四川理工学院毕业设计1(7)

四川理工学院毕业设计 工艺计算

2.3热量衡算

2.3.1冷交换器热量衡算

（1） 热气进口温度

由于冷交换器热气进口温度等于水冷器气体出口温度，由题意知t1=35℃ （2） 冷气进口温度

为了保证合成塔入口氨含量在3.0%，出氨冷器气体的氨含量必须小于或等于3.0%，设过饱和度为10%，则在该冷凝温度下的平衡氨含量为

yNH3=0.03/1.13100%=2.73%

查《小氮肥厂工艺设计手册》图平衡氨含量为2.73%时的冷凝温度t2=-10℃ ，故冷气进口温度等于-10℃

（3） 热气体带入热量 热气体在器内处与氨饱和区内，计算气体比热容时先求常压下气体比热容，然后用压力校正的办法计算实际的气体比热容。 t14=35 ℃，P=29.1MPa时查《小氮肥厂工艺设计手册》各组分比热容得：

表2-25 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

Cp

N2 0.1672 48.655 31.35

H2 0.5175 150.593 29.511

CH4 0.1116 32.476 39.919

Ar 0.0447 13.008 21.318

NH3 0.150 43.65 82.764

Cp1=0.1672331.35+0.5175329.511+0.1116339.919+0.0447321.318+0.150382.764=38.337KJ/(Kmol℃)

由《小氮肥厂工艺设计手册》附表1-1-1，查出临界参数，可以得出 Tr=2.845 Pr=9.156

由Tr，Pr查《小氮肥厂工艺设计手册》附图1-5-19可查出△Cp=4.623kj/（Kmol℃） 热气体带入热量 Q1=V1Cp1t1

=11007.75/22.43(38.337+4.623)335=611986.11KJ/tNH3

(4)冷气体带入热量

t2=-10℃， P=28.3MPa时查《小氮肥厂工艺设计手册》各组分比热容得：

表2-26 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

N2 0.21 59.43 33.022

H2 0.62 175.46 29.427

CH4 0.1 28.3 38.038

Ar 0.04 11.32 21.402

NH3 0.03 8.49 45.980

Cp

Cp4=0.21333.022+0.62329.427+0.1338.038+0.04321.402+

- 26 -

0.03345.98=31.219KJ/(Kmol℃)

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由《小氮肥厂工艺设计手册》附表1-1-1，查出临界参数，可以得出 Tr=3.345 Pr=11.156

由Tr，Pr查《小氮肥厂工艺设计手册》附图1-5-19可查出△Cp=4.078kj/（Kmol℃） 冷气体带入热量 Q2=V2t2Cp2

=13227.534/22.43(31.281+4.078)3（-10）=-179445.04

KJ/tNH3 （5）氨冷凝热

设热气体出口温度为20℃，热气体在器内由35℃冷却到20℃，之后进行氨冷凝，查出氨冷凝热INH3=1698.334KJ/Kg

液氨冷凝放出热量 Q冷=279.83/22.432031698.334=424325.717 KJ/tNH3 （6）液氨带入热量查-10℃液氨比热容Cp= 4.535 KJ/kg℃

液氨带入热：Q4L=574.83/22.432034.5353(-10)=-23275.483 KJ/tNH3 （7）热气体带入热

T17= 20℃，P=28.7MPa时查《小氮肥厂工艺设计手册》各组分在常压下，20℃的摩尔比热容得：

表2-27 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

N2 0.193 55.391 30.012

H2 0.5671 162.758 29.260

CH4 0.1215 34.871 39.71

Ar 0.0489 14.034 21.318

NH3 0.0695 19.947 79.42

Cp

Cp=0.193330.012+0.5671329.26+0.1215339.71+0.0489321.318+0.0695379.42=33.77KJ/Kmol℃

由《小氮肥厂工艺设计手册》附表1-1-1，查出临界参数，可以得出 Tr=2.793 Pr=9.556

由Tr，Pr查《小氮肥厂工艺设计手册》附图1-5-19可查出△Cp=4.451kj/（Kmol℃） 热气体带出热量：Q3=V3Cp3t3

=10649.889/22.43(33.77+4.451)317=253771.359KJ/tNH3

（8）热气体中液氨带出热

查20℃液氨比热容Cp= 4.682KJ/kg℃

Q3L=279.83/22.431734.682317=16903.456KJ/tNH3

（9） 冷气体中分离液氨带出热 Q2=Q4L=-23275.483KJ/tNH3 （10）冷气体出口带出热

- 217 -

Q5=Q1+Q4+Q+Q4L-Q3-Q3L-Q4L

=611986.11-179445.04+424325.717-253771.359-16903.456 =586191.972KJ/tNH3

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Q5=V5Cp5t5 t5=Q5/V5Cp5

=586191322.4/12833.7413Cp5=1021.855/Cp5

设t3=30℃ ,P=28.2MP时各查《小氮肥厂工艺设计手册》组分常压下比热容得：

表2-28 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

N2 0.21 59.22 31.935

H2 0.62 174.484 29.511

CH4 0.1 28.2 39.71

Ar 0.04 11.28 21.318

NH3 0.03 8.46 48.906

Cp

Cp5=0.21331.935+0.62329.511+0.1339.71+0.04321.318+0.03348.906=31.294KJ/(Kmol℃)

t5=1021.855/31.294=32.653℃ （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） =(611986.11+424325.717)-( 253771.359+16903.456) =765637.012 KJ/tNH3

2.3.2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=253771.359KJ/tNH3

（2） 气体中液氨带入热量Q3由冷交换器热量计算得 Q3=16903.456KJ/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=L4322.43173INH3

=292.664/22.431731295.633=287773.911KJ/tNH3

(4) 新鲜气带入热量Q1

t1=35℃,P=31.37MP,查查《小氮肥厂工艺设计手册》各组分气体比热容:

表2-29 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

N2 0.2431 76.260 31.768

H2 0.747 234.334 29.678 - 28 -

CH4 0.0071 2.227 35.948

Ar 0.0028 0.878 20.9

Cp

Cp1=0.2431331.768+0.747329.678+0.0071335.948+0.0028320.9 =30.206KJ/(Kmol℃)

新鲜气带入热量 Q1=V1Cp1t1=2883.556/22.4330.206335

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=154612.715KJ/tNH3

氨冷器收入总热量 Q=Q3+Q3L+Q冷+Q1

=253771.359+16903.456+287773.911+154612.715 =713061.441KJ/tNH3 （5）氨冷器入口混合气温度t4计算 由热平衡

Q4=Q-Q冷=V4Cp4t4+V4LCp4Lt4

=713061.441-287773.911=425287.53KJ/tNH3

t4=Q4/V4/(Cp4+Cp4L3284.979317/11905.671)=800.160/(Cp4+0.406Cp4L) 设t18=22.5℃，P=28.42MP时，查《小氮肥厂工艺设计手册》各组分气体比热容:

表2-30 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压 Cp’

N2 0.1943 55.220 31.852

H2

CH4 0.1054 29.955 38.038

Ar 0.0425 12.079 21.234

NH3 0.0598 16.995 81.092

0.5981 169.980 29.511

Cp4=0.1943331.852+0.5981329.511+0.1054338.038+0.0425321.234+0.0598381.092=33.600KJ/(Kmol℃)

由《小氮肥厂工艺设计手册》附表1-1-1，查出临界参数，可以得出 Tr=3.268 Pr=10.263

由Tr，Pr查《小氮肥厂工艺设计手册》附图1-5-19可查出△Cp=3.6491kj/（Kmol℃）

查t=22.5℃时 Cp4L=4.765KJ/(Kmol℃)

代入 t4=800.160/(33.600+0.40634.765)=22.52 与假设一致 混合后氨冷器入口热气温度22.5℃

（6）气体带出热量Q2 由冷交换器热量计算Q2=-179445.049kJ/tNH3 （7）气体中液氨带出热量Q2L由冷交换器热量计算Q2L=-23275.483KJ/tNH3 （8）液氨蒸发吸收热量Q吸

由热平衡计算 Q吸=Q入-(Q2+Q2L)

=713061.441+179445.049+23275.483=915781.973 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

- 29 -

=1663.767-535.583=1128.185KJ/K

（9）冷冻量计算 W=Q吸/ΔINH3

=915781.973/1128.185=811.730Kg

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表2-31 氨冷器进出热量汇总表

进口 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

Kj 253771.359 16903.456 287773.911 154612.715 713061.441

出口 气体带出Q2 液氨带出Q2L 冷冻量Q吸

总Q出

Kj -179445.049 -23275.483 915781.973

713061.441

2.3.3 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2-32 各组分的绝热指数

K1

NH3 1.29

CH4 1.31

Ar 1.66

H2 1.41

N2 1.4

则有公式

yi1??入 KKi?1=0.025/(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

?P出T出?T入??P?入????K?1K 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( 28=311.673K=38.673℃

（2） 气体带入热量由前计算 Q5=586191.972

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)

=12833.741/6030.098/283(273+39)/273=0.857m3/min

- 30 -

将上述数据代入压缩功计算工式中得

N=43.385KW

压缩热 QN=3600N=3600343.385=156186KJ/tNH3

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