目前以煤為原料的合成氨設(shè)計項目方案很多，有必要針對不同生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)規(guī)模準(zhǔn)確快捷地進(jìn)行物料衡算。如果能編出程序，做到只要輸入設(shè)定條件，幾分鐘就自動得到所需要的物料平衡數(shù)值，會給大家?guī)�來方便。筆者在《化肥設(shè)計》2009年第3期發(fā)表了《利用電子表格軟件進(jìn)行合成氨高壓圈物料衡算》一文，介紹采用循環(huán)迭代的方法進(jìn)行高壓圈物料衡算。隨后作者用此法對整個醇烴化精制氨合成系統(tǒng)進(jìn)行了物料衡算，并用Visual Basic語言編程，效果也相當(dāng)不錯，能夠簡單快捷進(jìn)行物料衡算，下面作一簡單介紹，供同行參考。

1  計算條件

（1）合成氨產(chǎn)量（指生產(chǎn)規(guī)模）

（2）年操作時間

（3）進(jìn)合成塔混合氣氨含量

（4）出合成塔混合氣氨含量

（5）新鮮氣中甲烷含量

（6）新鮮氣中氬氣含量

（7）氨合成塔進(jìn)塔氣氫氮比

（8）預(yù)計粗甲醇產(chǎn)量

（9）醇化塔A循環(huán)機(jī)打氣量為原料氣的倍數(shù)

2  工藝流程

    不同的流程計算方法不同。本計算方法對應(yīng)的流程如圖1所示。半水煤氣經(jīng)變換脫碳后作為原料氣進(jìn)第一甲醇塔（A）進(jìn)行反應(yīng)，為使反應(yīng)不過于激烈燒壞催化劑，一般要加循環(huán)氣以降低入塔CO濃度，出A塔CO和CO₂濃度之和控制在1.8%～2.0％，然后進(jìn)第二甲醇塔（B），B塔主要是進(jìn)一步除少量CO和CO₂，一般不加循環(huán)氣，AB二塔分離出的液體為粗甲醇，去儲槽，氣相進(jìn)烴化塔作最后的精制，出烴化塔氣體為進(jìn)氨塔新鮮氣，經(jīng)熱交預(yù)熱進(jìn)塔，出塔氣經(jīng)熱交、水冷、冷交、氨冷等分離液氨后，氣相放空一部分，大部分經(jīng)冷交回循環(huán)機(jī)再返回系統(tǒng)，即與新鮮氣混合再次進(jìn)氨塔循環(huán)。

     圖1  醇烴化工藝流程示意

3  計算過程中的一些假定（程序設(shè)定）

    （1）合成壓力取25.3312 MPa來查取相平衡常數(shù)（冷交取25 ℃，氨分�。�10 ℃），氨罐取 1.568 MPa、17 ℃來查取相平衡常數(shù)。（以上壓力、溫度可調(diào)整，做成不同的軟件版本。）

    （2）甲烷與氬的混合氣定義為惰性氣體，其組分的相平衡常數(shù)均取甲烷與氬的加權(quán)平均值。這樣，惰性氣體的各組分含量可按惰性氣體比例分配，實現(xiàn)平衡。

    （3）因甲醇反應(yīng)是在有限CO過量氫條件下進(jìn)行的，有較高的轉(zhuǎn)化率，為節(jié)能盡可能在低壓低溫下運行，計算時可忽略溫壓變化的影響，即在一定溫壓范圍內(nèi)計算結(jié)果不作修正。

（4）只計算放空和液氨溶解二部分的損失，忽略循環(huán)機(jī)填料函及各分離設(shè)備排放泄漏損失。

4  氨合成計算的特點

合成氨新鮮氣必須滿足氨產(chǎn)量、氫氮損失及氨損要求，保持氨平衡和氫氮氣平衡，同時又因其帶入惰性氣體，只有通過調(diào)整放空量才能保惰性氣體的平衡。由于惰性氣體不參加化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)放空量偏低時(放空比例小)，惰性氣體就會不斷累積，并在較高的惰性氣體濃度下實現(xiàn)動態(tài)平衡。反之，將放空量加大（放空比例大），惰性氣體就會逐步減少，在較低的惰性氣體濃度下重新實現(xiàn)新的動態(tài)平衡。改變放空量，就會對應(yīng)不同的惰性氣體平衡濃度。反之，設(shè)定不同的惰性氣體濃度，就會對應(yīng)不同的放空量。由此可見，合成氨的物料衡算除了要保持氫氮氣體的平衡外，還要實現(xiàn)惰性氣體的累積平衡，而整個平衡過程都是動態(tài)的，相互影響的^［6］。顯然，這是一個多個變量組成的方程組的求解問題。根據(jù)循環(huán)回路的氫平衡、氮平衡、惰氣平衡，可列出以新鮮氣與放空氣為變量的二元一次聯(lián)立方程，用二階行列式對之求解。同樣，根據(jù)氨平衡和總物料平衡可列出以進(jìn)塔氣與出塔氣為變量的二元一次聯(lián)立方程，同樣用二階行列式求解^［1］。

5  相平衡計算

在冷交、氨分、氨罐的氣液平衡計算程序中采用了氣液比循環(huán)迭代的方法，即不斷改變氣液比，驗證氣液是否平衡，誤差小于萬分之一就認(rèn)為平衡了，停止循環(huán)，也就是說，將每一次運算結(jié)果進(jìn)行驗證，看物料是否平衡，如不平衡就回過頭去增加或減少變量的值（循環(huán)迭代），直到基本相等為止（偏差取0.00001）。例如，氨分離器設(shè)定的氣液比為18，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果的氣液比＞18，就要加大氣液比設(shè)定值，如改為18＋0.00001，如此循環(huán)，當(dāng)設(shè)定值－計算值＜0.00001時，如，（18.121510－18.121505）＜0.00001時，就認(rèn)為誤差在允許范圍，停止循環(huán)^［1］。

6  醇烴化的計算

醇烴化部分基本按化學(xué)反應(yīng)耗氣量來算^［2］。粗甲醇產(chǎn)品組成采用現(xiàn)場取樣分析值（按重量計）：甲醇92.4％；二甲醚3.2％；異丁醇0.2％；辛烷0.2％：水4％。（實際分析結(jié)果還含有甲酸、甲酸甲脂、丙酮、丁酮等物質(zhì)，均在0.07％以下，故忽略不計。）同樣現(xiàn)場取樣的烴化物為：甲醇33％；乙醇15％；異丁醇8％；辛烷5％；水39％。值得指出的是，由于缺乏氬氣在甲醇中的溶解度數(shù)據(jù)，造成粗甲醇溶解氬氣量為0，也就造成甲醇儲罐弛放氣中氬氣量為0，顯得不夠嚴(yán)謹(jǐn)，今后應(yīng)該加上氬的溶解量。第二級醇化和烴化的目的是精制。為了利用反應(yīng)熱維持反應(yīng)，盡可能少開電爐，自然就存在一個最低進(jìn)塔反應(yīng)氣含量問題，同樣也就存在最低反應(yīng)物量的問題。經(jīng)過計算最低噸氨產(chǎn)烴化物為15 kg，同樣第二級最低醇化物量為75 kg，將此引入計算后，進(jìn)二級醇化塔的CO＋CO₂含量為1.8％～2.0％，出塔為0.27％～0.28％滿足工藝要求^［3］。

7  應(yīng)用實例

7.1  設(shè)定條件

    （1）合成氨產(chǎn)量  70000 t/a

    （2）年操作時間  7000 h

    （3）進(jìn)合成塔混合氣氨含量  2.50%

    （4）出合成塔混合氣氨含量  14.30%

    （5）新鮮氣中甲烷含量  1.40%

    （6）新鮮氣中氬氣含量  0.33%

    （7）氨合成塔進(jìn)塔氣氫氮比  3.00

    （8）預(yù)計粗甲醇產(chǎn)量  30000 t/a

    （9）醇化循環(huán)量為原料氣的倍數(shù)  6.0

7.2  用戶界面

圖2所示窗體為用戶輸入條件的對話界面，按“計算”按鈕后，等候約10 s可完成整個程序的運行，運算結(jié)果保存在結(jié)果表中。  

 圖2  用戶輸送條件對話界面

7.3  計算結(jié)果

用Visual Basic語言編程，既可將結(jié)果放在記事本中，也可以放在電子表格中，格式基本一致，本文所示的是電子表格的結(jié)果表（表1）。 

8  結(jié)論與思考

    （1）利用計算機(jī)軟件進(jìn)行合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇物料衡算是提高設(shè)計工作效率、免除繁重手工筆算的好辦法。

    （2）解二元一次聯(lián)立方程和相平衡氣液比的試算與驗算是物料衡算中比較麻煩的程序，利用行列式直接求解和循環(huán)迭代的辦法比較順利地解決了此問題。

    （3）惰性氣體按比例加權(quán)平均計算惰性氣體平衡常數(shù)是解決惰性氣體平衡的一個辦法，也可以采用循環(huán)迭代做到惰性氣體平衡，但計算將變得更加復(fù)雜，而計算得再精確實際意義也不大。

    （4）設(shè)定一個最低的噸氨甲醇量和噸氨烴化物量，可保證進(jìn)二級甲醇塔和烴化塔的CO＋CO₂濃度控制在工藝要求的范圍內(nèi)（1.8%～2.0％和0.25%～0.28％）。假如工藝要求進(jìn)烴化塔（醇后氣）CO＋CO₂濃度提高到0.35％^［4］，只要將噸氨烴化物量由15 kg增加到19.1 kg即可。

    （5）醇烴化的計算主要取決于反應(yīng)產(chǎn)物的含量，由于副反應(yīng)的存在，產(chǎn)物的含量不一樣，計算結(jié)果也不完全相同，這也與精制反應(yīng)使用的催化劑特性有關(guān)。

    （6）本程序可能存在不少問題，例如沒有氬在甲醇中的溶解度數(shù)據(jù)，造成甲醇弛放氣中氬氣為零，這樣做顯得不夠嚴(yán)謹(jǐn)，希望大家提供這方面的信息或試驗數(shù)據(jù)，逐步完善計算程序。當(dāng)然，對工程設(shè)計而言，這一點也可以忽略不計。

參考文獻(xiàn)

［1］梅安華主編.小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995（第1版）.

［2］馮元琦.聯(lián)醇生產(chǎn)（第二版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

［3］謝定中，范逢源.合成氨原料氣雙甲（醇烷化）精制工藝條件的討論［J］.化工進(jìn)展，2006，25（7）：833～836, , .

［4］謝定中.論合成氨原料氣醇烴化（雙甲）精制工藝的先進(jìn)性及工藝指標(biāo)的優(yōu)化. 2007.

［5］氮肥工藝設(shè)計手冊（理化數(shù)據(jù)）［M］.北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1977.

［6］趙正光.利用電子表格軟件進(jìn)行合成氨高壓圈物料衡算［J］.化肥設(shè)計，2009，47(3)：13～16.