天然气合成氨年产19万吨 设计说明书 - 图文 (8)

《化工设计》

（9） 冷气体中分离液氨带出热 Q2=Q4L=-19876.557KJ/tNH3 （10）冷气体出口带出热 Q5=Q1+Q4+Q冷

+Q4L-Q3-Q3L-Q4L=510189.464-159456.29+424328.968-265852.933-1198884.872=489324.337KJ/tNH3

Q5=V5Cp5t5

t5=Q5/V5Cp5=489324×22.4/11422.11×Cp5=959.618/Cp5 设t5=30℃ ,P=28.2MP时各组分常压下比热容并计算得：

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.206 58.163 31.935

H2 0.619 174.488 29.511

CH4 0.115 32.538 39.71

Ar 0.035 9.762 21.318

NH3 0.025 7.050 48.906

Cp5=0.206×31.935+0.619×29.511+0.115×39.71+0.035×21.318+0.025×48.906=31.389KJ/(Kmol℃)

t5=959.618/31.31=30.572℃ （11）冷交换器热量负荷计算 ΔQ放=（管内热气带入热+管内液氨冷凝热）-（管内热气带出热+管内液氨带出热） =(510189.464+424328.968)-(265852.933+19884.872) =648780.627 KJ/tNH3 4.3.2氨冷器热量计算

（1） 气体带入热量Q3

由冷交换器热量计算的 Q=265852.993 KJ/tNH3

（2） 气体中液氨带入热量Q3由冷交换器热量计算得：

Q3=19884.872KJ/tNH3

（3） 氨冷器中气氨冷凝热 查-10℃气氨冷凝热（《小氮肥长工艺设计手册》。表10-1-1 氨热力学性质） INH3=1295.633KJ/ kg 则气氨冷凝热

Q冷=L4×22.4×17×INH3=292.664/22.4×17×1295.633=287773.911KJ/tNH3 (4) 新鲜气带入热量Q1

t1=10℃,P=31.37MP,查压力下各组分气体比热容:

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.241 75.664 31.768

H2 0.745 233.55 29.678

CH4 0.011 3.451 35.948

Ar 0.003 1.035 20.9

Cp1=0.241×31.768+0.745×29.678+0.011×35.948+0.0033×20.9 =30.222KJ/(Kmol℃)

新鲜气带入热量 Q1=V1Cp1t1=2911.92/22.4×30.222×10

=157150.69KJ/tNH3

氨冷器收入总热量 Q=Q3+Q3L+Q冷+Q1

=265852.993+1988.872+287773.91+157150.69 =730662.406KJ/tNH3

（5）氨冷器入口混合气温度t4计算

28

《化工设计》

由热平衡

Q4=Q-Q冷=V4Cp4t4+V4LCp4Lt4=730662.406-287773.911=4422888.495KJ/tNH3 t4=Q4/V4/(Cp4+Cp4L×284.979×17/11905.671)=846.95/(Cp4+0.406Cp4L)

设t4=24℃，P=28.42MP 查常压下各组分气体比热容:

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压 Cp’

N2 0.2 58.839 31.852

H2 0.605 171.914 29.511

CH4 0.112 31.934 38.038

Ar 0.034 9.653 21.234

NH3 0.488 13.859 81.092

Cp4=0.2×31.852+0.605×29.511+0.112×38.038+0.034×21.234+0.04877×81.092=33.171KJ/(Kmol℃)

查t=22.5℃时 Cp4L=4.765KJ/(Kmol℃)

代入 t4=846.95/(33171+0.406×4.765)=24.125 与假设一致 混合后氨冷器入口热气温度24℃

（6）气体带出热量Q2 由冷交换器热量计算Q2=-159456.29kJ/tNH3

（7）气体中液氨带出热量Q2L由冷交换器热量计算Q2L=-19876.557KJ/tNH3 （8）液氨蒸发吸收热量Q吸 （冷冻量） 由热平衡计算 Q吸=Q入-(Q2+Q2L)

=730662.406+159456.29+19876.557=909992.253 KJ/tNH3

查25℃液氨焓INH3L=535.583KJ/ kg（由液氨储槽来）15℃蒸发蒸气 INH3=1663.767KJ/Kg

ΔINH3=INH3-INH3L=1663.767-535.583=1128.185KJ/Kg

（9）冷冻量计算 W=Q吸/ΔINH3=909995.253/1128.185=806.602Kg

表 氨冷器进出热量汇总表

进 气体带入Q2 液氨带入Q2L 气体中氨冷凝Q冷 新鲜气体带入Q1

总Q入

265852.933 19884.872 287773.911 157150.690 7306662.406

出 气体带出Q2 液氨带出Q2L 冷冻量Q吸

总Q出

-159456.29 -19876.557 909995.253

730662.406

4.3.3 循环机热量计算

（1） 循环机出口气体温度计算 由《小氮肥厂工艺设计手册》附表1-1-1 查得循环气体中各组分的绝热指数如下：

表 各组分的绝热指数

K1

NH3 1.29

CH4 1.31

Ar 1.66

H2 1.41

N2 1.4

根据公式

yi1??入= KKi?10.025/(1.19-1)+0.11539/(1.13-1)+0.03462/(1.41-1)+0.20625/(1.4-1)

=0.08261+0.37223+0.05245+1.50912+0.51563+2.53564

K=1.394

29

《化工设计》

K?1K?P出T出?T入??P?入???? T入=30+273=303 K

1.394-130.941.394)P出=30.94MPa P入=28MPa代入得 T出?292.5(=311.673K=38.673℃28?39℃

（2） 气体带入热量由前计算 Q5=489324.337

K??K??P2?K?1?Z2??（3） 压缩功 N?16.674P ?11V1????K?1?PZ11?????P1=28MPa P2=30.94MPa K=1.394 Z2=1.13 Z1=1.02

V1=V0P0T/(P1T0)=11418.47/60×0.098/28×(173+39)/273=0.761m3/min 将上述数据代入压缩功计算工式中得： N=37.872KW

压缩热 QN=3600N=3600×37.872=136339.663KJ/tNH3 (4) 气体带出热量 由热平衡得：

Q4=Q3+QN=489324.337+136339.663=625664KJ/tNH3

Q4=V4Cp4t4 Cp4=Q4/V4/t4=625664×22.4/11418.47/39=31.738KJ/(Kmol℃) 由t4=39℃ P=30.94MPa，查常压下各组分气体比热容并计算得：

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.206 63.814 32.186

H2

CH4 0.115 35.7 39.919

Ar 0.035 10.71 21.234

NH3 0.025 7.735 50.578

0.619 191.441 29.553

Cp=0.206×32.186+0.619×29.553+0.115×39.919+0.035×21.234+0.025×50.578=31.53KJ/(Kmol×℃)

表 循环机进出热量会在汇总

入 气体带入热量 压缩热 总Q入

489324.337 136339.663 625664

出 气体带出热量

总Q出

625664

625664

4.3.4 合成塔热量计算 （1） 环隙温升t2计算

（2） 设合成塔环隙高度高度h=14.000m，由经验公式知，环隙每米温升按1.2℃计，则合成塔一出温度t2为, t2=t1+1.46h=39+1.2×14=55.8 ℃

（3） 气体带入热量Q1由前计算Q4=625664.000KJ/tNH3 因油分离器内无温升变化（忽略热损失）。所以Q1=Q4=476358.788KJ/tNH3

（4） 气体反应热QR

设合成塔二出温度370℃，假定气体在塔内先温升到出口温度后再进行氨合 成反应。在压力P=29。7MPa 下的气体反应热简化计算公式为： -H=11599+3.216t, t=370℃代入得：

-H=11599+3.216×370=12788.92Kcal/kmoltNH3=53457.686KJ/kmoltNH3

30

《化工设计》

由物料平衡计算知氨产量ΔVNH3=1372.611m3(标）=61.277Kmol 则合成塔内反应热

QR=(-Hr)×ΔVNH3=53457.686×61.277=3275742.297KJ/tNH3 (5) 二次入塔气体带入热量Q2 Q2=(Q1+Q3+Q损)-(QR-Q5)=V2Cp2t2 t2=((Q1+Q3+Q损)-(QR-Q5))/V1Cp1 (6) 合成塔一出气体带出热量Q1

查t=55.8℃ P=30.5MPa 混合气体热容：

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.206 62.906 30.932

H2 0.619 188.719 29.594

CH4 0.115 35.192 39.292

Ar 0.035 10.558 21.151

NH3 0.025 7.625 42.636

Cp=31.023KJ/(Kmol℃)

Q1=11422.11/22.4×31.023×55.8=882706.357KJ/tNH3 (7) 合成塔二出气体带出热量Q1

当t=370℃ P=29.7Mpa 混合气体热容：

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.166 49.34 30.598

H2 0.498 148.02 29.469

CH4 0.131 38.95 55.176

Ar 0.039 11.685 20.9

NH3 0.165 49.005 48.488

Cp1=35.829KJ/(Kmol℃)

Q1=10049.48/22.4×35.829×370=5947436.88KJ

(8) 合成塔热损失

根据经验公式Q损=awFw(tw-tb)设塔壁温度tw= 62℃,空气温度-5℃,塔外壁高h=14m,外径D=1.2m

则 aw=0.209tw+3.44=0.209×62+33.44=46.398kJ/(m2h℃)

∴Q损=50.16F(tw-tb)=50.16×3.14×1.2×14×[62-(-5)]=163988.349 kJ/tNH3

(9)合成塔二入温度计算

设t2=190 ℃, P=30.0Mpa查<<小氮肥厂工艺设计手册>>各组分气体比热容并计算得：

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.206 61.875 30.514

H2 0.619 185.625 29.678

CH4 0.115 34.615 45.98

Ar 0.035 10.385 20.984

NH3 0.025 7.5 52.25

Cp2=31.995KJ/(Kmol℃)

t2=6065.171/31.995=189.568℃

∴合成塔气体二次入口带入热量

Q2=(882706.357+5947436.88+63988.349)-(3275742.297+625664.000) =3092725.288 kJ/tNH3 (10) 合成塔绝热温升核算

31

《化工设计》

△t=

1Cp=(

?yNH3(?HR)Q损?)

1?yNH3NTCp=(Cp1+Cp2)/2=33.912KJ/(Kmol×℃)

△t=(0.14×53457.686/(1+0.165)-163988.349/11422.11×22.4)/33.912

=189.454℃

t1=t2+189.454=379.022℃

表 合成塔热量平衡汇总表

入

一次气体进口带入热 二次气体进口带入热

反应热 总Q入

626664 3092725.288 3275742.297 6994131.585

出

一次气体进口带出热 二次气体进口带出热

热损失 总Q出

882706.357 5947436.88 163988.349 6994131.585

4.3.5 废热锅炉热量计算

（1）内热气体带入热量Q1

由合成塔热平衡计算Q1=5947436.880kJ/tNH3 (2) 管内热平衡气体带出热量Q2

设t2=220 C, P=29.4MPa，得混合气体比热容：

表 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.166 48.842 30.681

H2 0.498 146.525 29.469

CH4 0.131 38.556 47.652

Ar 0.039 11.567 20.984

NH3 0.165 48.51 49.324

Cp2=34.997KJ/(Kmol℃)

Q2=10049.48/22.4×34.997×220=3454233.359KJ/tNH3

(3) 废热锅炉热负荷

ΔQ=Q2-Q1=-2493203.52KJ/tNH3 (4) 软水量计算

设废热锅炉加入软水温度t=30,压力P=1.274Mpa,副产1.274Mpa 饱和蒸汽，需

软水量为X

软水焓 I1=125.484KJ/Kg 蒸汽焓 I2=2784.716KJ/Kg ΔQ=X(I2-I1) 热平衡得

X=ΔQ/(I2-I1)=937.565KJ/Kg

废热锅炉带入热量 Q软=XI1=937.565×125.484=117649.438KJ/tNH3 蒸汽带入热量 Q蒸=117649.438+2493203.521=2610852.959KJ/tNH3

表 废热锅炉热量汇总表

入

管内热气带入热量 软水带入热量

总Q进

5947436.88 117649.438 6065086.318

出

管内热气带出热量 蒸汽带出热量

总Q出

3454233.359 2610852.959 6065086.318

32

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