合成氨生产过程进行分析及优化——天津大学化工分析与合成大作业

合成氨生产过程进行分析及优化

一、引言

合成氨生产流程图如下：

图1 合成氨生产过程的流程图

原料气和两个循环流股经混合器混合后进入反应器。原料气中含有20%的N2，78%的H2，还含有2%的惰性气体CH4 。经反应器反应后，氨的转化率为45%。反应后混合物经闪蒸后，N2、H2、CH4和少量NH3主要从气相产出，经分流器放空后，一小部分气体经流股2返回混合器；产品中的氨主要从液相产出，经第二次闪蒸后，液相产出纯的氨组分，气相的N2、H2、CH4和少量NH3返回混合器。

由于流程中存在惰性组分，如果不设置放空流股，惰性组分只进不出，不断累积，越积越多，导致装置内充满惰性气体，氨的产率严重下降。为此需要设置放空流股，提高氨的产率。 二、质量衡算

见Excel文件“大作业1第（2）问”。

三、给出反应器进口甲烷分率与放空比关系，并绘制变化曲线

反应器进口甲烷摩尔分率随放空比增大而减小，且减小的速率先快后慢，后期趋于平缓。

化工过程分析与合成大作业——合成氨生产过程进行分析及优化

图2 反应器进口甲烷分率与放空比关系曲线

四、讨论最佳放空比与反应器固定成本投资与原料损失费用的关系 1、定性分析：

①放空比v.s.反应器固定成本投资：

随着放空比的增大，反应器进料流股中惰性气体甲烷的含量降低，反应速率加快，需要的停留时间缩短，需要较小的反应器体积就可以达到要求的转化率；相反随着放空比减小，反应器流股中积累了更多的惰性气体甲烷，氮气、氢气分压下降，反应速率减小，停留时间增长，反应器所需体积增大，固定投资也就增加了。

②放空比v.s.原料损失费用：

很显然，随着放空比的增大，更多的未反应的原料被放空，原料损失费用增加；反之放空比减小，原料损失费用减少。 2、半定量分析：

由于缺乏相应的动力学数据，仅对放空比与反应器固定成本投资与原料损失费用的关系作简要的半定量分析：

①放空比v.s.反应器固定成本投资：

由前两问可以得出放空比与反应器进料流股中甲烷分率的关系，有定性分析可粗略假定反应器固定成本与进料流股中加完分率呈正相关，则与放空比为负相关。假定放空比为0时的反应器固定成本为1，则可以得出放空比-反应器固定成本投资曲线。

②放空比v.s.原料损失费用：

由定性分析可粗略估计原料损失费用与放空比成正比。假定放空比为1时，原料损失费用为1，则可以得到放空比-原料损失费用曲线。

1 化工过程分析与合成大作业——合成氨生产过程进行分析及优化

③最佳放空比：

将上面得到的两组曲线加合，显然最佳放空比为0.1-0.2范围内。 可以绘制出两种因素影响随着放空比变化的曲线，见下图。

图3 最佳放空比与反应器固定成本投资与原料损失费用的关系曲线 五、确定各流股的温度和压力，并根据需要在流程中增加换热和流体输送单元

1、1号流股为新鲜原料气，经查阅资料，其温度为30℃，压力为2.5MPa。 2、由第6问可知，反应器的进料温度即3号流股的温度为400℃，操作压力为15MPa。

3、两个闪蒸罐用ASPEN模拟，由第2问的结果，第一个闪蒸罐的气相分率为 ，同理，第二个闪蒸罐的气相分率为0.0976，将数据输入Aspen。 六、给出反应器类型选择原则，给出反应条件，当合成氨生产能力为5 万吨/年时，简单计算反应器体积

1、反应器类型选择原则

①按聚集状态可分为均相和非均相反应。均相反应又可分为气相反应和液相反应, 非均相反应可分为气固相反应, 气液相反应和液液相反应及气液固三相反应等。

②化学反应器按其结构型式可分釜式、管式和塔式 ③按操作方法分可分为间歇、连续、半连续式三类。 ④按流动状态可分为平推流、全混流和非理想流三种。

选择反应器的最初原则是首先判断所给出的化学反应为何种相态, 应根据反应和催化剂的特征和工艺操作参数、设备制造、设备检修和催化剂的装卸等方面的要求, 综合起来考虑催化反应器的选型和结构, 采用固定床、流化床或是气- 液- 固三相床, 对于固定床还要近一步考虑结构选用单段绝热式, 多段绝热式, 多段冷激式, 还是连续换热式; 对于连续换热式还要考虑采用哪一种冷管结构。

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由于合成氨反应为放热反应，随着反应的进行，系统温度升高，对反应不利。为此采用多段固定床绝热反应器，在段间采用原料气冷激或者间接换热，以降低体系温度，尽量维持最佳反应温度。

2、简单计算反应器体积

反应器进口温度为400℃，压力为15MPa，且假设不考虑反应器内的压降。 合成氨反应：

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