大限度地减少搬运路程，让物料从进入车间依次流经各个工位后流出车间。厂房设计本设计采用双层厂房，这样使厂房利用率较高建设费用也低，厂房设有配电室，贮存室及控制室。设备布置设计本设计中的大局部设备由于没有特殊要求，因而可露天布置，露天布置设备有以下优点：可节约建筑面积，节省基建投资可节约土建工程量，加快基建速度有利于化工生产的防水，防爆和防毒，对厂房的扩建改建具有较大的灵活性。第七章“三废〞治理及综合利用7.1“三废〞的产生及污染中国的工业污染在环境污染中占70％。随着工业生产的迅速开展，工业污染的治理越来越引起人匀的广泛注意。中国对工业污染的治理十分重视，十多年来，国家在工业污染治理方面进行了大量投资，建设了大批治理污染的设施，也怪得了比拟明显的环境效益。但是，工业污染的治理远远落后于工业生产的开展，到目前为止，工业污染的治理率还很低，工业废水治理率仅20％，工业废气治理率为56％，工业废渣治理率为50％。因此，解决工业“三废〞污染的任务还相当艰巨。7.1.1废气污染危害化学工业排放的废气，其中含有的主要污染物包括二氧化硫、氮氧化物、氟化氢、氯气、氯化氢、碳氢化合物、各种有机物和浮游粒子等。这些污染物质排入大气后都会造成危害。大量的工业废气排入大气，必然使大气环境质量下降，危害人类健康和造成经济损失。这种危害和损失的程度决定于大气污染的性质、浓度和滞留时间。工业废气造成的危害表现在以下五个方面，即人体健康危害、居民生活费增加、物质材料破坏、农林水产损失扩全球环境影响。(1)人体健康危害工业废气污染对人体健康的危害包括急性和慢性两方面。急性一般出现在工业区及其附近地区。慢性危害是大气污染物在直接或间接的长期作用下对人体健康造成的危害。这种危害短期表现不明显，对人体健康的影响范围大，持续时间长，危害较为严重。主要表现为呼吸道疾病、生理机能障碍，或者眼鼻等粘膜受到刺激而生病，或者因污染急性中毒使恶化而死亡等。据中国十个城市统计，呼吸道疾病的患病率在工业重污染地区为30％～70％，而轻污染区只有它的一半。(2)居民生活费用增加大气污染造成的居民生活费用增加，包括家庭清扫、洗涤和生活物质损坏三方面，据1985年估算，每年全国损失达16亿元。(3)物质材料破坏废气中的二氧化硫、氮氧化物、各种有机物等不仅直接腐蚀建筑物、桥梁和机械设备，而且衍生的二次污染物光化学氧化剂、酸雨等污染物能对这些物质材料产生更大的破坏作用。(4)农业森林损失废气中污染物对农业、森林、水产也造成严重的危害，其中特别是农业和森林受害最大。大气污染造成农业减产、林木衰败。据1985年估算，仅二氧化硫和氟化物污染这两项，全国每年约损失20亿元。(5)全球环境影响工业废气中的污染物不仅能污染低层大气，对人体健康、农业、森林和物质材料造成危害，而且能对上层大气产生影响，形成酸雨，破坏臭氧层、升高气温等区域性，全球性重大环境问题，可能给人类带来更严重的危害和灾难。7.1.2废水污染危害工业废水中各种有害物一旦排入水体，将对水体造成严重的污染，不但破坏水体的生态平衡，而且危及人身健康和工、农、渔业生产的开展。其危害表现在以下四个方面。(1)对人体健康的危害废水污染对人体健康的危害，一般可分为两大类。一类是水体受到致病微生物的污染，滋生病毒菌，从而引传染病的蔓延；另一类是水中含有有毒物质引起人的中毒病症发生。目前，第二类污染危害是水污染的主要方面，是人们普遍关心，急待解决的重要危害。(2)对环境卫生的影响工业废水根本都含有悬浮物。悬浮物中的有机物还会腐败分解，发出难闻的气味，使水体出现浑浊，发黑发臭，成为蚊蝇孳生的产所，危害水质和周围环境。(3)对建筑材料、金属制品的严重腐蚀含酸、含碱工业废水能够引起金属制品的严重腐蚀。(4)对农林牧副渔业的危害废水污染对渔业及农业的影响已十分广泛，其危害程度已到惊人的地步。废水污染对农业设备和农作物的危害是同样严重的。7.1.3工业废渣对环境的污染工业废渣对环境的污染，主要表现在以下三大方面；(1)对土壤的污染由于工业废渣是在生产过程中产生的，它们的存在不仅占用了大量的良田沃土，大量的有素废渣，在自然界的风化作用下，到处流失，对土壤造成很大的污染。放射性废渣进入土壤后，通过雨水和帮助而进入水体，造成污染。(2)对水域的污染工业废渣在雨水、冰、雪的作用下，可以很容易地溶入江河湖海或通过土壤而渗入地下水域里，造成水体的严重污染与破坏。(3)对大气的污染工业废渣在堆放过程中，在温度、水分的作用下，某些有机物质发生分解，产生有害的气体，造成对大气的污染。同时，在运输与处理的过程中，产生的有害气体和粉尘也是十分严重的。7.2“三废〞治理原那么(1)废气。锅炉产生的烟尘可通过加高烟囱高度和采用旋风除尘器等干式除尘器方法来解决。生产过程中的氨气、硫化氢、甲醛等气体通过使设备密封，使用液体石蜡与空气隔离等措施，防止其溢出，根本做到不超标。(2)废渣。炉渣和煤渣可用于铺路、作建筑保温材料(3)噪声。可用减振器或吸声罩等方法来降低噪声。(4)废水。国内主要有七种方法来解决：①废液提取单细胞蛋白；②废液生产饲料酵母；③厌氧-好氧二段生物处理；④废液制造有机肥料；⑤废液制造杀菌剂和植物生长剂；⑥深井曝气、生物转盘及氧化塘法；⑦加强企业管理，改良工艺，提高水循环的利用率。结束语此次课程设计不仅是对我们在《无机化工工艺学》、《化工设计》这两门专业课程中所学知识的一次检验，加深了我们对这两门课程的体会，同时也是一个增长知识的过程，它融合了大学里所学的其他课程。通过此次课程设计，我对如何开展一次化工设计的程序有了深入地了解。首先设计开始要做好充分的准备工作，根据设计要求，查阅与工艺路线和重点设备相关的文献资料及手册。各种工具书是设计工作者的得力助手，在这次设计中，我学会了熟练查找手册、文献资料，同时对资料数据筛选和处理的能力也有了很大的提升。化工计算首先要清楚设计的思路，只有思路清晰、方法正确、谨慎悉心才能及时高效完成任务。这是一个理论联系实际，发现问题解决问题的过程，锻炼了自己独立工作能力的过程。团队的配合也尤为重要，每个人都要认真做好分配的任务并为团队成员提供最优的答案，为整个团队顺利完成工作提供保障。在设计过程中，我也认识到了自身的缺乏，原有知识储藏缺乏，也不够牢固，在知识应用方面仍然比拟薄弱。学习是一个需要长期坚持的过程，只有坚持不懈地积极学习和吸收新的知识，与时俱进，不断充实自己，才能成长为一名合格进而优秀的化工设计者。总之，这次课程设计提升了我的计算、绘图、编辑文件、使用标准化手册等最根本的工作能力。我不仅学到了新知识，也对专业课程中所学内容进行了稳固。通过课程设计，我分析问题解决问题以及工程设计能力都得到了锻炼。作为一个化工人，我一定要树立起实事求是、认真负责以及与他人合作的工作作风。最后，非常感谢何凯老师在设计中给予我以及我们小组的珍贵意见和指导，也感谢本组成员的全力合作，使得我能顺利完本钱次设计。参考文献1小合成氨厂工艺技术与设计手册(上册)，化学工业出版社，19942梅安华主编.小合成氨厂工艺技术与设计手册.下册[M].19943中国环球化学工程公司编.氮肥工艺设计手册[M].19854氮肥工艺设计手册理化数据分册，石油化学工业出版社，19775郝晓刚等编著.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，20236陈甘棠主编.化学反响工程[M].第三版.北京：化学工业出版社.1990〔11〕7黄璐.化工设计.北京：化学工业出版社，20008陈五平主编，无机化工工艺学.第三版.北京：化学工业出版社，19859姜胜阶.合成氨工学【J】.石油化学工业出版社，1978〔7〕10湖北华工设计院.氨合成塔【J】.石油化学工业出版社，1977(12)11化学工业出版社组织编写.中国化工产品大全[M].第二版上卷.12司航主编.化工产品手册[M].第三版.北京：化学工业出版社.13李祥君著.新编精细化工产品手册[M].北京：化学工业出版社.1996.14万家亮曾胜年主编.分析化学[M].第三版.北京：高等教育出版社.2001〔6〕．15天津化工研究院编.无机与工业手册【M】.北京:化学工业出版，1988(2)16江寿建.化工厂共用设施设计手册.北京：化工工业出版社，200017时均等.化学工程手册.北京：化学工业出版社，199618赵国方.化工工艺设计概论.北京：原子能出版社，199019化工工程师手册编辑委员会.化学工程师手册.北京：机械工业出版社，200020陈敏恒等.化工原理，上下册.北京：化学工业出版社，198521吴志泉等.化工工艺计算，物料、能量衡算.上海：华东理工大学出版社，199222倪进方.化工过程设计.北京：化学工业出版社，199923王尔菲主编.石油化工工艺学.北京：石油化工出版社，1993附录物料衡算汇总表〔2〕氨冷器出口〔气体〕〔3〕〔4〕〔5〕冷交换器冷气出口m3/tNH3m3/hkmol/hm3/tNH3m3/hkmol/hNH32.500290.3827332.871327.3602.500290.1267326.407327.072CH411.5211338.16833792.0871508.57511.5391339.10533815.7491509.632Ar3.482404.49710214.561456.0073.462401.76610145.596452.928H261.9997210.42182081.1318128.62261.8747180.501181325.6028094.893N220.4982380.81760121.5812683.99920.6252393.53960442.8442698.341∑10011615.289293315.08513094.42310011605.038293056.22213082.867〔5〕〔6〕〔7〕合成塔一次入口〔8〕〔9〕〔10〕合成塔二次出口m3/tNH3m3/hkmol/hm3/tNH3m3/hkmol/hNH32.500290.1947328.124327.14816.5001635.11841290.8171843.340CH411.5391339.42133823.7291509.98813.1151339.42133823.7291509.988Ar3.462