“方”即方子、方法。“方案”，即在案前得出的方法，將方法呈于案前，即為“方案”。大家想知道怎么樣才能寫一篇比較優(yōu)質(zhì)的方案嗎？以下是小編精心整理的方案策劃范文，僅供參考，歡迎大家閱讀。

年產(chǎn)30萬噸合成氨生產(chǎn)工藝設(shè)計 50萬噸合成氨工藝設(shè)計方案篇一

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一、設(shè)計（論文）的要求：

1、說明書 包括前言，合成氨變換工段工序原理，工藝條件及工藝流

程確定，以及主要設(shè)備的選擇說明，對本設(shè)計的評述。

2、計算部分 計算。

3、圖紙 帶控制點的工藝流程圖。包括物料衡算，熱量衡算，有效能利用率計算，主要設(shè)備

二、設(shè)計（論文）的原始數(shù)據(jù)： 天然氣成分：以鴻化廠的實際工作數(shù)據(jù)為依據(jù)來進(jìn)行。年工作日 330 天,其余數(shù)據(jù)自定。

三、參考資料及說明： 《化工工藝設(shè)計手冊》（上、下冊）《氮肥工藝設(shè)計手冊》理化數(shù)據(jù)、、《化 肥企業(yè)產(chǎn)品能平衡》《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》《合成氨工學(xué)》、、、《化工制圖》《化工原理》《化學(xué)工程》《化工設(shè)計概論》以及關(guān)于氮肥、、、的其他相關(guān)雜志。1 目 1.錄

前言??????????????????????????????4 2.工藝原理????????????????????????????4 3.4.5.6.工藝條件????????????????????????????5 工藝流程的確定?????????????????????????6 主要設(shè)備的選擇說明???????????????????????6 對本設(shè)計的綜述?????????????????????????6 第一章 變換工段物料及熱量衡算?????????????????8 第一節(jié) 中變物料及熱量衡算?????????????????????8 1．確定轉(zhuǎn)化氣組成?????????????????????????8 2．水汽比的確定??????????????????????????8 3．中變爐一段催化床層的物料衡算??????????????????9 4．中變爐一段催化床層的熱量衡算??????????????????11 5．中變爐催化劑平衡曲線??????????????????????13 6.最佳溫度曲線的計算???????????????????????14 7．操作線計算??????????????????????????15 8．中間冷淋過程的物料和熱量計算?????????????????16 9．中變爐二段催化床層的物料衡算 ?????????????????17 10.中變爐二段催化床層的熱量衡算?????????????????18 第二節(jié) 低變爐的物料與熱量計算??????????????????19 第三節(jié) 廢熱鍋爐的熱量和物料計算?????????????????24 第四節(jié) 主換熱器的物料與熱量的計算????????????????26 第五節(jié) 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算??????????????28 第二章 設(shè)備的計算????????????????????????29 1.低溫變換爐計算????????????????????????29 2.中變廢熱鍋爐?????????????????????????31 參考文獻(xiàn)及致謝????????????????????????? 35 2 前言

氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于化學(xué)肥料的生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多 年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。合成氨的生產(chǎn)主要分為：原 料氣的制取；原料氣的凈化與合成。粗原料氣中常含有大量的 c，由于 co 是合 成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過 co 變換反應(yīng)，使其 轉(zhuǎn)化為易于清除的 co2 和氨合成所需要的 h2。因此，co 變換既是原料氣的凈化過 程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的 co 用液氨洗滌法，或是低溫變換串 聯(lián)甲烷化法加以脫除。變換工段是指 co 與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工 藝流程中起著非常重要的作用。目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從 80 年代中期發(fā)展 起來的。所謂中變串低變流程，就是在 b107 等 fe-cr 系催化劑之后串入 co-mo 系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā) 生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中 的 co 含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性 大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。工藝原理： 一氧化碳變換反應(yīng)式為： co+h2o=co2+h2+q co+h2 = c+h2o(1-1)(1-2)其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn) 物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對式反應(yīng)（1—1）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制 其它副反應(yīng)的發(fā)生。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應(yīng)式： h2+o2=h2o+q 3 工藝條件 1.壓力： 壓力對變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲 烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學(xué)角度，加 壓可提高反應(yīng)速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù) 小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓 變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠 操作壓力為 0.7-1.2mpa,中型氨廠為 1.2~1.8mpa。本設(shè)計的原料氣由小型合 成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，故壓力可取 1.7mpa.1.溫度： 變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常 數(shù)增大對反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 co平衡含量增 大，反應(yīng)推動力變小，對反應(yīng)速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因 而存在著最佳反應(yīng)溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學(xué)角度推導(dǎo)的計算式為 tm= te rte e 1+ ln 2 e 2 ? e1 e1 式中 tm、te—分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成 和催化劑的不同而變化。1．

汽氣比： 水蒸汽比例一般指 h2o/co 比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是

工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了 co 的平衡變 換率，從而有利于降低 co 殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過量水蒸 汽的存在，保證催化劑中活性組分 fe3o4 的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生 成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造 成催化劑床層阻力增加；co 停留時間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所 以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為：h2o/co=3～5，經(jīng)反應(yīng)后，4 中變氣中 h2o/co 可達(dá) 15 以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。工藝流程確定 目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低 4 種工藝。本設(shè)計參 考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化 爐進(jìn)入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從 920℃降到 330℃，在廢熱鍋爐出 口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到 3 到 5 之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一 氧化碳含量降到 3%以下。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到 180℃左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 0.3%以下，再進(jìn)入甲烷化工段。主要設(shè)備的選擇說明 中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低 變爐選用 c6 型催化劑，計算得低變催化劑實際用量 10.59m3。以上設(shè)備的選 擇主要是依據(jù)所給定的合成氨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料氣中碳氧化物的含量以 及變換氣中所要求的 co 濃度。對本設(shè)計評述 天然氣變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因為 能否正常生產(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要 求。在本設(shè)計中，根據(jù)已知的天然氣組成，操作條件，采用了中變串低變的工藝 流程路線。首先對中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計算的基礎(chǔ)上，根據(jù) 計算結(jié)果對主要設(shè)備選型，最終完成了本設(shè)計的宗旨。設(shè)計中一共有中溫廢 熱鍋爐，中變爐，主換熱器，調(diào)溫水換熱器，低變爐幾個主要設(shè)備。由于天然氣變換工段工序是成熟工藝，參考文獻(xiàn)資料較多，在本設(shè)計中，主要參考了《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》和《合成氨工藝學(xué)》這兩本 書。由于時間有限，設(shè)計可能不完善，請各位老師指出。謝謝！5 第一章

第一節(jié) 第一節(jié) 1．確定轉(zhuǎn)化氣組成：

變換工段物料及熱量衡算

中溫變換物料衡算及熱量衡算 中溫變換物料衡算及熱量衡算 物料

已知條件中變爐進(jìn)口氣體組成： 組分 % co2 9.6 co 11.42 h2 55.71 n2 22.56 ch4 0.38 o2 0.33 合計 100 計算基準(zhǔn)：1 噸氨 計算生產(chǎn) 1 噸氨需要的變化氣量： 1000/17）（×22.4/（2×22.56）=2920.31 m3(標(biāo))因為在生產(chǎn)過程中物量可能回有消耗，因此變化氣量取 2962.5 m3(標(biāo))年產(chǎn) 5 萬噸合成氨生產(chǎn)能力： 日生產(chǎn)量：50000/330=151.52t/d=6.31t/h 要求出中變爐的變換氣干組分中 co％小于 2％ 進(jìn)中變爐的變換氣干組分： 組 分 含量，％ m3(標(biāo))合 co2 9.6 474 6 68 9 co 11.42 563.8 h2 55.71 2750.n2 22.56 1113.16.29 3 7.5 o2 0.33 ch4 0.38 18.76 計 100 493 假設(shè)入中變爐氣體溫度為 335 攝氏度，取出爐與入爐的溫差為 30 攝氏度，則 出爐溫度為 365 攝氏度。進(jìn)中變爐干氣壓力 p中 =1.75mpa.2．水汽比的確定： 考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取 h2o/co=3.5 故 v（水）=1973.52m3(標(biāo))n(水)=88.1kmol 因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分: 6 組 分 含量％ m(標(biāo))koml 3 co2 6.86 474 21.16 co 8.16 563.86 25.172 h2 39.8 2750.68 122.798 n2 16.12 1113.9 49.73 o2 0.24 16.29 0.727 ch4 0.27 18.763 0.838 h 2o 28.56 1973.52 88.1 合計 100 6911.02 308.53 中變爐 co 的實際變換率的求取： 假定濕轉(zhuǎn)化氣為 100mol，其中 co 基含量為 8.16％，要求變換氣中 co 含量為 2％，故根據(jù)變換反應(yīng)：co+h2o＝h2+co2，則 co 的實際變換率為： x ％= ya ? ya′ ×100=74％ ya(1 + ya′)式中 ya、ya' 分別為原料及變換氣中 co 的摩爾分率（濕基）則反應(yīng)掉的 co 的量為：8.16×74％=6.04 則反應(yīng)后的各組分的量分別為： h2o％=28.56％-6.04％+0.48％=23％ co％=8.16％-6.04％=2.12％ h2％ =39.8％+6.04％-0.48％=45.36％ co2％=6.86％+6.04％=12.9％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： k=（h2％×co2％）/（h2o％×co％）=12 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知 k=12 時溫度為 397℃。中變的平均溫距為 397℃-365℃=32℃ 中變的平均溫距合理，故取的 h2o/co 可用。3.中變爐一段催化床層的物料衡算 假設(shè) co 在一段催化床層的實際變換率為 60％。因為進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：

組 分 含量，％ m(標(biāo))koml 3 co2 6.86 474 21.16 co 8.16 563.86 25.172 h2 39.8 2750.68 122.798 n2 16.12 1113.9 49.73 o2 0.24 16.29 0.727 ch4 0.27 18.763 0.838 h 2o 28.56 1973.52 88.1 合計 100 6911.02 308.53 假使 o2 與 h2 完全反應(yīng)，o2 完全反應(yīng)掉 故在一段催化床層反應(yīng)掉的 co 的量為： 7 60％×563.86=338.318m3(標(biāo))=15.1koml 出一段催化床層的 co 的量為： 563.86-338.318=225.545 m(標(biāo))=10.069koml 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 h2 的量為: 2750.68+338.318-2×16.29=3056.41 m(標(biāo))=136.447koml 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 co2 的量為： 474+338.318=812.318 m3(標(biāo))=36.26koml 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：

組 分 含量％ m(標(biāo))koml 3 3 3 co2 15.54 812.318 36.26 co 43.1 225.545 10.069 h2 58.47 3056.41 136.447 n2 21.13 1113.9 49.73 ch4 0.35 18.76 0.838 合計 100 5226.94 233.35 剩余的 h2o 的量為： 1973.52-338.318+2×16.29=1667.79m3(標(biāo))=74.45koml 所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：

組 分 含量％ m(標(biāo))koml 3 co2 11.78 812.318 36.26 co 3.27 225.545 10.069 h2 44.33 3056.41 136.447 n2 16.16 1113.9 49.73 ch4 0.27 18.76 0.838 h 2o 24.19 1667.79 74.45 合計 100 6894.73 307.8 對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計算： 已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（％）：

組 分 含量％ m(標(biāo))koml 3co2 11.78 812.318 36.26 co 3.27 225.545 10.069 h2 44.33 3056.41 136.447 n2 16.16 1113.9 49.73 ch4 0.27 18.76 0.838 h 2o 24.19 1667.79 74.45 合計 100 6894.73 307.8 對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)：k=(h2％×co2％)/（h2o％×co％)計算得 k=6.6 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng) k=6.6 時 t=445℃ 設(shè)平均溫距為 30℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為： 445℃-30℃=415℃ 4．中變爐一段催化床層的熱量衡算 以知條件：進(jìn)中變爐溫度：335℃ 8 出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415℃ 反應(yīng)放熱 q：在變化氣中含有 co，h2o，o2，h2 這 4 種物質(zhì)會發(fā)生以下 2 種反應(yīng)： co +h2o=co2+h2 o2 + 2h2= 2 h2o 這 2 個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計算。以 p=1atm，t=25℃ 為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為： ht=△h 298=cpdt 式 中 ht — — 氣 體 在 0（1-1）（1-2）

∫ t 在 tk 的 統(tǒng) 一 基 準(zhǔn) 焓，298 kcal/kmol(4.1868kj/kmol)； △h0298 — — 該 氣 體 在 25℃ 下 的 標(biāo) 準(zhǔn) 生 成 熱，kcal/kmol(4.1868kj/kmol)； t——絕對溫度，k； cp — — 氣 體 的 等 壓 比 熱 容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kj/（kmol.℃）] 氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式： cp=a0+a1×t+a2×t2+a3×t3+?? 式中 a0、a1、a2、a3??氣體的特性常數(shù) 將式代入式積分可得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計算通式： ht=a0+a1×t+a2×t2+a3×t3+a4×t4 式中常數(shù) a0、a1、a2、a3、a4 與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為： a1=a0, a2=a1/2, a3=a3/4, a4=a3/4 a0=△h0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4 采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。△h=（∑ni×hi）始－（∑ni×hi）末 式中△h ——過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時為放熱，為負(fù)數(shù)時系統(tǒng)為吸熱，kcal；（4.1868kj）;ni 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)，kmol； 9 hi — 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下； i — 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol，（4.1868kj/kmol）

現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于下表中 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表

分子式 o2 h2 h2o n2 co co2 a0 1.90318×10 3 a1 5.80298 3 a2 2.15675×10 –3 a3-7.40499×10 4.8459×10 －7 –7 a4 1.08808×10 –10-2.11244×10-6.0036×10 4 7.20974 7.11092-5.5584×10 1.2932×10 －4-8.18957×10-5.78039×10-7.65632×10-4.14272×10 0.00 －11 －3 1.28506×10 2.03296×10 5.04519×10-1.135×10 －7 －11-1.97673×10-2.83637×10-96377.88867 3 6.45903 6.26627 6.396 5.18164×10 8.98694×10 5.05×10 －3 －4 －7 －11 4 －4 －9 －11 －6 計算 o2 的基準(zhǔn)焓： 根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式：ht=a0+a1×t+a2×t2+a3×t3+a4×t4 在 415℃時 t=415+273=683k 查表可得變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓列于下表：

組分 ht（kcal/kmol）ht（kj/kmol）o2 6699.742 28050.412 h2 2724.221 11405.77 h2o-54502.665-228191.759 co-23634.754-98953.987 co2-89956.67833-376630.6208 放熱： co +h2o=co2+h2（1）

△h1=(∑hi)始-（∑hi）末 =-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759 =-38079.10484kj/koml q1=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kj o2 + 2h2= 2 h2o（2）q2=△h2=（∑ni×hi）始－（∑ni×hi）末=-368924.3632kj 氣體共放熱： q=q1+q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kj 氣體吸熱 q3： 根據(jù)《物理化學(xué)》知 co, h2, h2o, co2, n2，可用公式：cp=a+b+ct-2 來計算熱容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）查表可得： 10 物質(zhì) a b/10 c/10-3 co 28.41 4.1-0.46 h2 27.28 3.26 0.502 h 2o 30 10.71 0.33 co2 44.14 9.04-8.53 n2 27.87 4.27-5 cpm=∑yi*cp=34.06 kj/（kmol.℃）所以氣體吸熱 q3=34.06*307.8*(415-330)=891111.78kj 假設(shè)熱損失 q4 根據(jù)熱量平衡的： q= q3 +q4 q4=52934.965 kj 5．中變爐催化劑平衡曲線 根據(jù) h2o/co=3.5，與公式 xp= v=kpab-cd q= u 2 ? 4wv u=kp（a+b）+（c+d），w=kp-1 其中 a、b、c、d 分別代表 co、co2、co2 及 h2 的起始濃度 t 300 320 340 360 380 t 573 593 613 633 653 xp 0.9012 0.8737 0.8424 0.8074 0.7687 t t xp 420 693 0.6859 440 713 0.6416 460 733 0.5963 u ?q ×100％ 2 aw 400 673 0.7058 中變爐催化劑平衡曲線如下： 11 1 0.8 轉(zhuǎn)化率 xp 0.6 中變爐平衡曲線

0.4 0.2 0 250 300 320 340 360 380 400 420 440 460 溫度（℃）

6.最佳溫度曲線的計算 由于中變爐選用 c6 型催化劑，最適宜溫度曲線由式 te 進(jìn)行計算。rte e2 1+ ln e 2 ? e1 e1 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》c6 型催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能分別為 e1=10000 千卡/公斤分子，e2=19000 千卡/公斤分子。最適宜溫度計算列于下表中： xp t t xp t t xp t t 0.9012 526 253 0.67 638.2 365.2 0.49 702.6 429.6 0.8737 546.8 273.8 0.64 649.4 376.4 0.45 716.6 443.6 0.8424 564.2 291.2 0.61 660.7 387.3 0.8074 581.5 308.5 0.58 671 398 0.7687 598.8 325.8 0.55 681.6 408.6 0.7058 624.5 351.5 0.52 692.6 419.6 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： 12 1 0.9 0.8 轉(zhuǎn)化率 xp 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 253 274 291 309 326 352 365 376 387 398 409 420 430 444 最適宜溫度線

溫度（℃）7．操作線計算 有中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知： 中變爐人口氣體溫度 中變爐出口氣體溫度 中變爐入口 co 變換率 中變爐出口 co 變換率 335℃ 415℃ 0 60% 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下： 70 60 50 40 30 20 10 0 330 415 溫度（℃）

轉(zhuǎn)化率 xp 操作線

8．中間冷淋過程的物料和熱量衡算： 此過程采用水來對變換氣進(jìn)行降溫。13 以知條件： 變換氣的流量：307.8koml 設(shè)冷淋水的流量：x kg 變換氣的溫度：415℃ 冷淋水的進(jìn)口溫度：20℃ 進(jìn)二段催化床層的溫度：353℃ 操作壓力：1750kp 熱量計算： 冷淋水吸 熱 q1： 據(jù) 冷淋水的 進(jìn)口溫 度 20℃查《 化工熱 力學(xué) 》可知 h1 =83.96kj/kg 根據(jù)《化工熱力學(xué)》可知 t/k 600 600 700 700 p/kpa 1600 1800 1600 1800 h/(kj/kg)3693.2 3691.7 3919.7 3918.5 冷淋水要升溫到 353℃，所以設(shè)在 353℃, 615k,1750kp 時的焓值為 h 對溫度進(jìn)行內(nèi)查法： 1600kpa 時(626-600)/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09 kj/kg 1800kpa 時(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)h=3750.668 kj/kg 對壓力用內(nèi)差法得 353℃，615k，1750kp 時的焓值 h 為：(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kj/kg q1= x(3813.244875-83.96)變換氣吸熱 q2 根據(jù)表 5-1.2 和表 5-1.3 的計算方法得： 物質(zhì) co co2 h2 h 2o n2 ch4 14 cp 31 48.2 29.6 37.2 30.7 56.1 所以 cpm= ∑yi*cp =33.92 kj/（kmol.℃）q2=308.53*33.92*(415-353)取熱損失為 0.04 q2 根據(jù)熱量平衡：0.96 q2= x(3751.0235-83.96)x=169.46kg=9.415koml=210.88 m3(標(biāo))所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分： 水的量為：210.88+1667.79=1878.67 m(標(biāo))組 分 含 量％ m3(標(biāo))koml co2 11.432 812.318 36.265 co 3.17 225.545 10.068 h2 43.01 3056.413 136.45 n2 15.68 1113.9 49.73 ch4 0.26 18.76 0.838 h 2o 26.44 1878.67 83.87 合計 100 7105.61 317.2 2 3 9．中變爐二段催化床層的物料衡算： 設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為 0.74（總轉(zhuǎn)化率）所以在二段 co 的變化量 563.86*0.74=417.26 m3(標(biāo))在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的 co 的量為： 225.545-（563.86-417.26）=78.94m3(標(biāo))=3.52koml 出中變爐二段催化床層的 co 的量為：225.545-78.94=146.605 m3(標(biāo))故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 co2 的量為： 812.318+78.94= 891.26m3(標(biāo))故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 h2 的量為： 3056.413+78.94= 3135.353m3(標(biāo))故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 h2o 的量為： 1878.67-78.94= 1799.73m3(標(biāo))所以出中變爐的濕組分： 組 分 含 量％ m3(標(biāo))co2 12.54 891.26 co 2.06 146.605 h2 44.125 3135.353 n2 15.67 4 0.26 18.76 h 2o 25.33 1799.73 合計 100 7105.15 9 koml 39.788 6.545 139.971 49.73 0.838 80.345 6 317.2 2 對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)：k=（h2％×co2％）/（h2o％×co％）計算得 k=10.6 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng) k=10.6 時 t=409℃ 設(shè)平均溫距為 48℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為： 409℃-44℃=365℃ 10.中變爐二段催化床層的熱量衡算： 以知條件：進(jìn)變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353℃ 出變爐二段催化床層的變換氣溫度為：365℃ 變換氣反應(yīng)放熱 q1: 計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，平均溫度為：632k, 計算結(jié)果如下： h2 組分 ht（kcal/kmol）2373.4 ht（kj/kmol）9936.95 放熱： h2o-54949.05-230060.69（1）=-38553.74846 kj/kg co-24005.565-100506.5 co2-90536.421-379057.89 co +h2o=co2+h2 △h1=（∑hi）始－（∑hi）末 q1=3.52*38553.74846=135580.683 kj/kg 氣體吸熱 q2： 根據(jù)《物理化學(xué)》知 co, h2, h2o, co2, n2，可用公式：cp=a+b+ct-2 來計算熱 容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）表 5-1.2 物質(zhì) a b/10-3 c/10-5 co 28.41 4.1-0.46 h2 h2o co2 n2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04-8.53 ch4 可用公式 cp=a+b+ct2+dt3 來計算熱容： 16 物質(zhì) ch4 計算結(jié)果： 組分 co cp 28.56 a 17.45 h2 29.25 b 60.46 co2 47.3 h2o 36.78 c 1.17 n2 30.31 d-7.2 ch4 53.72 cpm=∑yi*cp=33.61kj/（kmol.℃）q2=33.61*317.22*（365-353）=12789.1kj 熱損失： q3=q1-q2=7641.6 kj 17 第二節(jié)

1.已知條件： 進(jìn)低變爐的濕組分: 組 分 含 量％ 3 m(標(biāo))koml co2 12.54 891.26 39.788 co 2.06 146.605 6.545 低變爐的物料與熱量計算 h2 44.125 3135.353 139.971 n2 15.67 1113.9 49.73 ch4 0.26 18.76 0.838 h 2o 25.33 1799.73 80.345 合計 100 7105.6 317.2 2 進(jìn)低變爐的干組分：

組 分 含量％ m(標(biāo))koml 3 co2 16.79 891.26 39.788 co 2.76 146.605 6.545 h2 59.09 3135.353 139.971 n2 20.99 1113.9 49.72 ch4 0.35 18.76 0.838 合計 100 5305.91 236.87 2．低變爐的物料衡算： 要將 co％降到 0.2％（濕基）以下，則 co 的實際變換率為： x ％= ya ? ya′ ×100=90.11％ ya(1 + ya′)3 則反應(yīng)掉的 co 的量為：146.605×90.11％=132.11 m(標(biāo))=5.898 koml 出低溫變換爐 co 的量：146.605-132.11=14.495 m3(標(biāo))=0.64722koml 出低溫變換爐 h2 的量： 3135.353+132.11=3267.463 m3(標(biāo))=145.869 koml 出低溫變換爐 h2o 的量：1799.73-132.11=1667.62 m3(標(biāo))=74.45koml 出低溫變換爐 co2 的量: 891.26 +132.11=1023.37 m3(標(biāo))=45.68koml 出低變爐的濕組分：

組 分 含量％ m(標(biāo))koml 3 co2 14.4 1023.37 45.68 co 0.2 14.495 0.64722 h2 45.98 3267.463 145.869 n2 15.68 1113.9 49.72 ch4 0.26 18.76 0.838 h 2o 23.47 1667.62 74.45 合計 100 7105.62 317.22 出低變爐的干組分：

組 分 含量％ m(標(biāo))3 co2 18.82 1023.37 co 0.27 14.495 0.64722 h2 60.08 3267.463 n2 20.48 1113.9 ch4 0.35 18.76 合計 100 5437.99 koml 45.68 145.869 49.72 0.838 242.767 對出低變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算： 18 根據(jù)：k=（h2％×co2％）/（h2o％×co％）計算得 k=141.05 查《小合成氨廠工藝與設(shè)計手冊》知當(dāng) k=141.05 時 t=223℃ 設(shè)平均溫距為 20℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為： t=223-20=203℃ 3．低變爐的熱量衡算： 以知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為：181℃ 出低變爐催化床層的變換氣溫度為：203℃ 變換氣反應(yīng)放熱 q1: 在 203℃時，t=476k 計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，平均溫度為：476k, 計算結(jié)果如下： 組分 h2 ht kcal/kmol）1241.516（ht（kj/kmol）5197.977 放熱： h2o co co2-56347.304-25178.916-92311.594-2359149.084-105419.084-386490.181（1）=-39958.286 kj/kg co +h2o=co2+h2 △h1=（∑hi）始－（∑hi）末

q1=5.898*39958.286=235687.29 kj/kg 氣體吸熱 q2： 氣體吸熱時的平均溫度：（181+203）/2=191.5℃，t=464.5k 根據(jù)《物理化學(xué)》知 co, h2, h2o, co2, n2，可用公式：cp=a+b+ct-2 來計算熱 容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）表 5-1.2 物質(zhì) a b/10-3 c/10-5 co 28.41 4.1-0.46 h2 h2o co2 n2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04-8.53 ch4 可用公式 cp=a+b+ct2+dt3 來計算熱容： 19 表 5-1.3 物質(zhì) ch4 計算結(jié)果： 組分 cp co 30.1 h2 29.03 co2 44.39 h 2o 35.13 n2 29.85 ch4 45.05 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d-7.2 cpm=∑yi*cp=32.86kj/（kmol.℃）q2=33.61*317.22*（203-181）=230669.84kj 熱損失 q3=q1-q2=235687.29-230669.84=5017.45 kj 4．低變爐催化劑平衡曲線 根據(jù)公式 xp= v=kpab-cd q= u 2 ? 4wv u=kp（a+b）+（c+d）w=kp-1 u ?q ×100％ 2 aw 其中 a、b、c、d 分別代表 co、co2、co2 及 h2 的起始濃度 t t xp t t xp 160 433 0.9769 280 553 0.76 180 453 0.9623 200 473 0.9389 220 493 0.9121 240 513 0.8732 260 533 0.8229 低變爐催化劑平衡曲線如下：

1.2 1 轉(zhuǎn)化率 xp 0.8 0.6 0.4 0.2 0 160 180 200 220 240 溫度（℃）260 280 低變爐平衡曲線 20 5.最佳溫度曲線的計算 由于低變爐選用 b302 型催化劑。查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》b302 型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為 e1=43164kj/koml co 變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能 e2 為： e2-e1=r*(-△h)對于 co 變換反應(yīng) r=1，則 e2=(-△h)+ e1 △h 為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：（181+203）/2=192℃，t=465k co 的反應(yīng)式為： co +h2o=co2+h2 反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)，不同溫度下的反應(yīng)熱可以用以下公式計算： △h=-1000-0.291*t+2.845×10-3*t2-0.97.3×10-3t3 得：△h=-9422.62 kcal/kmol=-39450.653 kj/kmol e2 =39450.653+43164=82614.653 kj/kmol 6．最適宜溫度曲線 由式 tm= te 進(jìn)行計算 rte e2 1+ ln e 2 ? e1 e1 最適宜溫度計算列于下表中： xp t t xp t t 0.9769 402 129 0.76 510 237 0.9623 421 148 0.9389 440 167 0.9121 457 184 0.8732 475 201 0.8229 493 220 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： 21 1.2 1 轉(zhuǎn)化率 xp 0.8 0.6 0.4 0.2 0 129 148 167 184 201 220 237 溫度（℃）最適宜溫度曲線 22 第三節(jié)．廢熱鍋爐的熱量和物料計算

1．已知條件： 進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份： 組份 ％ m(標(biāo))koml 3 co2 7.54 474 co 8.97 h2 43.76 n2 17.72 ch4 0.29 o2 0.26 h2o 21.7 合計 100 563.87 2750.68 1113.9 18.76 16.29 1364.55 6285.75 0.838 0.728 60.917 280.614 21.161 25.173 122.798 49.73 進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：925℃ 出廢熱鍋爐的溫度為：335℃ 進(jìn)出設(shè)備的水溫：20℃ 出設(shè)備的水溫：335℃ 進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.3koml 進(jìn)出設(shè)備的水量：x koml 物量在設(shè)備里無物量的變化。2.熱量計算：（1）入熱： 水的帶入熱 q1 水在 20℃時 cp=33.52 kj/（kmol.℃）q1=x*（20+273）*33.52 =9821.36x 轉(zhuǎn)化氣的帶入熱 q2： 轉(zhuǎn)化氣在 925℃時 t=1193k 根據(jù)《物理化學(xué)》知 co, h2, h2o, co2, n2，可用公式：cp=a+b+ct-2 來計算熱容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）表 5-1.2 物質(zhì) a b/10-3 c/10-5 co 28.41 4.1-0.46 h2 h2o co2 n2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04-8.53 23 ch4 可用公式 cp=a+b+ct2+dt3 來計算熱容： 表 5-1.3 物質(zhì) ch4 計算結(jié)果： 組分 cp co 33.27 h2 31.2 co2 54.33 h2o 42.8 n2 32.96 ch4 78.94 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d-7.2 cpm=∑yi*cp=36.4kj/（kmol.℃）q2=36.4*280.62*（920+273）=12185577.7kj（2）出熱： 轉(zhuǎn)化氣的帶出熱：q3=32.66×280.62×（330+273）=5526711.3kj 轉(zhuǎn)化氣在 335℃時 t=608k-2 根據(jù)《物理化學(xué)》知 co, h2, h2o, co2, n2，可用公式：cp=a+b+ct 來計算熱

容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）表 5-1.2 物質(zhì) a b/10-3 c/10-5 計算結(jié)果： 組分 cp co 30.76 h2 29.38 co2 47.25 h 2o 36.55 n2 30.44 ch4 52.73 co 28.41 4.1-0.46 h2 h2o co2 n2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04-8.53 cpm=∑yi*cp=32.66kj/（kmol.℃）q3=32.66*280.62*（330+273）=5526711.265kj 水的帶出熱 q4: 水在 335℃，t=603k 時的熱容為：cp=36.55 kj/（kmol.℃）q4=x*36.55*（330+273）=22039.65x 熱損失 q5: q5=0.04*(q1+ q2)熱量平衡： 24 0.96*(q1+ q2)= q3+ q4 0.96（9821.36x +12185577.7）=22039.65x+5526711.265 x=489.365koml 3.水蒸汽的加入： 要使 h2o/co=3.5 還要加入的水量為：（1973.52-1364.55）÷22.4=27.187koml 25 第四節(jié)

1.已知條件：

主換熱器的物料與熱量的計算

進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量：190.33koml 進(jìn)出設(shè)備的水的量：xkoml 物料的量在設(shè)備中無變化。溫度： 變換氣進(jìn)設(shè)備的溫度：365℃ 變換氣出設(shè)備的溫度：250℃ 水進(jìn)設(shè)備的溫度： 水出設(shè)備的溫度： 2.熱量計算：（1）入熱： 變換氣帶入熱:q1 變換氣在 365℃時根據(jù) 《物理化學(xué)》 co, h2, h2o, co2, n2，知 可用公式： cp=a+b+ct-2 來計算熱容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）表 5-1.2 物質(zhì) a b/10-3 c/10-5 co 28.41 4.1-0.46 h2 h2o co2 20℃ 90℃

n2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04-8.53 ch4 可用公式 cp=a+b+ct2+dt3 來計算熱容： 表 5-1.3 物質(zhì) ch4 計算結(jié)果： 組分 cp co 33.27 h2 31.2 co2 54.33 h 2o 42.8 n2 32.96 ch4 78.94 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d-7.2 cpm=∑yi*cp=33.94kj/（kmol.℃）q1=317.22*33.94*（365+273）=6868920.88kj 26 水的帶入熱 q2: 水在 20℃時 cp=33.52 kj/（kmol.℃）q2=x*(20+273)*33.52=9821.36*x 出熱： 變換氣在出口溫度為 250℃，t=523k 時根據(jù)《物理化學(xué)》知 co, h2, h2o, co2, n2，可用公式：cp=a+b+ct 來計算熱容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）表 5-1.2 物質(zhì) a b/10-3 c/10-5 co 28.41 4.1-0.46 h2 h2o co2-2 n2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04-8.53 ch4 可用公式 cp=a+b+ct2+dt3 來計算熱容： 表 5-1.3 物質(zhì) ch4 計算結(jié)果： 組分 cp co 33.27 h2 31.2 co2 54.33 h 2o 42.8 n2 32.96 ch4 78.94 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d-7.2 cpm=∑yi*cp=33.14kj/（kmol.℃）q3=33.14*523*317.22=5498069.055kj 水的帶出熱 q4: 水在 90℃時 cp=34.14 kj/（kmol.℃）q4=x*34.14*(90+273)=12392.82*x 熱損失 q5:取 0.04q 根據(jù)熱量平衡： 0.96*（q1+q2）=q3+q4 x=371.93koml 27 第五節(jié)

1.已知條件： 入設(shè)備的變換氣溫度：250℃ 出設(shè)備的變換氣溫度：181℃

調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算

進(jìn)設(shè)備的濕變換氣的量：190.33koml 變換氣帶入的熱量：q1=3298841.433kj 變換氣帶出的熱 q2： 變換氣在 181℃時 t=454k 時根據(jù)《物理化學(xué)》知 co, h2, h2o, co2, n2，可用公 式：cp=a+b+ct-2 來計算熱容。熱容的單位為 kj/（kmol.℃）表 5-1.2 物質(zhì) a b/10-3 c/10-5 co 28.41 4.1-0.46 2 3 h2 h2o co2 n2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04-8.53 ch4 可用公式 cp=a+b+ct +dt 來計算熱容： 表 5-1.3 物質(zhì) ch4 計算結(jié)果： 組分 cp co 33.27 h2 31.2 co2 54.33 h 2o 42.8 n2 32.96 ch4 78.94 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d-7.2 cpm=∑yi*cp=32.62kj/（kmol.℃）q2=190.33*32.62*454=2835274.946kj 設(shè)備及管道損失取：0.04q1 變換氣放出的熱量： q=q1-q2-q3=331612.83kj 28 第二章

1.低溫變換爐計算

設(shè)備的計算 1.1 已知條件：平均操作壓力 0.83mpa.氣體進(jìn)口溫度 氣體出口溫度 氣體流量（干）濕氣流量 220℃ 6.313×3556.288=22450.85nm /h 6.313×4707.66=29719.45 nm3/h 3 180℃

進(jìn)低變爐催化劑氣體（干）組分 組 分 含 量％ co2 16.79 co 2.76 h2 59.09 n2 20.99 co%=0.27% ch4 0.35 合計 100 低變爐出口干氣中 co 含量： 入催化劑蒸汽比 1.2 催化劑用量計算 b302 r=0.2445 型 低 變 催 化 劑 的 宏 觀 動 力 學(xué) 方 程 為 ：

? 1.0351 × 10 4 ? ?0 ? ? y0.6 co y h 2o y co.3 y h02.8(1r=1822exp ? 2 ? ? rt ? ? yco2 yh 2)ycoyh 2 o 根據(jù)低變催化劑的選用原則，故選 b302 型國產(chǎn)低變催化劑，當(dāng)變換氣中 co（干）為 0.27%時，計算得催化劑床層空速為 2120（標(biāo)）/（m ．h）． 對于 b204 因動力學(xué)方程式中催化劑按體積計,計算出的催化劑床層空速 是以體積為單位的“空速”.22450.85 3 = 因此,催化劑理論用量：v 低 2120 = 10.59m 在采用中變串低變的流程中，低變催化劑條件較好，故可以不考慮催化劑備用 系數(shù)。1.3 催化劑床層直徑計算 設(shè)計要求催化劑層總阻力＜690kpa（即 700mmh2o）, 催化劑層阻力降采用式（4-6-16）試算 δp=2.1× 10 ?6 1.9 1 ? e × 3 l r.d 1.1 e p 29 b302 為非球形催化劑，粒度為 5×4.5±0.5，取其平均值為 5×4.25=21.25，即轉(zhuǎn)化為球形粒徑，即φ4.6mm，dp=4.6mm=0.0046m 設(shè)催化劑床層直徑為 2.5m, 則： e=0.378+0.308 dp d = 0.378 + 0.308 × 0.0046 = 0.3786 2.5 1.31 催化劑床層阻力 氣體平均分子量 m=14.7 氣體在進(jìn)入低變催化劑層中的重度γ γ= 14.70 =2.968kg/m3 273 + 200 1 22.4 × × 273 8.5 式中：200 為氣體的平均溫度值 氣體質(zhì)量流量 g= 22450.85 × 14.7 1 × =3001.45kg/(m2.h)3.14 22.4 2 ×(2.5)4 1.3.2 催化劑層高 l= 10.59 =2.16 m π 2 × 2.5 4 8 所以：δp= 2.1 × 10 × 2.968 ×(0.0046)1.5 × 3001.451.9 1.1 ×

? 0.3786(0.3786)3 × 2.16 =396kgf/m2=3.96kpa(396mmh2o)計算結(jié)果符合要求δp＜6.90kpa,故取催化劑直徑 2.5m 2.中變廢熱鍋爐

取中變廢熱鍋爐入口熱水溫度為 80℃,假定出口熱水溫度為 150℃,查飽和 水蒸氣表得 150℃時的焓值 ih2o=632.20kj/㎏, ih2o(g)=2750.7 kj/㎏,汽化熱 為 2115.5 kj/㎏ 2.1 已知條件: 氣體流量及組成(不考慮水蒸氣冷凝量)進(jìn)氣流量:6.323×10.16=1326.74kmol/h 出氣流量:6.323×10.16=1326.74 kmol/h 30 氣體組成: 同中變氣體出口組成(略)操作狀況: 操作狀況 中 變 氣 熱 水 換熱器熱負(fù)荷: 擬采用單程換熱器,并使熱氣體走管內(nèi),冷氣體走管間,故以熱氣體放出熱量 為計算熱負(fù)荷: q=6.313×(q 放-q 損)=6.313×(998423.71-35620)=6080452.43kj/h 2.2 設(shè)備直徑與列管數(shù)量確定: 為使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,減少熱量損失,提高單位面積換熱能力,擬采用φ25× 2.5 小列管,單程結(jié)構(gòu),并使熱氣體走管內(nèi),冷氣體走管程.列管數(shù)量估算: 管內(nèi)氣體重量流量為: g=14.77×210.16×6.313=19595.95kg/h 為使管內(nèi)雷諾準(zhǔn)數(shù)大于 10000，估計重量流速為 25kg/(m2.s),則需要列管 數(shù)為：n= 19595.95 = 693(根)∏ 2 25 × × 0.02 × 3600 4 m =14.77 進(jìn)口溫度℃ 430 80 出口溫度℃ 280 150 操作壓 1.2mpa 蒸汽壓

管板直徑估算： 采用正六角形排列，取充填系數(shù)η=0.9，管間距取 t=19mm.d=1.05t n η

=1.05×30 693 =927.12mm 0.8 設(shè)備規(guī)格選定： 中變廢熱鍋爐內(nèi)徑取 940mm,列管φ25×2.5，采用正六角形排列，管間距 取 30mm, 管壁與殼壁凈距不小于 15mm。共排 13 層（553 根）每個弓形內(nèi)布 23 孔，扣除拉桿 6 孔得：n=553+6×23-6=685 根 2.3 傳熱系數(shù)計算

管內(nèi)給熱系數(shù)計算： 31 管內(nèi)給熱系數(shù)按下式計算：α內(nèi)=0.023 430 + 280 = 355 ℃ 管內(nèi)氣體平均溫度 2 cm=2.9356kj/(㎏.k)λ d re0.8pr0.4 按溫度 355℃及壓力 0.75mpa 壓力確定物性參數(shù)為： μm=1.2965×10-5pa.s λm=0.1792w/(m.k)所以：re=g.d/μm.f= pr= /λm= 19595.59 × 0.02 × 4 =22666.07 4.666 × 10 ? 2 × 685 × 0.02 2 × 3.14 4.666 × 10 ?2 × 0.701 = 0.2119 0.1543 α內(nèi) = 0.1543 × 0.023 × 22666.07 0.8 × 0.2119 0.4 =290.95cal/(m2.h.℃)=338.37 0.02 =338.37w/（m2.k）

管間給熱系數(shù)計算： 管間裝方形擋板 r=0.47m,方形板開口高度取直徑的 40%，即 h′=0.376m, 板間距取 0.32m,此時流體橫過管束的流道截面積： 25 ? s1=hd(1-d0/t)=0.32×0.94 ?1 ? ? =0.0501m2 ? 30 ? 擋板開口方向截面積：sa= π /180r2cos-1(= π /180×0.472cos-1（0.47 ? 0.376）-（0.47-0.376）× 0.47 r ? h')-(r-h’)(dh’-h’2)0.5 r 0.94 × 0.376 ? 0.376 2 =0.2682m2 開口弓形面積減去列管所占面積：

2 ? ? ? d0 ? ? ? 25 ? ? s2=sa= ?1 ? 0.91? ? ? =0.2682× ?1 ? 0.91? ? ? =0.0987 m 2 ? 30 ? ? ? t ? ? ? ? ? ? ? ? 平均流通截面積：sm= s1 s 2 = 0.0501 × 0.0987 =0.0703 m 2 殼程熱水在壓力 1.2mpa,溫度 t = ch2o=4.249kj/(㎏.℃)80 + 150 =115℃時水的物性參數(shù)： 2 μ=24.81×10-5pa.s 32 λ=68.56×10-2w/（m.℃）管間給熱系數(shù)按下式計算 α 外=λm/de×1.72de0.6(d0g/μ msm)0.6(cm μ m/λm)1/3(μ m/μ w)0.14 式中: d 2 ? nd 02 0.94 2 ? 685 × 0.025 2 de= = =0.0252m d + nd 0 0.94 + 685 × 0.025 d0g/μmsm= 0.025 × 19595.95 =7799.26 89.3506 × 10 ? 2 × 0.0703 d0g/μmsm=(0.014×754.959×8.7771)/(0.06414×0.09992)=14475.08 cm μ m λm = 1.014 × 89.3056 ?2 =1.5388 0.5904 略去流體由于蒸汽的存在而對熱水的物性參數(shù)如粘度的影響，則： α外=1.72×

0.5904 × 0.0252 0.6 × 7799.26 0.6 × 1.53881 / 3 =1114.65cal/(m2.h.℃)0.025 總傳熱系數(shù)計算 以管外表面計的總傳熱系數(shù)為： k0= 1 1 α外 + r0 + d δd 0 1 d0 + ri 0 + × λd m d i α內(nèi) d i 列管平均直徑： d m = 0.025 ? 0.02 =0.0224m 0.025 ln 0.02 列管導(dǎo)熱系數(shù)λ=30cal/(m.h.℃)垢層熱阻 r0 = ri =0.003 m 2.h.℃/kcal 所以： k 0 = 1 1 0.002 25 25 1 25 + 0.003 + × + 0.003 × + × 1114.65 30 22.4 20 338.37 20 =87.6kcal/(m 2.h.℃)平均溫度差計算： δt m =(430 ? 150)?(280 ? 80)=237.36℃ ln 430 ? 150 280 ? 80 33 換熱面積計算：

f0 = q 6080452.43 = =69.96 k?t m 4.18 × 237.36 × 87.6 取備用系數(shù) 1.3，則 f′=90.95m 列管長度計算 l= 90.95 =1.70m 685 × 0.025 × ∏

考慮管板、擋板所占長度及定管尺長，實取 l=2.0m 34 主要設(shè)備一覽表

序號 名稱 1 位號 臺 型號，規(guī)格 數(shù) 1 材質(zhì)：12crmo 操作溫度≤450° 操 作 壓 力 ≤ 1.74mpa 1 u 型換熱器，列管： φ25×2 1 1 工作壓力：1.7mpa 工作溫度：180℃ 材質(zhì)：16mnr 操作溫度≤260℃ 操 作 壓 力 ≤ 1.69mpa 型號：dg25-50× 10 中 溫 d203 變 換 爐 中 換 器 淬 器 低 變 爐 變 c202 熱 冷 f202 溫 d205 換 2 3 4 5 中 變 c201 廢 熱 鍋 爐 1 35 1

年產(chǎn)30萬噸合成氨生產(chǎn)工藝設(shè)計 50萬噸合成氨工藝設(shè)計方案篇二

化工設(shè)計

課程設(shè)計任務(wù)書

（年產(chǎn)20萬噸天然氣合成氨合成段的工藝設(shè)計）

塔里木大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 化學(xué)化工系

塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 二ｏ一二年十二月

年產(chǎn)20萬噸天然氣合成氨合成段的工藝設(shè)計任務(wù)書

一、設(shè)計項目：年產(chǎn)20萬噸天然氣合成氨合成段的工藝設(shè)計

二、設(shè)計規(guī)模：20萬噸/年，年生產(chǎn)時間：330

三、設(shè)計階段：初步設(shè)計

四、設(shè)計條件與要求

1、合成塔進(jìn)口氣體組成（v%）

nh3：2.26%

h2：58.79%

n2：19.55% ch4：17.49%

ar：1.91%

2、合成塔出口氣體nh3含量：17.8%

3、水冷器出口溫度：35℃

4、合成塔操作壓力：30.0mpa

五、設(shè)計要求和工作量

完成設(shè)計報告一份

六、設(shè)計主要內(nèi)容

1、工藝流程設(shè)計

2、物料衡算

3、熱量衡算

4、主要設(shè)備工藝設(shè)計與選型化工設(shè)計報告

（大體章節(jié)要求）摘

要

第一章

前言

第二章

天然氣合成氨簡介 第三章

合成氨工藝論證 第四章

工藝計算 4.1物料衡算

4.2能量衡算

第五章

主要設(shè)備的工藝計算及選型

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表 第六章

設(shè)計小結(jié) 參考文獻(xiàn)

七、設(shè)計主要參考文獻(xiàn)

《化工原理》；《化工產(chǎn)品手冊》；《化工工藝設(shè)計手冊》；《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》；《氮肥工藝設(shè)計手冊》；《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》；《合成氨》；《無機(jī)化工生產(chǎn)技術(shù)》等

八、設(shè)計時間：2023.12.18-2023.12.24

年產(chǎn)30萬噸合成氨生產(chǎn)工藝設(shè)計 50萬噸合成氨工藝設(shè)計方案篇三

化工工藝設(shè)計 課 程 設(shè) 計 年產(chǎn)3.5萬噸丙烯腈合成工段工藝設(shè)計 年 級 2023 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 設(shè)計成績 完成日期 2023 年 月 日 《課程設(shè)計》成績評定欄 評定基元 評審要素 評審內(nèi)涵 分值 評分 簽名欄 設(shè)計說明，50% 格式規(guī)范 內(nèi)容完整 格式是否規(guī)范 10 評閱教師簽名 內(nèi)容是否完整 10 工藝計算 正確、完整和規(guī)范 物料恒算 10 熱量衡算 10 設(shè)備設(shè)計和選型 10 設(shè)計圖紙，40% 圖紙規(guī)范 標(biāo)注清晰 方案流程圖 10 評閱教師簽名 工藝物料流程圖 10 帶控制點的工藝流程圖 20 平時成績，10% 上課出勤 上課出勤考核 5 指導(dǎo)教師簽名 制圖出勤 制圖出勤考核 5 合計 100化工工藝設(shè)計 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)（班級）設(shè)計題目 年產(chǎn) 3.5 萬噸丙烯腈合成工段工藝設(shè)計 設(shè) 計 技 術(shù) 參 數(shù) 1.生產(chǎn)能力：

35000 噸/年 2.原料：丙烯85%，丙烷15%（摩爾分率）；

液氨100% 3.產(chǎn)品：1.8%（wt）丙烯腈水溶液 4.生產(chǎn)方法：丙烯氨氧化法 5.丙烯腈損失率：3% 6.設(shè)計裕量：6% 7.年操作日：300天 設(shè) 計 要 求 1.確定設(shè)計方案，并畫出流程框圖（要求見4（1））；

2.物料衡算，熱量衡算

3.主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算 4.繪圖要求：（1）流程框圖（cad或者ppt繪，截圖在方案設(shè)計中）；

（2）方案流程圖（cad或手繪，a3圖紙）；

（3）工藝物料流程圖（帶物料表，cad或手繪，a3圖紙）；

（4）制帶控制點的工藝流程圖（cad或手繪，a3圖紙）；

5.編寫設(shè)計說明書

工 作 量 1.設(shè)計計算：1.5周 2.工藝流程圖與設(shè)計說明書：1周 3.答辯：0.5周 工 作 計 劃 第一周：物料衡算、熱量衡算及主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算 第二周：畫圖，撰寫設(shè)計說明書，第三周：答辯 參 考 資 料 《化工工藝設(shè)計手冊》第四版(上下冊)，中國石化集團(tuán)上海工程有限公司編，化學(xué)工業(yè)出版社，2009年 《化學(xué)化工物性參數(shù)手冊》，青島化工學(xué)院等編，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年 第一部分 概述 1.1 丙烯腈的性質(zhì) 1.1.1 丙烯腈的物理性質(zhì) 丙烯腈是一種非常重要的有機(jī)化工原料，在合成纖維、樹脂、橡膠急膠粘劑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。丙烯腈，英文名acrylonifrile（簡稱為acn），化學(xué)分子式：ch2=ch-cn；

分子量：53.1。丙烯腈在常溫下是無色或淡黃色液體，劇毒，有特殊氣味；

可溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇等有機(jī)溶劑；

與水互溶，溶解度見表1-1。丙烯腈在室內(nèi)允許濃度為0.002mg/l，在空中的爆炸極限為3.05~17.5%（體積）。因此，在生產(chǎn)、貯存和運(yùn)輸中，必須有嚴(yán)格的安全防護(hù)措施。

丙烯腈和水、苯、四氯化碳、甲醇、異丙醇等會成二元共沸混合物，和水的共沸點為 71℃，共沸點中丙烯腈的含量為88%（質(zhì)量），在有苯乙烯存在下，還能形成丙烯腈—苯乙烯—水三元共沸混合物。丙烯腈的主要物理性質(zhì)見表1-2。

表 1-1 丙烯腈與水的相互溶解度 溫度/℃ 水在丙烯腈中的溶解度（質(zhì)量）/% 丙烯腈在水中的溶解度（質(zhì)量）/% 0 2.10 7.15 10 2.55 7.17 20 3.08 7.30 30 3.82 7.51 40 4.85 7.90 50 6.15 8.41 60 7.65 9.10 70 9.21 9.90 80 10.95 11.10 表 1-2 丙烯腈的主要物理性質(zhì) 性質(zhì) 指標(biāo) 性質(zhì) 指標(biāo) 性質(zhì) 指標(biāo) 沸點(101.3kpa)78.5℃ 燃點/℃ 481 蒸汽壓/kpa 熔點/℃ —82.0 比熱容/-1.k-1 20.92±0.03 8.7℃時 6.67 相對密度(d426)0.0806 蒸發(fā)潛熱(0~77℃)32.6kj/mol 45.5℃時 33.33 粘度(25℃)0.34 生成熱(25℃)151kj/mol 77.3℃時 101.32 折射率(nd25)1.3888 燃燒熱 1761kj/mol 臨界溫度 246℃ 閃點/℃ 0 聚合熱(25℃)72 kj/mol 臨界壓力 3.42mpa 1.1.2 丙烯腈的化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 丙烯腈分子中含有雙鍵及氰基（-cn），其化學(xué)性質(zhì)非常活潑，可以發(fā)生加成、聚合、水解、醇解、腈基及氫乙基化等反應(yīng)。

聚合反應(yīng)和加成反應(yīng)都發(fā)生在丙烯腈的 c=c 雙鍵上，純丙烯腈在光的作用下能自行聚合，所以在丙烯腈成品及丙烯腈生產(chǎn)過程中，通常要加少量阻聚劑，如對苯酚甲基醚（阻聚劑mehq）、對苯二酚、氯化亞銅和胺類化合物等。除自聚外，丙烯腈還能與苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯、氯乙烯、丙烯酰胺等中的一種或幾種發(fā)生共聚反應(yīng)，由此可制得合成纖維、塑料、涂料和粘合劑等。丙烯腈經(jīng)電解加氫偶聯(lián)反應(yīng)可以制得已二腈。氰基反應(yīng)包括水合反應(yīng)、水解反應(yīng)、醇解反應(yīng)等，丙烯腈和水在銅催化劑存在下，可以水合制取丙烯酰胺。

氰乙基化反應(yīng)是丙烯腈與醇、硫醇、胺、氨、酰胺、醛、酮等反應(yīng)；

丙烯腈和醇反應(yīng)可制取烷氧基丙胺，烷氧基丙胺是液體染料的分散劑、抗靜電劑、纖維處理劑、表面活性劑、醫(yī)藥等的原料。丙烯腈與氨反應(yīng)可制得1，3 丙二胺，該產(chǎn)物可用作紡織溶劑、聚氨酯溶劑和催化劑。

丙烯腈主要用來生產(chǎn) abs 樹脂，丙烯酰胺、丙烯酸纖維、己二睛和苯乙烯-己二睛樹脂等，目前國內(nèi)供不應(yīng)求，每年需大量進(jìn)口來滿足市場需求，2000 年進(jìn)口量超過150kt。

1.2丙烯腈的生產(chǎn)狀況

1.2.1世界丙烯腈生產(chǎn)與消費(fèi)概況 全世界丙烯腈的生產(chǎn)主要集中在美國、西歐和日本等國家和地區(qū)。全世界1999年丙烯腈總生產(chǎn)能力為，523.3萬t(見表1-3)。美國、日、西歐丙烯腈生產(chǎn)能力合計為357萬t，占世界總能力的66.9％。1999年世界丙烯腈需求量為480萬t，產(chǎn)量470萬t。

預(yù)計到2000年，世界丙烯腈總生產(chǎn)能力將達(dá)到585萬t，產(chǎn)量及消費(fèi)量將達(dá)到507萬t。其中用于腈綸的消費(fèi)量為275萬t，用于abs、as為126萬t，其它106萬t(見表1-4)。今年臺塑公司4月和年末各有10萬t/a裝置投產(chǎn)、美國solutia公司8月25萬t/a裝置建成，還會增加45萬t生產(chǎn)能力。2000年是日本旭化成、三菱化學(xué)和韓國東西石油化學(xué)、泰光產(chǎn)業(yè)等公司的定期檢修年，這會緩和對新增能力投產(chǎn)的沖擊。

表1-3 1999年世界丙烯腈生產(chǎn)能力(萬t/a)國家和地區(qū) 生產(chǎn)能力 國家和地區(qū) 生產(chǎn)能力 美國 164.2 土耳其 9.0 德國 44 巴西 9.0 意大利 19 南非 7.5 荷蘭 18.5 印度 3.0 西班牙 11.5 羅馬尼亞 8.0 英國 28.0 保加利亞 4.5 墨西哥 16.5 日本 71.8 韓國 37 俄羅斯 24 中國(總計)38.8 中國臺灣省 18.0 合計 532.3 表1-4 世界丙烯腈消費(fèi)結(jié)構(gòu)(萬t)年份 1995 1996 1997 1998 2000 生產(chǎn)能力 463 508 533 545 585 產(chǎn)量 415 437 451 469 507 消費(fèi)量 415 437 451 469 507 腈綸 231 244 251 260 275 abs/as 100 107 110 115 126 其它 84 86 90 94 106 開工率(％)90 86 85 86 87 1.2.2國內(nèi)生產(chǎn)概況 我國內(nèi)烯腈生產(chǎn)起步于1968年。八十年代開始，我國丙烯腈工業(yè)發(fā)展很快，從國外引進(jìn)技術(shù)目前正在運(yùn)行的生產(chǎn)裝置有9套(包括中國臺灣省), 總生產(chǎn)能力為58.8萬t，加上采用國內(nèi)技術(shù)的生產(chǎn)裝置，總生產(chǎn)能力為59.3萬t。正在計劃建設(shè)的生產(chǎn)裝置有上海石化公司25萬t／a，金陵石化公司6.6萬t／a。另外，有不少裝置也準(zhǔn)備將其生產(chǎn)能力擴(kuò)大。到2000年，我國丙烯腈總生產(chǎn)能力可達(dá)80多萬t，其中中國大陸丙烯腈生產(chǎn)能力可達(dá)42萬～45萬t/a，臺灣省丙烯脂生產(chǎn)能力為38萬t/a。

這樣，我國2000年丙烯腈總生產(chǎn)能力將居世界第二位，而僅次于美國。我國丙烯腈生產(chǎn)能力。見表1-5。

表1-5 我國丙烯腈生產(chǎn)能力(萬t/a)生產(chǎn)廠家 生產(chǎn)能力 采用技術(shù) 備 注 上海石化股份有限公司 5 bp技術(shù) 實際可達(dá)到7 大慶石化總廠化工一廠 6 bp技術(shù) 大慶油田聚合物廠 6 bp技術(shù) 齊魯石化公司丙烯腈廠 4 bp技術(shù) 齊魯石化公司齊勝化工廠 0.5 國內(nèi)技術(shù) 蘭化公司石化廠 3.2 bp技術(shù) 撫順石化公司腈綸廠 5 bp技術(shù) 計劃擴(kuò)展7 吉化公司化肥廠 6.6 bp技術(shù) 安慶石化公司腈綸廠 5 bp技術(shù) 臺灣cpdc公司 18 bp技術(shù) 合計 59.3 1.3我國丙烯腈發(fā)展方向 1.4丙烯氨氧化的原理 1.4.1化學(xué)反應(yīng) 在工業(yè)生產(chǎn)條件下,丙烯氨氧化反應(yīng)是一個非均相催化氧化反應(yīng): 與此同時,在催化劑表面還發(fā)生如下一系列主要的副反應(yīng)。（1）生成乙腈(acn)：

（2）生成氫氰酸(hcn)。（3）生成丙烯醛。(4)生成二氧化碳。 上述副反應(yīng)中,生成乙腈和氫氰酸的反應(yīng)是主要的。co2、co和h2o可以由丙烯直接氧化得到,也可以由丙烯腈、乙腈等再次氧化得到。除上述副反應(yīng)外,還有生成微量丙酮、丙腈、丙烯酸和乙酸等副反應(yīng)。

1.4.2

催化劑 丙烯氨氧化所采用的催化劑主要有兩類,即mo系和sb系催化劑。

（1）mo系催化劑工業(yè)上最早使用的是p-mo-bi-o(c-a)催化劑,其代表組成為pbi9mo12o52。的作用是奪取丙烯中的氫,mo的作用是往丙烯中引入氧或氨。因而是一個雙功能催化劑。p是助催化劑,起提高催化劑選擇性的作用。這種催化劑要求的反應(yīng)溫度較高(460～490℃),丙烯腈收率60%左右。由于在原料氣中需配入大量水蒸氣,約為丙烯量的3倍(mol),在反應(yīng)溫度下mo和bi因揮發(fā)損失嚴(yán)重,催化劑容易失活,而且不易再生,壽命較短,只在工業(yè)裝置上使用了不足10年就被c-21、c-41等代替。

（2）sb系催化劑sb系催化劑在60年代中期用于工業(yè)生產(chǎn),有sb-u-o、sb-sn-o和sb-fe-o等。初期使用的sb-u-o催化劑活性很好,丙烯轉(zhuǎn)化率和丙烯腈收率都較高,但由于具有放射性,廢催化劑處理困難,使用幾年后已不采用。sb-fe-o催化劑由日本化學(xué)公司開發(fā)成功,即牌號為nb-733a和nb-733b催化劑。據(jù)文獻(xiàn)報道,催化劑中fe/sb比為1∶1(mol),x光衍射測試表明,催化劑的主體是fesbo4,還有少量的sb2o4。工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果表明,丙烯腈收率達(dá)75%左右,副產(chǎn)乙腈生成量甚少,價格也比較便宜,添加v、mo、w等可改善該催化劑的耐還原性。

1.4.3

反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué) 丙烯氨氧化生成丙烯腈的反應(yīng)機(jī)理,目前主要有兩種觀點。

可簡單地用下式表示。

第二部分 生產(chǎn)方案選擇 第三部分 工藝流程設(shè)計 3.1 丙烯腈工藝流程示意圖 3.2小時生產(chǎn)能力 按年工作日300天，丙烯腈損失率3%，設(shè)計裕量為6%，年產(chǎn)量為3.5萬噸計算，則每天每小時產(chǎn)量：

第四部分 物料衡算和熱量衡算 4.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算 4.1.1計算依據(jù)（1）丙烯腈產(chǎn)量 5307.36kg/h，即f=100.03kmol/h（2）原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)）丙烯（c3h6）85%，丙烷（c3h8）15%（3）進(jìn)反應(yīng)器的原料配比（摩爾分?jǐn)?shù)）為 c3h6:nh3:o2:h2o=1:1.05:23:3 反應(yīng)后各產(chǎn)物的單程收率為：

物質(zhì) 丙烯腈（an）氰化氫（hcn）乙腈（can）丙烯醛（acl）co2 摩爾收率 0.6 0.065 0.07 0.007 0.12（4）操作壓力 進(jìn)口：0.203mpa，出口：0.162mpa（5）反應(yīng)器進(jìn)口氣體溫度110℃，反應(yīng)溫度470℃，出口氣體溫度360℃ 4.1.2 物料衡算（1）反應(yīng)器進(jìn)口原料氣中各組分的流量 c3h6: c3h8：

nh3：

o2：

h2o：

n2：

（2）反應(yīng)器出口混合氣中各組分的流量 丙烯腈：5307.36kg/h f=100.03kmol/h 乙腈 ：

丙烯醛：

co2：

hcn：

c3h8：

n2：

o2：

c3h6：

nh3：

h2o：

（3）：反應(yīng)器物料平衡表 流量和組成 組分 反應(yīng)器進(jìn)口 反應(yīng)器出口 kmol/h kg/h %(mol)%(wt)kmol/h kg/h %(mol)%(wt)c3h6 166.72 7002.10 6.18 9.60 23.02 966.98 0.83 1.32 c3h8 29.42 1294.53 1.09 1.78 29.42 1294.53 1.06 1.78 nh3 175.06 2975.95 6.49 4.08 25.01 425.17 0.90 0.58 o2 383.46 12270.59 14.22 16.82 92.20 2950.40 3.31 4.05 n2 1442.54 40391.12 53.48 55.38 1442.54 40391.12 51.79 55.37 h2o 500.16 9002.88 18.54 12.34 961.48 17306.64 34.52 23.73 丙烯腈（an）0 0 0 0 100.03 5307.36 3.59 7.28 乙腈（acn）0 0 0 0 17.51 717.77 0.63 0.98 氰化氫（hcn）0 0 0 0 32.51 877.78 1.17 1.20 丙烯醛（acl）0 0 0 0 1.17 65.53 0.04 0.09 co2 0 0 0 0 60.02 2640.84 2.16 3.62 合計 2697.36 72937.17 100 100 2784.91 72944.12 100 100 4.1.3 熱量衡算 查閱相關(guān)資料獲得各物質(zhì)各物質(zhì)0～110℃、0～360℃、0～470℃的平均定壓比熱容 物質(zhì) c3h6 h2o an hcn acn acl 0~110℃ 1.841 2.05 2.301 0.941 1.046 1.8830~360℃ 2.678 3.013 2.636 1.004 1.088 2.008 1.874 1.640 1.933 1.966 1.130 0~470℃ 2.929 3.347 2.939 1.046 1.109 2.092 2.029 1.724 2.10 2.172 1.213（1）濃相段熱衡算求濃相段換熱裝置的熱負(fù)荷及產(chǎn)生蒸汽量 110℃，反應(yīng)器入口混合氣 470℃，濃相段出口混合氣 25℃，反應(yīng)器入口混合氣 25℃，濃相段出口混合氣 假設(shè)如下熱力學(xué)途徑：

各物質(zhì)25~t℃平均比熱容用0~t℃的平均比熱容代替，誤差不大 因此: 若熱損失取 的5%，則需有濃相段換熱裝置取出的熱量（即換熱裝置的熱負(fù)荷）為：

濃相段換熱裝置產(chǎn)生0.405mpa 的飽和蒸汽（飽和溫度143℃）143℃飽和蒸汽焓：

143℃飽和水焓：

所以：

（2）稀相段熱衡算求稀相段換熱裝置的熱負(fù)荷及產(chǎn)生蒸汽量 以0℃氣體為衡算基準(zhǔn) 進(jìn)入稀相段的氣體帶入熱為：

離開稀相段的氣體帶出熱為：

熱損失取4%，則稀相段換熱裝置的熱負(fù)荷為：

稀相段換熱裝置產(chǎn)生0.405 的飽和蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽量為：

4.2空氣飽和塔的物料衡算和熱量衡算 4.2.1計算依據(jù)(1)入塔空氣壓力0.263mpa，出塔空氣壓力0.243mpa(2)空壓機(jī)入口空氣溫度30℃，相對溫度80％，空壓機(jī)出口氣體溫度170℃(3)飽和塔氣、液比為152.4(體積比)，飽和度0.81(4)塔頂噴淋液為乙腈解吸塔釜液，溫度105℃，組成如下: 組分 an acn 氰醇 acl 水 合計 %（wt）0.005 0.008 0.0005 0.0002 99.986 100(5)塔頂出口濕空氣的成分和量按反應(yīng)器入口氣體的要求為: o2：383.46kmol/h，即12270.59kg/h n2：1442.54 kmol/h，即40391.12 kg/h h2o：500.16kmol/h，即9002.88 kg/h 4.2.2物料衡算（1）進(jìn)塔空氣量 查得30℃，相對濕度80%時空氣溫含量為0.022kg水氣/kg干空氣．因此，進(jìn)塔空氣帶入的水蒸氣量為：

（2）進(jìn)塔熱水量 氣、液比為152.4，故進(jìn)塔噴淋液量為：

塔頂噴淋液105℃的密度為，因此進(jìn)塔水的質(zhì)量流量為：

（3）出塔濕空氣量 出塔氣體中的 o2、n2、h2o的量與反應(yīng)器入口氣體相同，因而：

o2：383.46kmol/h，即12270.59kg/h n2：1442.54 kmol/h，即40391.12 kg/h h2o：500.16kmol/h，即9002.88 kg/h（4）出塔液量 4.2.3熱量衡算（1）空氣飽和塔出口氣體溫度 空氣飽和塔出口氣體中，蒸汽的摩爾分?jǐn)?shù)為：

根據(jù)分壓定律，蒸汽的實際分壓為：

飽和度為0.81，．所以飽和蒸汽分壓應(yīng)為：

查飽和蒸汽表得到對應(yīng)的飽和溫度為90℃，因此，須控制出塔氣體溫度為90℃．才能保證工藝要求的蒸汽量（2）入塔熱水溫度 入塔水來自精制工段乙腈解吸塔塔釜，105℃（3）由熱衡算求出塔熱水溫度t 熱衡算基準(zhǔn)：0℃氣態(tài)空氣，0℃液態(tài)水 ①170℃進(jìn)塔空氣帶入的熱量q1：

170℃蒸汽焓值為2773.3kj/kg，干空氣在0~l70℃的平均比熱容 ②出塔濕空氣帶出熱量q2 90℃蒸汽焓2660kj/kg，空氣比熱容取 ③105℃入塔噴淋液帶入熱量q3 ④求出塔熱水溫度t 出塔熱水帶出熱量: 熱損失按5%者，則 熱平衡方程q1+q3=q2+q4+q損 即12202335.11+70600063.93=28706172.92+639560.93t+4140069.95 解得t=78.11℃ 故，出塔熱水溫度為78.11℃ 4.3氨中和塔物料衡算和熱量衡算 4.3.1計算依據(jù)（1）入塔氣體流量和組成與反應(yīng)器出口氣體相同（2）在中和塔內(nèi)全部氨被硫酸吸收，生成硫酸銨（3）新鮮硫酸吸收劑的含量為93％(wt)（4）塔底出口液體(即循環(huán)液)的組成如下 組分 水 an acn hcn 硫酸 硫酸銨 合計 %（wt）68.53 0.03 0.02 0.016 0.5 30.90 100（5）進(jìn)塔氣溫度l80℃，出塔氣溫度76℃，新鮮硫酸吸收劑溫度30℃（6）塔頂壓力0.122mpa，塔底壓力0.142mpa 圖2 氨中和塔局部流程 1—氨中和塔；

2—循環(huán)冷卻器 4.3.2物料衡算（1）排出的廢液量及其組成 進(jìn)塔氣中含有 425.17kg/h的氨，在塔內(nèi)被硫酸吸收生成硫酸銨 氨和硫酸反應(yīng)的方程式： 的生成量，即需要連續(xù)排出的的流量為：

塔底排出液中,(nh4)2so4的含量為30.9%（wt），因此，排放的廢液量為: 排放的廢液中．各組分的量: h2o：

an：

can：

hcn：

h2so4：

(nh4)2so4：

（2）需補(bǔ)充的新鮮吸收劑（93%的h2so4）的量為：

（3）出塔氣體中各組分的量 c3h6：966.98kg/h=23.02kmol/h c3h8: 1294.53kg/h=29.42kmol/h o2：2950.40kg/h=92.20kmol/h n2：40391.12kg/h=1442.54kmol/h an：5307.36-0.12=5307.24kg/h=100.02kmol/h acn：717.77-0.08=717.69kg/h=17.50kmol/h acl：65.53kg/h=1.17kmol/h hcn：877.78-0.06=877.72kg/h=32.51kmol/h co2：2640.84kg/h=60.02kmol/h h2o：17306.64+1346.45×0.07-3660.83=13740.06kg/h=763.34kmol/h 4.3.3熱量衡算（1）出塔氣體溫度 塔頂氣體中實際蒸汽分壓為：

ph2o=yh2op=0.298×0.122=0.0364mpa 設(shè)飽和度為0.98，則與出塔氣體溫度平衡的飽和蒸汽分壓為：

入塔噴淋液的硫酸銨含量為：

已知硫酸銨上方的飽和蒸汽壓如表 含 量 溫 度 40 45 50 70 0.02796 0.02756 0.02716 80 0.04252 0.0419 0.04129 90 0.0629 0.06199 0.06109 根據(jù)入塔噴淋液的硫酸銨含量和ph2o的值，內(nèi)插得到出：

塔氣的溫度為76.7℃（2）入塔噴淋液溫度 入塔噴淋液溫度比氣體出口溫度低6.7℃，故為70℃（3）塔釜排出液溫度 yh2o=0.3452 入塔氣水蒸汽分壓：ph2o=yh2op=0.3452×0.142=0.049mpa 在釜液(nh4)2so4含量()下溶液上方的飽和蒸汽分壓等于0.049mpa時的釜液溫度即為釜液的飽和溫度，用內(nèi)插法從表中得到，飽和溫度為83.53℃，設(shè)塔釜液溫度比飽和溫度低2.53℃ 即81℃。又查硫酸銨的溶解度數(shù)據(jù)得知，80℃時．每100g水能溶解95.3g硫酸銨，而釜液的硫酸銨含量為()，所以釜液溫度控制81℃不會有硫酸銨結(jié)晶析出。

（4）熱衡算求循環(huán)冷卻器的熱負(fù)荷和冷卻水用量 作圖3.3的虛線方框列熱平衡方程得 圖3 氨中和塔的熱量衡算 1—氨中和塔；

2—循環(huán)冷卻器 q1+q3+q4+q5+q6+q8=q2+q7+q9 ①入塔氣體帶入熱 入塔氣體帶入熱量q1=2.53×106kj/h ②出塔氣體帶出熱 各組分在0～76.7℃的平均比熱容的值如下 組分 c3h6 c3h8 02 n2 h2o an hcn acn acl co2 1.715 1.966 0.9414 1.046 1.883 1.347 1.393 1.406 1.343 0.921 q2=(966.98×1.715+1294.53×1.966+2950.4×0.9414+40391.12×1.046+13740.06×1.883+1.347×5307.24+1.393×877.72+1.406×717.69+1.343×65.53+0.921×2640.84)×(76.7-0)=87003.38×76.7 =6673159kj/h ③蒸汽在塔內(nèi)冷凝放熱 蒸汽在塔內(nèi)的冷凝量=進(jìn)塔氣體帶入蒸汽-出口氣帶出蒸汽 =17306.64-13740.06 =3566.58kg/h 蒸汽的冷凝熱為2246.6kj/kg q3=3566.58×2246.6=8012678.63kj/h ④有機(jī)物冷凝放熱 an的冷凝量1.60kg/h，其冷凝熱為 615kj/kg acn的冷凝量1.07kg/h，其冷凝熱為 728kj/kg hcn的冷凝量0.85kg/h，其冷凝熱為878.6kj/kg q4=1.6×615+1.07×728+0.85×878.6=2509.77kg/h ⑤氨中和放熱 每生成1mol硫酸銨放熱273.8kj ⑥硫酸稀釋放熱 硫酸的稀釋熱為749kj/kg q6=0.93×1346.45×749=937896.68kj/h ⑦塔釜排放的廢液帶出熱量 塔釜排放的廢液中，h2o與的(nh4)2so4的摩爾比為，查氮肥設(shè)計手冊得此組成的硫酸銨水溶液比熱容為 q7=5341.94×3.347×(80-0)=1430357.85kj/h ⑧新鮮吸收劑帶入熱 的比熱容為 q8=1346.45×1.603×(30-0)=64750.78kj/h ⑨循環(huán)冷卻器熱負(fù)荷 因操作溫度不高，忽略熱損失 把有關(guān)數(shù)據(jù)代入熱平衡方程有：

解得：

⑩循環(huán)冷卻器的冷卻水用量 設(shè)循環(huán)冷卻器循環(huán)水上水溫度32℃，排水溫度36℃ 則冷卻水量為：

（5）循環(huán)液量 循環(huán)液流量受入塔噴淋液溫度的限制，70℃循環(huán)液的比熱容為，循環(huán)液與新鮮吸收液混合后的噴淋液比熱容為 設(shè)循環(huán)液流量為m kg/h，循環(huán)冷卻器出口循環(huán)液溫度t℃ 對新鮮暖收劑與循環(huán)液匯合處(附圖中a點)列熱平衡方程得：

m×3.368t+9267=(m+192.7)×3.364×70(1)對循環(huán)冷卻器列熱平衡得: m×3.347×81－m×3.368t=6868188.01(2)聯(lián)解式(1)(2)得：m=193942.26kg/h4.4換熱器物料衡算和熱量衡算 換熱器 an溶液去精制 an溶液來自水吸收塔 氣體來自氨中和塔 氣液混合物去水吸收塔 4.4.1計算依據(jù) 進(jìn)口氣體76.7℃，組成和流量與氨中和塔出口氣相同 出口氣體溫度40℃，操作壓力115.5kpa 4.4.2物料衡算 進(jìn)口氣組成及流量如下 組分 流量 c3h6 23.02kmol/h c3h8 29.42kmol/h o2 92.20kmol/h n2 1442.54kmol/h an 100.02kmol/h acn 17.50kmol/h acl 1.17kmol/h hcn 32.51kmol/h co2 60.02kmol/h h2o 763.34kmol/h 合計 2561.74kmol/h 出口氣體溫度40℃，40℃飽和蒸汽壓力為 設(shè)出口氣體中含有x kmol/h的蒸汽，根據(jù)分壓定律有：

解得 x=122.67kmol/h=2208kg/h 故，蒸汽的冷凝量為13740.06-2208=11532.06kg/h 因此得到換熱器氣體方(殼方)的物料平衡如下：

組分 流 量 kmol/h c3h6 c3h8 h2o o2 n2 an acn hcn acl co2 冷凝水 合計 23.0 29.4 122.7 92.2 1442.5 100 17.50 32.51 1.17 60.0 640.7 2561.7 4.4.3熱量衡算（1）換熱器入口氣體帶入熱（等于氨中和塔出口氣體帶出熱）q1=6673159kj/h（2）蒸汽冷凝放出熱 40℃水汽化熱為2401.1kj／kg q2=11532.06×2401.1=27689629.27kj/h（3）冷凝液帶出熱 q3=11532.06×4.184×(40-0)=1930005.56kj/h（4）出口氣體帶出熱 出口氣體各組分在0～40℃的平均摩爾熱容為：

組分 c3h6 c3h8 o2 n2 h2o an acn hcn acl co2 61.92 72.38 29.46 29.29 36.75 63.35 52.09 62.76 65.61 38.66 q4=（23.0×61.92+29.4×72.38 +36.75×122.7+92.2×29.46+1442.5×29.29+63.35×100+17.50×52.09+32.51×62.76+1.17×65.61 +60.0×38.66）×(40-0)=2588466.41kj/h（5）熱衡算求換熱器熱負(fù)荷平衡方程：q1+q2=q3+q4+q5 代入數(shù)據(jù)求得：q5=29844316.3kj/h 4.5水吸收塔物料衡算和熱量衡算 4.5.1計算依據(jù) 水吸收塔的局部流程（1）入塔氣流量和組成與換熱器出口相同（2）入塔器溫度40℃，壓力112kpa；

出塔氣溫度10℃，壓力101kpa（3）入塔吸收液溫度5℃（4）出塔an溶液中含an 1.8%（wt）4.5.2物料衡算（1）進(jìn)塔物料（包括氣體和凝水）的組成和流量與換熱器出口相同 進(jìn)口氣量=23×42+29.4×44+122.7×18+92.2×32+1442.5×28+100×53+17.5×41+32.51×27+1.17×56+60×44=57409.39kg/h（2）出塔氣的組成和量 出塔干氣含有：c3h6 23kmol/h =966kg/h c3h8 29.4kmol/h=1293.6kg/h o2 92.2kmol/h=2950.4kg/h n2 1442.5kmol/h=40390kg/h co2 6.7kmol/h=294.8kg/h 10℃水的飽和蒸汽壓，總壓p=101325pa 出塔器中干氣總量=23+29.4+92.2+1442.5+ 6.7=1593.8kmol/h 出塔氣中含有蒸汽的量按分壓定律求得，計算如下：

出塔氣總量為：966+1293.6+2950.4+40390+294.8=45894.8kg/h（3）塔頂加入的吸收水量 ①出塔an溶液總量 出塔an溶液中，an為1.8%（wt），an的量為5307.36kg/h，因此，出塔an溶液總量為5307.36/0.018=294853.33kg/h ②塔頂加入的吸收水量 作水吸收塔的總質(zhì)量衡算得：

入塔吸收液量=塔底an溶液量+出塔氣體總量－入塔氣量－凝水量 =294853.33+45894.8－57409.39－11532.06 =271806.68kg/h（4）塔底an溶液的組成和量 an、acn、hcn、acl全部被水吸收，因為塔底an溶液中的an、can、hcn、acl的量與進(jìn)塔氣、液混合物相同，an溶液中的水量按全塔水平衡求出 an溶液中的水量=塔頂加入水+進(jìn)塔氣液混合物中的水-出塔氣帶出的水 =271806.68+763.34×18-351.95 =285194.85kg/h（5）水吸收塔平衡如下: 入塔氣 組分 c3h6 c3h8 h2o o2 n2 an acn hcn acl co2 合計 流 量kmol/h 23.0 29.4 122.7 92.2 1442.5 100 17.50 32.51 1.17 60.0 1921 含量0.052 0.0091 0.0169 0.0006 1 出塔氣 流量 23.0 29.4 18.82 92.2 1442.5 0 0 0 0 60.0 1666（6）檢驗前面an、acn、acl、hcn全部溶于水的假設(shè)的正確性 因系統(tǒng)壓力小于1mpa，氣相可視為理想氣體，an、acn、acl、hcn的量相對于水很小，故溶液為稀溶液．系統(tǒng)服從亨利定律和分壓定律。壓力和含量的關(guān)系為：

或 塔底排出液的溫度為15℃(見后面的熱衡算)查得15℃時acn、hcn、acl和an的亨利系數(shù)e值為：

an e=810kpa acl e=444.4kpa acn e=405.3kpa hcn e=1824kpa ①an 塔底ｐan=0.052×112=5.82kpa 從以上計算可看出，溶液未飽和 ②acl ｐacl=0.0006×112=0.0672kpa，溶液未達(dá)飽和 ③acn ｐacn=0.0091×112=1.0192kpa，溶液未達(dá)飽和 ④hcn ｐhcn=0.0169×112=1.8928kpa 從計算結(jié)果可知，在吸收塔的下部，對hcn的吸收推動力為負(fù)值，但若吸收塔足夠高，仍可使塔頂出口氣體中hcn的含量達(dá)到要求 4.5.3 熱量衡算（1）入塔氣帶入熱 各組分在0～40℃的平均摩爾熱容如下：

組分 c3h6 c3h8 o2 n2 h2o an acn hcn acl co2 61.92 72.38 29.46 29.29 36.75 63.35 52.09 62.76 65.61 38.66 q1=（23.0×61.92+29.4×72.38 +36.75×122.7+92.2×29.46+1442.5×29.29+63.35×100+17.50×52.09+32.51×62.76+1.17×65.61 +60.0×38.66）×(40-0)=2588466.41 kj/h（2）入塔冷凝水帶入熱 q2=11532.06×4.184×(40-0)=1930005.56kj/h（3）出塔氣帶出熱 q3=(23.0×61.92+29.4×72.38 +36.75×18.82+92.2×29.46+1442.5×29.29+60.0×38.66)(10-0)=515304kj/h（4）吸收水帶入熱 q4=271806.68×4.184×(5-0)=5686195.75kj/h（5）出塔an溶液帶出熱 溶液中各組分的液體摩爾熱容如下：

組分 75.3 121.1 107.3 71.55 123.8 q5=（15844.16×75.3+100×121.1+17.5×107.3+32.51×71.55+1.17×123.8）×t =1209523.81t（6）水冷凝放熱 水冷凝量=2208.6－351.95=1856.65kg/h 水的冷凝熱為2256kj/kg，故q6=4188602.4kj/h（7）an、acn、acl、hcn等氣體的溶解放熱 溶解熱=冷凝放熱+液-液互溶放熱=冷凝熱 an、acn、acl、hcn的冷凝熱數(shù)據(jù)如下：

組分 an acn acl hcn 610.9 765.7 493.7 937.2 q7=610.9×5307.24+765.7× 717.69+493.7×65.53+937.2×877.72 =4646679.5kj/h（8）熱衡算求出塔液溫度t 熱平衡方程 ：q1+q2+q4+q6+q7=q3+q5 代人數(shù)據(jù)得 2588466.41+1930005.56+5686195.75+4188602.4+4646679.5=515304+1209523.81t 解得 t=15.32℃ 4.6空氣水飽和塔釜液槽 4.6.1計算依據(jù) 空氣飽和塔液體進(jìn)、出口流量和出口液體的溫度由空氣飽和塔物料和熱衡算確定；

去水吸收塔的液體流量由水吸收塔物料衡算的確定，見本文相關(guān)部分計算；

排污量按乙腈解吸塔來的塔釜液量的15%考慮；

乙腈解吸塔塔釜液量和去萃取解吸塔的液體量由精制系統(tǒng)的物料衡算確定。

4.6.2物料衡算

（1）進(jìn)料 ①乙腈解吸塔釜液入槽量=-160703.05= ②空氣飽和塔塔底液入槽量=152858.73-= ③入槽軟水量xkg/h（2）出料 ①去水吸收塔液體量 ②去萃取解吸塔液體量 作釜液槽的總質(zhì)量平衡得 解得 4.6.3熱量衡算（1）入槽乙腈解吸塔釜液帶入熱

年產(chǎn)30萬噸合成氨生產(chǎn)工藝設(shè)計 50萬噸合成氨工藝設(shè)計方案篇四

化工廠年終工作總結(jié) 伴著寒冬的來臨，又來到一年的歲末，而這個既有壓力又有動力，既有歡樂又有憂愁的2023年，也即將一步一步的走過。在這一年里，無論是公司還是我自己都有特別大的變化，從年初只有總變、鍋爐、水處理、蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行，到現(xiàn)在各個裝置都已經(jīng)正常運(yùn)行；從最初只了解一些理論的知識，到現(xiàn)在經(jīng)過原始開車積累了一些實際操作的技能。

在這一年里，我們每時每刻都要提到的那就是安全。有句話說的好“安全第一，其他的都是零”。安全就像財富一樣，只有前面的一存在，后面的零才越多越好，才會為社會創(chuàng)造更多的利益；才會為公司創(chuàng)造更多的效益；才會實現(xiàn)自己真正的價值。這樣才會給自己的一生創(chuàng)造更多的財富。安全，無論到任何時候都是一個永恒的話題，無論是在上班中我們所處的化工廠中，還是在下班以后的生活中，安全必須是我們永遠(yuǎn)都不要忘記的。在工作中，安全的操作則會給公司帶來更多的效益，給自己帶來更好的機(jī)會，給同事帶去更多的信任，給家人帶去更少的擔(dān)心。在生活中，更要做到保護(hù)自己、家人和身邊的人的安全，這樣社會才會更快更好的持續(xù)的發(fā)展下去。

年初的一月到三月，是我們開車前的準(zhǔn)備階段，雖然當(dāng)時的天氣真的是很冷，但是作為**的員工，我們會去戰(zhàn)勝它。這兩個月我們基本都是在作氣密，每天我們都在現(xiàn)場檢查每條管線與管線連接處、管線與設(shè)備連接處是否有泄露，一旦發(fā)現(xiàn)有泄露，及時保運(yùn)的人員去處理，由于每個裝置都在作氣密，所以我們也會參與進(jìn)來一起處理漏點，這樣增加了工作效率，盡快的完成氣密任務(wù)，為裝置開車做好準(zhǔn)備。在氣密過程中，讓我學(xué)到了以前都想不到的問題，也積累了很多的經(jīng)驗，也成長了自己。另外還有一項很大的任務(wù)那就是氨罐的引氨工作，在氨罐已經(jīng)做好萬全的準(zhǔn)備之后，我們就開始向氨罐引氨。剛開始我們還是有些畏懼，但是經(jīng)過領(lǐng)導(dǎo)的點撥和指導(dǎo)，我們都能獨(dú)立的完成這個任務(wù)。引氨之后，那就是冷氨泵的試泵工作，從冷入口管線、冷泵、試泵一系列的工作都順利完成，并且都能獨(dú)立操作讓領(lǐng)導(dǎo)放心。

進(jìn)入了四月份，就是**公司今年一個最重大的任務(wù)，那就是裝置的原始開車。在冷凍回路氣密、氮?dú)庵脫Q完成之后，就到了冷凍回路的引氨工作，從冷氨泵的冷泵、啟泵，到氨加熱器調(diào)整蒸汽從而調(diào)整引氨溫度，都順利的完成。然后就到了冷凍回路建立液位，氣氨置換工作，為氨壓機(jī)的順利試車做好準(zhǔn)備。隨著各項準(zhǔn)備工作都已完成就到了氣化爐點火投料的階段，再到變換、甲醇洗、液氮洗、合成回路的引氣工作，都有條不紊的進(jìn)行著。在合成回路引氣的時候，合成崗位就面臨一個很大的任務(wù)，那就是合成塔催化劑的升溫還原工作。

在合成塔催化劑的升溫還原中，我每天都在學(xué)習(xí)著，記錄著，不錯過每一個升溫階段所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，也是讓自己學(xué)到更多的知識和技能。另外在合成塔催化劑升溫還原中還有廠家的在旁邊指導(dǎo)，每天按著廠家的要求去做，同時在升溫的過程中也積累了一點經(jīng)驗，然后自己嘗試著去調(diào)整，最終都能獨(dú)立的完成這個升溫還原的任務(wù)，見證合成塔產(chǎn)氨的全部過程，然后一起去見證**公司順利出尿素的過程。

在接下來的兩三個月中，我們每天都在細(xì)致的去調(diào)整工藝參數(shù)，保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。到了九月份，公司就當(dāng)時的情況準(zhǔn)備了一次小修，消除裝置運(yùn)行中的一些隱患。在小修過程中，我們分成小組，每個小組去跟蹤幾個小修的任務(wù)，盡量用最短的時間來完成這次小修的任務(wù)，各個裝置又順利的開車成功，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

在十一月份到現(xiàn)在，各個裝置在公司領(lǐng)導(dǎo)和每一位員工的共同努力下，完成裝置原始開車后的第一個50天長周期聯(lián)運(yùn)。在這個過程中，我們經(jīng)歷了嚴(yán)冷的寒冬、空壓機(jī)的軸瓦溫度偏高、氣化爐的壓差等等問題，每一位領(lǐng)導(dǎo)和員工都頂著壓力完成長周期聯(lián)運(yùn)。這個長周期聯(lián)運(yùn)離不開公司領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，也離不開每一位員工在寒冷的冬天認(rèn)真的巡檢，將各種隱患消滅在萌芽中，保證裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行。

在這一年的時間里，我也存在很多的不足之處。比如學(xué)習(xí)不夠積極主動、不愛利用下班的時間去學(xué)習(xí)、有的時候不去深挖問題得原由等等。所以我要積極主動的拿出下班的時間來學(xué)習(xí)，儲備更多的理論知識和提升自己的操作技能。

2023年，在裝置都穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，我們更要注意現(xiàn)場高溫高壓、易燃易爆、有毒有害物質(zhì)，所以我們要把安全放在第一位，不要讓安全事故發(fā)生在我們身邊，做到“在崗一分鐘，安全六十秒”、“重視一伸手，防止誤操作”。另外我更要一步一個腳印的去學(xué)習(xí)其他崗位的操作，掌握更多的操作技能，積累更多的操作經(jīng)驗，同時也應(yīng)該多儲備一下自己的理論知識，為公司裝置的穩(wěn)定運(yùn)行貢獻(xiàn)自己的一份力量，從而使自己得到成長。

年產(chǎn)30萬噸合成氨生產(chǎn)工藝設(shè)計 50萬噸合成氨工藝設(shè)計方案篇五

摘要

氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。

我國合成氨裝置很多，但合成氨裝置的控制水平都比較低，大部分廠家還停留在半自動化水平，靠人工控制的也不少，普遍存在的問題是：能耗大、成本高、流程長，自動控制水平低。這種生產(chǎn)狀況下生產(chǎn)的產(chǎn)品成本高，市場競爭力差，因此大部分化肥行業(yè)處于低利潤甚至處于虧損狀態(tài)。為了改變這種狀態(tài)，除了改變比較落后的工藝流程外，實現(xiàn)裝置生產(chǎn)過程優(yōu)化控制是行之有效的方法。合成氨生產(chǎn)裝置是我國化肥生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高整個合成氨生產(chǎn)裝置的自動化控制水平，對目前我國化肥行業(yè)狀況，只有進(jìn)一步穩(wěn)定生產(chǎn)降低能耗，才能降低成本，增加效益。而實現(xiàn)合成氨裝置的優(yōu)化是投資少、見效快的有效措施之一。合成氨裝置優(yōu)化控制的意義是提高整個合成氨裝置的自動化水平，在現(xiàn)有工藝條件下，發(fā)揮優(yōu)化控制的優(yōu)勢，使整個生產(chǎn)長期運(yùn)行在最佳狀態(tài)下，同時，優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用還能節(jié)約原材料消耗，降低能源消耗，提高產(chǎn)品的合格率，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭能力。

關(guān)鍵字 合成氨 農(nóng)業(yè) 化學(xué)肥料 意義

目錄

摘要.............................................................................................................................1 正文.................................................................................................................................3 一.前言............................................................................................................................3 1.1 物理性質(zhì)：.........................................................................................................3 1.2化學(xué)性質(zhì).............................................................................................................3 二.合成氨工業(yè)產(chǎn)品的用途................................................................................................3 2.1氨氣用途：..........................................................................................................3 2.2氨水用途.............................................................................................................3 三.合成氨的生產(chǎn)工藝.......................................................................................................4 ３．１原料氣制備.....................................................................................................4 ３．１．１ 一氧化碳變換過程..........................................................................4 ３．１．２脫硫脫碳過程...................................................................................4 ３．１．３氣體精制過程...................................................................................5 ３．１．４氨合成..............................................................................................5 ３．２合成氨的催化機(jī)理..........................................................................................5 ３．３催化劑的中毒.................................................................................................6 四．影響合成氨的因素：.................................................................................................6 ４.１溫度對氨合成反應(yīng)的影響..................................................................................6 ４.２壓力對氨合成反應(yīng)的影響..................................................................................7 ４.３空速對氨合成反應(yīng)的影響..................................................................................7 ４.４氫氮比對氨合成反應(yīng)的影響.............................................................................7 五．研究現(xiàn)狀...................................................................................................................8 六.發(fā)展趨勢.....................................................................................................................8 七.研究合成氨的意義:......................................................................................................9 ７.１、施用化肥之必然.............................................................................................9 ７.２.使用化肥的作用...............................................................................................9 ７．２．１提高糧食產(chǎn)量...................................................................................9 ７．２．２提高土壤肥力.................................................................................10 ７．２．３發(fā)揮良種潛力.................................................................................10 ７．２．４補(bǔ)償耕地不足..................................................................................11 ７．２．５增加有機(jī)肥量..................................................................................11 ７．２．６發(fā)展綠色資源..................................................................................11 ７．３、化肥與生物能增值......................................................................................11 致謝...............................................................................................................................13 參考文獻(xiàn)........................................................................................................................14

正文

一.前言

1.1 物理性質(zhì)：

無色氣體,有刺激性惡臭味。分子式nh3。分子量17.03。相對密度0.7714g/l。熔點-77.7℃。沸點-33.35℃。自燃點651.11℃。蒸氣密度0.6。蒸氣壓1013.08kpa(25.7℃)。1.2化學(xué)性質(zhì)

蒸氣與空氣混合物爆炸極限16～25%(最易引燃濃度17%)。

氨在20℃水中溶解度34%,25℃時,在無水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是許多元素和化合物的良好溶劑。

水溶液呈堿性,0.1n水溶液ph值為11.1。液態(tài)氨將侵蝕某些塑料制品,橡膠和涂層。

遇熱、明火,難以點燃而危險性較低;但氨和空氣混合物達(dá)到上述濃度范圍遇明火會燃燒和爆炸,如有油類或其它可燃性物質(zhì)存在,則危險性更高。

與硫酸或其它強(qiáng)無機(jī)酸反應(yīng)放熱,混合物可達(dá)到沸騰。

不能與下列物質(zhì)共存:乙醛、丙烯醛、硼、鹵素、環(huán)氧乙烷、次氯酸、硝酸、汞、氯化銀、硫、銻、雙氧水等。

二.合成氨工業(yè)產(chǎn)品的用途

2.1氨氣用途：

a：工業(yè)上用氨氣來通過氧化制造硝酸，而硝酸是重要的化工原料。b：制造化肥。2.2氨水用途：

a.氨水是實驗室重要的試劑

b.軍事上作為一種堿性消毒劑，用于消毒沙林類毒劑。常用的是10%濃度的稀氨水（密度0.960），冬季使用濃度則為20%。c.無機(jī)工業(yè)用于制選各種鐵鹽。

d.毛紡、絲綢、印染等工業(yè)用于洗滌羊毛、呢絨、坯布，溶解和調(diào)整酸堿度，并作為助染劑等。

e.有機(jī)工業(yè)用作胺化劑，生產(chǎn)熱固性酚醛樹脂的催化劑。

f.醫(yī)藥上用稀氨水對呼吸和循環(huán)起反射性刺激，醫(yī)治暈倒和昏厥，并作皮膚刺激藥和消毒藥。

g.也用作洗滌劑、中和劑、生物堿浸出劑。還用于制藥工業(yè)，紗罩業(yè)，曬圖等。

三.合成氨的生產(chǎn)工藝

３．１原料氣制備

將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。

凈化，對粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。

３．１．１ 一氧化碳變換過程

在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有co，其體積分?jǐn)?shù)一般為12%~40%。合成氨需要的兩種組分是h2和n2，因此需要除去合成氣中的co。變換反應(yīng)如下：

co+h2oh→2+co2 =-41.2kj/mol 0298hδ

由于co變換過程是強(qiáng)放熱過程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余co含量。第一步是高溫變換，使大部分co轉(zhuǎn)變?yōu)閏o2和h2；第二步是低溫變換，將co含量降至0.3%左右。因此，co變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。

３．１．２脫硫脫碳過程

各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗(rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(selexol)等。粗原料氣經(jīng)co變換以后，變換氣中除h2外，還有co2、co和ch4等組分，其中以co2含量最多。co2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中co2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。一般采用溶液吸收法脫除co2。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法(rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(selexol)，碳酸丙烯酯法。一類是化學(xué)吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化mdea法，mea法等。

３．１．３氣體精制過程

經(jīng)co變換和co2脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的co和co2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定co和co2總含量不得大于10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù))。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過程。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍(<-100℃)條件下用液氮吸收分離少量co，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100cm3/m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量co、co2與h2反應(yīng)生成ch4和h2o的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分?jǐn)?shù))一般應(yīng)小于0.7%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(co+co2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分h2，并且增加了惰性氣體ch4的含量。甲烷化反應(yīng)如下： co+3h2→ch4+h2o =-206.2kj/mol 0298hδ co2+4h2→ch4+2h2o =-165.1kj/mol 0298hδ

３．１．４氨合成

將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程。氨合成反應(yīng)式如下： n2+3h2→2nh3(g)=-92.4kj/mol ３．２合成氨的催化機(jī)理

熱力學(xué)計算表明，低溫、高壓對合成氨反應(yīng)是有利的，但無催化劑時，反應(yīng)的活化能很高，反應(yīng)幾乎不發(fā)生。當(dāng)采用鐵催化劑時，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進(jìn)行。目前認(rèn)為，合成氨反應(yīng)的一種可能機(jī)理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進(jìn)行化學(xué)吸附，使氮原子間的化學(xué)鍵減弱。接著是化學(xué)吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成—nh、—nh2和nh3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。上述反應(yīng)途徑可簡單地表示為： xfe + n2→fexn fexn +〔h〕吸→fexnh fexnh +〔h〕吸→fexnh2 fexnh2 ＋〔h〕吸fexnh3xfe+nh3 在無催化劑時，氨的合成反應(yīng)的活化能很高，大約335 kj/mol。加入鐵催化劑后，反應(yīng)以生成氮化物和氮?dú)浠飪蓚€階段進(jìn)行。第一階段的反應(yīng)活化能為126 kj/mol～167 kj/mol，第二階段的反應(yīng)活化能為13 kj/mol。由于反應(yīng)途徑的改變（生成不穩(wěn)定的中間化合物），降低了反應(yīng)的活化能，因而反應(yīng)速率加快了。

３．３催化劑的中毒

催化劑的催化能力一般稱為催化活性。有人認(rèn)為：由于催化劑在反應(yīng)前后的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠(yuǎn)使用下去。實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達(dá)到正常水平，這就是催化劑的成熟期。接著，催化劑活性在一段時間里保持穩(wěn)定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持穩(wěn)定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。

催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現(xiàn)象稱為催化劑的中毒。一般認(rèn)為是由于催化劑表面的活性中心被雜質(zhì)占據(jù)而引起中毒。中毒分為暫時性中毒和永久性中毒兩種。例如，對于合成氨反應(yīng)中的鐵催化劑，o2、co、co2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時，催化劑的活性又能恢復(fù)，因此這種中毒是暫時性中毒。相反，含p、s、as的化合物則可使鐵催化劑永久性中毒。催化劑中毒后，往往完全失去活性，這時即使再用純凈的氫、氮混合氣體處理，活性也很難恢復(fù)。催化劑中毒會嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應(yīng)物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研制具有較強(qiáng)抗毒能力的新型催化劑，是一個重要的課題。

四．影響合成氨的因素：

４.１溫度對氨合成反應(yīng)的影響

氨合成反應(yīng)是一個可逆放熱反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)溫度升高時，平衡向著氨的分解方向移動；溫度降低反應(yīng)向著氨的生成方向移動。因此，從平衡觀點來看，要使氨的平衡產(chǎn)率高，應(yīng)該采取較低的反應(yīng)溫度。

但是從化學(xué)反應(yīng)速度的觀點來看，提高溫度總能使反應(yīng)的速度加快，這是因為溫度升高分子的運(yùn)動加快，分子間碰撞的機(jī)率增加，同時又使化合時分子克服

[1]阻力的能力加大，從而增加分子有效結(jié)合的機(jī)率。

總之，溫度低時，反應(yīng)有利于向合成氨的方向進(jìn)行，但是氨合成的反應(yīng)速度較低；提高溫度不利于向氨的合成方向移動，但反應(yīng)速度可以增加。在實際生產(chǎn)中反應(yīng)溫度的選擇主要決定于氨合成催化劑的性能。４.２壓力對氨合成反應(yīng)的影響

氨的合成反應(yīng)是一個分子的氮與三個分子的氫結(jié)合生成兩個分子的氨，即氨合成反應(yīng)是分子數(shù)目減少、體積縮小的反應(yīng)，提高壓力，可使反應(yīng)向著生成氨的方向進(jìn)行。對于氨合成反應(yīng)來說，提高壓力就是提高反應(yīng)氣體的濃度，從而增加反應(yīng)分子間碰撞的機(jī)會，加快了反應(yīng)的速率。

總之，增加壓力對氨的合成反應(yīng)是有利的，既能增大平衡轉(zhuǎn)化率，又能加快反應(yīng)速率。但壓力也不宜過高，否則，不僅增加動力的消耗，而且對設(shè)備和材料的要求也較高。根據(jù)我國具體情況，目前在小型合成氨廠，設(shè)計壓力一般為31.4mpa[2]。

４.３空速對氨合成反應(yīng)的影響

氣體與催化劑接觸時間的長短，通常用空速來表示。它的物理意義是：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，單位時間內(nèi)在1m3的催化劑上所通過的氣體體積。其單位為m3(標(biāo))氣體/（m3催化劑·h）,或簡寫為h-1。在一定的合成條件下，空速增加，氣體與催化劑接觸時間減少，出合成塔氣體氨含量降低。

例如：在29.4mpa、475℃下反應(yīng)，空速由10000h-1增加到20000h-

1、40000h-1,出塔氣體氨含量由25%降至21.5%、16.2%。這看來對生產(chǎn)不利，但由于空速的提高，單位時間內(nèi)通過催化劑的氣體增加，則氨的實際產(chǎn)量增加。在一定條件下，空速由10000h-1 增加到20000h-

1、30000h-

1、40000h-1，催化劑生產(chǎn)能力由1950kgnh3/(h·m3)增加到3340、4280、5040 kgnh3/(h·m3)。

由此看出，增加空間速度可以提高氨的產(chǎn)量。但由于空間速度的增加，每生產(chǎn)一噸氨所需的循環(huán)氣量，輸送氣體所需克服的阻力等都要增大，因而消耗的能量也隨之加大。尤其是空間速度過大，從合成塔出來的氣體帶出的熱量增多，會使催化劑床層的溫度難以控制，并使循環(huán)氣中氨不易冷凝。在小型合成氨中，一般將空速控制在15000-25000 h-1。４.４氫氮比對氨合成反應(yīng)的影響

一個根據(jù)平衡移動原理，如果改變平衡體系的濃度，平衡就向減弱這個改變的方向移動[3]。氨合成反應(yīng)的進(jìn)行，是按h2/n2=3：1的比例消耗的，因此提高氫氣、氮?dú)獾姆謮海S持h2/n2=3：1可以提高平衡氨含量。從氨合成反應(yīng)速度可知，在非平衡的狀態(tài)下，適當(dāng)增加氮的分壓對催化劑吸附氮的速度有利，因為氮的活性吸附是氨合成反應(yīng)過程的控制步驟。在一般的生產(chǎn)條件下，氨產(chǎn)率只能達(dá)到平衡值的50%～70%，因此，在生產(chǎn)中應(yīng)適當(dāng)提高氮的比例，一般控制循環(huán)氣中氫氮比在2.2～2.8之間較為適宜。

五．研究現(xiàn)狀

解放前中國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸，而2009年達(dá)到7021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家。中國引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。中國自行設(shè)計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。

化學(xué)模擬生物固氮的重要研究課題之一，是固氮酶活性中心結(jié)構(gòu)的研究。固氮酶由鐵蛋白和鉬鐵蛋白這兩種含過渡金屬的蛋白質(zhì)組合而成[4]。鐵蛋白主要起著電子傳遞輸送的作用，而含二個鉬原子和二三十個鐵和硫原子的鉬鐵蛋白是絡(luò)合n2或其他反應(yīng)物（底物）分子，并進(jìn)行反應(yīng)的活性中心所在之處。關(guān)于活性中心的結(jié)構(gòu)有多種看法，目前尚無定論。從各種底物結(jié)合物活化和還原加氫試驗來看，含雙鉬核的活性中心較為合理。中國有兩個研究組于1973—1974年間，不約而同地提出了含鉬鐵的三核、四核活性中心模型，能較好地解釋固氮酶的一系列性能，但其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還有待根據(jù)新的實驗結(jié)果精確化。

國際上有關(guān)的研究成果認(rèn)為，溫和條件下的固氮作用一般包含以下三個環(huán)節(jié)：

①絡(luò)合過程。它是用某些過渡金屬的有機(jī)絡(luò)合物去絡(luò)合n2，使它的化學(xué)鍵削弱；

②還原過程。它是用化學(xué)還原劑或其他還原方法輸送電子給被絡(luò)合的n2，來拆開n2中的n—n鍵；

③加氫過程。它是提供h+來和負(fù)價的n結(jié)合，生成nh3。

化學(xué)模擬生物固氮工作的一個主要困難是，n2絡(luò)合了但基本上沒有活化，或絡(luò)合活化了，但活化得很不夠。所以，穩(wěn)定的雙氮基絡(luò)合物一般在溫和條件下通過化學(xué)還原劑的作用只能析出n2，從不穩(wěn)定的雙氮絡(luò)合物還原制出的nh3的量相當(dāng)微少。因此迫切需要從理論上深入分析，以便找出突破的途徑。

固氮酶的生物化學(xué)和化學(xué)模擬工作已取得一定的進(jìn)展，這必將有力地推動絡(luò)合催化的研究，特別是對尋找催化效率高的合成氨催化劑，將是一個有力的促進(jìn)。

六.發(fā)展趨勢

①原料路線的變化方向。從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后,從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故,預(yù)計到20世紀(jì)末,世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體 燃料為主要原料。②節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點放在采用低能耗工藝、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劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。現(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種，每噸液氨的設(shè)計能耗可降低到約29.3gj。③與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點。

七.研究合成氨的意義:

７.１、施用化肥之必然

生產(chǎn)和使用化肥，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不同歷史階段，有不同的主要肥源。20世紀(jì)初，由于大規(guī)模合成氨方法的問世，化肥工業(yè)獲得迅速發(fā)展，并已成為發(fā)達(dá)國家傳統(tǒng)的工業(yè)基礎(chǔ)之一。當(dāng)今一座年產(chǎn)30萬噸合成氨或50萬噸尿素的化肥廠，一年能生產(chǎn)的氮素，大約相當(dāng)于種植80萬公頃豆科綠肥或飼養(yǎng)3000萬頭豬的豬廄肥所能提供的氮素。更為重要的是，化肥作為一種新肥源，突破了農(nóng)業(yè)（廢）副產(chǎn)品還田和農(nóng)業(yè)物質(zhì)自然（有機(jī)）循環(huán)的局限。它可以完全不依賴于土地及作物本身，不受氣候和其他自然條件的影響，采用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的方法，大量提供作物必需的養(yǎng)分，從而在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中大放異彩。農(nóng)業(yè)發(fā)展的統(tǒng)計結(jié)果認(rèn)為，糧食產(chǎn)量主要與這些化學(xué)指數(shù)（單位面積n+p2o5+k2o施用量）呈密切相關(guān)。人口密度高的國家，化學(xué)化發(fā)展越快，化學(xué)化指數(shù)越高。-這已為一個多世紀(jì)來不同國家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化實踐所證明，那些耕地潛力有限的國家，如西歐各國和日本，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代都從增施化肥起步。即在一個時期內(nèi)，主要以化肥形式對農(nóng)業(yè)增加投入，以提高作物單產(chǎn)為首要目標(biāo)，進(jìn)而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化。從20世紀(jì)70年代以后，發(fā)展中國家如中國、印度和一些亞洲國家，其化肥使用水平提高很快，這也是其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的主要原因。

７.２.使用化肥的作用

７．２．１提高糧食產(chǎn)量

據(jù)聯(lián)合國糧食組織（fao）統(tǒng)計，在1950-1970的20年中，世界糧食總產(chǎn)增加近1倍，其中因谷物播種面積增加10600萬公頃，所增加的產(chǎn)量占22％；由于單位面積產(chǎn)量提高所增加的產(chǎn)量占78％。而在各項增產(chǎn)因素中，西方及日本科學(xué)家一致認(rèn)為，增加化肥要起到40％-65％的作用。據(jù)全國化肥試驗網(wǎng)1981-1983年在29個省（區(qū)）18種作物上完成的6000個田間試驗結(jié)果，其中對糧食作物（水稻、小麥、玉米），每千克化肥養(yǎng)分平均可增產(chǎn)糧食9.4kg（每千克n、p2o5和k2o分別增產(chǎn)10.8、7.3和3.4kg，其投入比例為1：0.4：0.1（加數(shù)平均）。進(jìn)入20世紀(jì)90年后，由于化肥平均施用量的提高和肥效報酬遞減等原因，氮、磷養(yǎng)分的增產(chǎn)作用有所降低，鉀素養(yǎng)分的增產(chǎn)效果有所提高。按1986-1995年部分試驗資料統(tǒng)計，平均肥效降低約20％，即每千克化肥養(yǎng)分平均可增產(chǎn)糧食7.5kg。這與魯如坤（1998）據(jù)fao在世界不同地區(qū)的試驗結(jié)果相似。由于近半個世紀(jì)以來，在世界不同地區(qū)不同作物上的肥效試驗結(jié)果頗為一致，故世界各國對化肥增產(chǎn)作用的評價也基本相同。大致而言，化肥在糧食增產(chǎn)中的作用，包括當(dāng)季肥效和后效，可占到50％左右。據(jù)張世賢統(tǒng)計（1996），我國從1952-1995年，糧食產(chǎn)量與化肥投入量同步增長，密切相關(guān)。20世紀(jì)末，我國年生產(chǎn)糧食約5億噸，年投入化肥約4200萬噸。化肥中如按75％投放于糧食作物，并按我國近期千克化肥養(yǎng)分平均增產(chǎn)糧食7.5kg計，則由化肥增產(chǎn)的糧食每年為2.363億噸，占年糧食總產(chǎn)的47.3％。

７．２．２提高土壤肥力

國內(nèi)外10年以上的長期肥效試驗結(jié)果證明，連續(xù)的、系統(tǒng)的施用化肥都將對土壤肥力產(chǎn)生積極的影響。什么是土壤肥力？筆者認(rèn)為，土壤肥力可以明確地認(rèn)為就是“土壤生產(chǎn)力”。威廉斯對土壤肥力基本描述“土壤能同時地，最大限度地滿足作物對水分和養(yǎng)分需求的能力。”化肥如何影響土壤肥力？每年每季投入農(nóng)田的化肥，一方面直接提高土壤的供肥水平。供應(yīng)作物的養(yǎng)分；另一方面，在當(dāng)季作物收獲后，將有相當(dāng)比例養(yǎng)分殘留于土壤（n約30％，p約70％，k約40％），盡管其殘留部分（如n）可能會經(jīng)由不同途徑繼續(xù)損失，但其大部分仍留在土壤中，或被土壤吸持，或參與土壤有機(jī)質(zhì)和微生物體的組成，進(jìn)而均可被第2季、第2年以及往后種植的作物持續(xù)利用。這就是易被人們忽視的化肥后效。連續(xù)多年合理施用化肥，土壤有效養(yǎng)分持續(xù)增加，作物單產(chǎn)不斷提高的一個重要證據(jù)，對一個地區(qū)不同階段的同一種作物，在當(dāng)季不施肥條件下，其單產(chǎn)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。這是土壤肥力（土壤生產(chǎn)力）持續(xù)提高的標(biāo)志。可以認(rèn)為，所謂培肥土壤或提高土壤肥力，說到底是提高土壤在無肥條件下的生產(chǎn)力，而連續(xù)和系統(tǒng)的施用化肥和有機(jī)肥，則是提高土壤肥力或生產(chǎn)力的最有效的方式。正確認(rèn)識化肥對土壤肥力的影響的一個核心問題，就是化肥是否會單向消耗土壤有機(jī)質(zhì)，使土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷下降甚至消耗殆盡？土壤有機(jī)質(zhì)是由土壤生產(chǎn)的有機(jī)物，以不同方式（根茬、秸稈或有機(jī)廢棄物等）殘留和歸還土壤并長期積累的。作物產(chǎn)量越高，單位面積收獲的農(nóng)產(chǎn)品越多，自然殘留和歸還土壤的有機(jī)物也越多。當(dāng)化肥施入土后被土壤微生物利用可轉(zhuǎn)化為微生物體，也可直接參與土壤中有機(jī)物的降解和有機(jī)中間產(chǎn)物的再合成（如形成腐殖物質(zhì)），也都能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和促進(jìn)有機(jī)物的代謝更新。另一方面，以多種方式施用和歸還農(nóng)田的有機(jī)廢棄物（秸稈、有機(jī)肥等）也是補(bǔ)償和增加土壤有機(jī)質(zhì)的重要途徑。增施化肥恰恰是通過作物生產(chǎn)以提高有機(jī)物的生產(chǎn)總量，增加根茬留量和有機(jī)物還田量的最基本手段。國外連續(xù)數(shù)十年至百年的長期試驗結(jié)果表明，在化肥區(qū)的作物產(chǎn)量略高于有機(jī)肥區(qū)，無肥區(qū)產(chǎn)量僅為化肥或有機(jī)肥區(qū)35％-40％的水平，連續(xù)施用npk的化肥區(qū)，其保持的土壤有機(jī)碳含量雖比有機(jī)肥區(qū)明顯為少，但仍比無肥區(qū)高。英國、前蘇聯(lián)、丹麥、日本等7國平均經(jīng)連續(xù)47年的長期試驗結(jié)果為：無肥區(qū)、化肥區(qū)和有機(jī)肥區(qū)土壤有機(jī)碳的含量為1.12％（100％）；1.27％（114％）和1.75（156％）。由中國農(nóng)科院土肥所主持，在我國不同輪作區(qū)完成的連續(xù)10年的肥效定位試驗，獲得相似結(jié)果。

７．２．３發(fā)揮良種潛力

現(xiàn)代作物育種的一個基本目標(biāo)是培育能吸收和利用更多肥料養(yǎng)分的作物新種，以增加產(chǎn)量，改善品質(zhì)。因此，高產(chǎn)品種可以認(rèn)為是對肥料具有高效益的品種。例如，以德國和印度各自的小麥良種與地方種相比，每100kg產(chǎn)量所吸收的養(yǎng)分量基本相同，但良種的單位面積養(yǎng)分吸收量是地方種的2.0-2.8倍，單產(chǎn)是地方種的2.14-2.73倍。小麥育種專家 g一再強(qiáng)調(diào)，肥料對于以品種改良為突破口的“綠色革命”具有決定性意義。我國雜交稻的推廣也與肥料投入量密切相關(guān)。據(jù)湖南農(nóng)科院土肥所報告（1980），常規(guī)種晚稻隨施肥量增加其單產(chǎn)增加不明顯，而雜交晚稻（威優(yōu)6號）則隨施肥雜交晚稻較常規(guī)晚稻多吸收n21-54kg，p2o51.5-15kg、k2o19.5-67.5kg。因此，肥料投入水平成為良種良法栽培的一項核心措施。

７．２．４補(bǔ)償耕地不足

對農(nóng)業(yè)增施化肥，實質(zhì)上與擴(kuò)大耕地面積的效果相似。例如，按我國近幾年化肥平均肥效，每噸養(yǎng)分增產(chǎn)糧食7.5t計，若每公頃耕地的平均糧食單產(chǎn)也是7.5t，則每增施化肥養(yǎng)分1t，即相當(dāng)于擴(kuò)大耕地面積1hm2。因此，那些人多地少的國家，無一不是借助增加投肥量一謀求提高作物單產(chǎn)，彌補(bǔ)其耕地的不足。日本、荷蘭通過增加化肥投入量，使其耕地面積相對增加60-227％。

７．２．５增加有機(jī)肥量

化肥投入量的增加，與作物產(chǎn)量的提高和畜牧業(yè)的發(fā)展有關(guān)。統(tǒng)計表明，德國從1850-1965年的115年間，化肥從無到有，直至平均使用量增至300kg/hm2,隨著糧食產(chǎn)量和畜牧業(yè)發(fā)展，施用于農(nóng)田的有機(jī)肥也從1.8-2.0t/hm2增加到8-9t/hm2，增長達(dá)4.5倍。我國從1965-1990年，投入農(nóng)田的化肥量增加14.7倍，有機(jī)肥實際投入量則增加1倍，而以秸稈和根茬等形式增加的有機(jī)質(zhì)總量則更多。由此可見，農(nóng)牧產(chǎn)品的生物循環(huán)必然將相當(dāng)數(shù)量的化肥養(yǎng)分保存在有機(jī)肥中。有機(jī)肥成為化肥養(yǎng)分能不斷再利用的載體。因此，充分利用有機(jī)肥源，不僅可發(fā)揮有機(jī)肥的多種肥田作用，也是充分發(fā)揮化肥作用，使化肥養(yǎng)分持續(xù)再利用的重要途徑。

７．２．６發(fā)展綠色資源

化肥作為一種基本肥源，是發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物、森林和草原等綠色資源的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，我國在較充足的施用化肥，實現(xiàn)連年糧食豐收，人民溫飽的條件下，經(jīng)濟(jì)作物也獲得大幅度發(fā)展。1995年前的10年中，糖料、油料、橡膠、茶葉等作物增加50％-80％，瓜，菜增150％-170％，水果增加250％，極大地豐富了我國城鄉(xiāng)市場和增進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品的出口能力。糧食和多種農(nóng)副產(chǎn)品的豐足，也促進(jìn)了退耕還林、還草的大面積實施和城鄉(xiāng)的大規(guī)模綠化，為在宏觀上治理水土流失，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境提供了可靠的基礎(chǔ)。我國有1.42億公頃森林（fao，1990）長期在雨養(yǎng)的自然條件下生長，如能有重點地施用肥料（尤其對那些次生林），即可加速成材和擴(kuò)展覆蓋率；我國有3.18億公頃草原（fao，1990），長期缺水少肥，載蓄率極低，有的每公頃年產(chǎn)肉量不到15kg，如能對有一定水源的草原適量施肥，可較快地提高生草量和載蓄率。一些發(fā)達(dá)國家，因其有相當(dāng)數(shù)量化肥用于林業(yè)和草地，用于發(fā)展多種經(jīng)濟(jì)作物和實施城鄉(xiāng)大規(guī)模綠化。使其農(nóng)牧產(chǎn)品豐富，而且因其能充分開發(fā)和利用綠色資源而使其能保持優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境。

７．３、化肥與生物能增值

農(nóng)作物生產(chǎn)的本質(zhì)，就是利用綠色植物所含葉綠素的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為作物貯藏的物能，進(jìn)而將貯藏生物能的農(nóng)產(chǎn)品供人類和動物利用。由于適量施用化肥，作物生長旺盛，葉面積擴(kuò)展快，葉綠素含量高，單位時間內(nèi)光合作用產(chǎn)物和轉(zhuǎn)化貯藏的太陽能就多。隨著化肥施用，作物產(chǎn)量及貯藏的生物能也將不斷增值。據(jù)筆者計算，1964-1975年11年間，上海郊區(qū)化肥施用量（n）從115kg/hm2增加到287kg/hm2，相應(yīng)的糧食產(chǎn)量由7.2t/hm2提高到10.1t/hm2，秸稈也隨之增加，而每公頃農(nóng)田收獲得生物能總量也由278.8gj（100％）提高到300.6gj（140％）。美國20世紀(jì)70年代以玉米計算的資料表明，每投入4.1868kj化學(xué)形式的礦物能，可從玉米籽粒中回收6-8倍即25.4-33.5kj的生物能，其能量的投入產(chǎn)出比為1：6-8。如果計算化肥的連續(xù)后效，化肥增值生物能的效益將更高。由此可見，平衡和合理地施用化肥，實質(zhì)上是一種利用礦物能以轉(zhuǎn)化和增值生物能的有效手段，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基本途徑。因此，不同的肥源發(fā)展階段，具有不同的農(nóng)業(yè)物質(zhì)與能量的循環(huán)方式，具有不斷發(fā)展的循環(huán)量。很明顯，在有機(jī)農(nóng)業(yè)階段，作物的單產(chǎn)主要受制于耕地土壤的自然肥力和有機(jī)物和還田量。因而，每年糞肥、綠肥等有機(jī)肥的使用量就是特別重要。當(dāng)有機(jī)肥量不足時，只能采用輪休或輪作豆科植物，賴以恢復(fù)和保持地力。而當(dāng)發(fā)展到無機(jī)-有機(jī)農(nóng)業(yè)階段，隨著化肥投入農(nóng)田量的增加，有機(jī)肥供肥（養(yǎng)分）作物將不斷為化肥所代替，作物產(chǎn)量不斷提高，農(nóng)業(yè)物質(zhì)循環(huán)量迅速增大，直至相對穩(wěn)定在較高的循環(huán)量水平，即在一定的作物品種、氣候及水利等生產(chǎn)條件下能達(dá)到的較高水平。無機(jī)-有機(jī)物質(zhì)及其中能量的不斷循環(huán)，也使化肥和有機(jī)肥的作用得到統(tǒng)一。這兩種肥料都須通過土壤而為作物利用，都能促進(jìn)作物增產(chǎn)，并隨物質(zhì)和能量的循環(huán)，相互發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)化。前一年施入的化肥，增產(chǎn)了糧食（籽粒和秸稈），通過人和畜禽的利用，產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物（糞便、墊料等），將有相當(dāng)部分變成下一年的有機(jī)肥。因此，施用化肥既是當(dāng)季作物的直接肥源和增產(chǎn)手段，又可為下一季作物增加有機(jī)肥源。這也是我國農(nóng)民通俗的稱之為“無機(jī)”換“有機(jī)”的途徑，或另一種形式的“肥（化肥）多糧多——糧多豬多——豬多肥（有機(jī)肥）多”的良性循環(huán)。由此可見，有機(jī)肥和化肥雖然形態(tài)不一，各具特點，但都是農(nóng)業(yè)物質(zhì)和能量循環(huán)中兩種本肥料形態(tài)。在循環(huán)過程中對立而統(tǒng)一，殊途而同歸，共同促進(jìn)農(nóng)作物的持續(xù)增產(chǎn)和土壤的不斷提高。總之，化肥與世界上任何其他事物一樣，也決不是完美無缺的。它同樣具有值得人們充分重視的另一個側(cè)面。大量連續(xù)地施用化肥，特別是在不平衡與不合理施用的狀況下，化肥的一些負(fù)面影響或副作用，會日益顯現(xiàn)出來。如對水體的富營養(yǎng)化，增加環(huán)境中硝態(tài)氮含量；對某些土壤物理性質(zhì)（如結(jié)構(gòu)性）的影響；對若干蔬菜、水果的口感質(zhì)影響等，都是現(xiàn)實存在地問題。由此需要促進(jìn)人們對平衡施肥概念的認(rèn)識和發(fā)展，對有廢棄物再循環(huán)和還田的高度重視，以及力求全面提高化肥在經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)方面的綜合效益。

致謝

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