改良型Kellogg大型氨厂物料和能量衡算软件的开发研究
摘要
合成氨是重要的化工产品，在国民经济中具有十分重要的意义。合成氨工艺是最典型的化工生产工艺之一，它集原料前处理、反应、传热、传质、分离、产品后处理等为一体，设备多，流程长而复杂。合成氨还是一个消耗原料、燃料和动力很大的化工产品。从七十年代能源危机自今，能源供应紧张，价格越来越高，同时世界各国对环境保护的要求也越来越高，严峻的形势迫使合成氨生产企业实施节能降耗技术改造。赤天化广泛收集、研究当今世界合成氨发展的最新成果，完全依靠自己的力量，在全国首次对传统的Kellogg制氨工艺进行改良，于96年完成增产节能改造，一次开车成功。经过几年的摸索和运行，完全达到了增产和节能的预期目标。
本文综合物理化学、化工原理、反应工程、分离工程、数值计算、计算机等学科相关内容，针对改良Kellogg流程中天然气增湿、富液冷却工艺、分子筛除水、氨合成塔后分氨和驰放气氢回收等新增关键部分及原装置中一段炉、二段炉、脱碳、冷冻等重要部分进行深入研究，作出全装置物料平衡数学模型和能量平衡数学模型。
本文论述了装置中各组分的热力学物性计算模型、相平衡计算模型。用理论计算代替插值等数值计算。
针对改良型Kellogg大型氨厂回路复杂，交叉点多，实际生产参数变化频繁等复杂情况，本文研究和开发出了简捷、快速的计算方法，使迭代试差计算迅速收敛。
摘要
本研究成果己利用设计数据和生产实际数据进行检验，结果表明各项数据
符合实际，准确可靠。程序的运行结果被企业、设计院和大学用于进一步研究
节能降耗的重要基础数据。程序的运行结果还被企业用于管理，如考核车间消
耗，校核流量计等。
Ammonia is an important chemical product and it plays a very significant role in the national economy. The process of ammonia production is a typical chemical technology, which includes material treatment, chemical reaction, heat and mass transfer, and product post-treatment. The process is long and complex. Besides, there are many equipments in the process. Furthermore, the production of ammonia consumes a lot of raw material, fuel and power. Since 1970' energy resource crisis, we have faced problems of both lack of energy supply and its higher and higher price. Meanwhile, the nations in the world have made more restrict requirements to environment protection. All these rigorous situations force the ammonia producers to perform technical implements for energy saving, capacity increasing and consumption reducing. The CHITIANHUA made its technical revamping to the traditional Kellogg's ammonia technology firstly by itself in China after widely collecting and researching the newest achievements for ammonia pro
duce technology. The revamping had completed in 1996.Through exploring and operation for a couple of years, the objects of both production increasing and energy saving had fully approached.
This Article made deep research to key process, such as wetting system of feed gas, richen solution technology for CO2 removal, moisture removal by molecular sieve, ammonia separation post-converter, and hydrogen recovery from purge gas by
cryogenic process, also to the important operation sections including the primary reformer, the secondary reformer, the CO2 removal and the ammonia chilling process. Based on the works mentioned above, this Article established a lot of mathematic models to material and energy balances for whole equipments by utilizing the acknowledge of physical chemistry, the principle of chemical engineering, separation engineering, numerical analysis and computer technology. This Article expounds the thermodynamic models of properties and phase equilibrium. This research result uses theoretical calculation instead of some numerical method to resolve engineering problems. Retrofitted Kellogg's large-scale ammonia plant has complex loops and many
operation parameters that are frequently changing. To counter this case, this Article developed some short-cut calculation methods that can rapidly lead to iteration convergence. It was already proved that the simulation results by the software developed in the work were corrected compatible to actual operation data in CHITIANHUA. These achievement can be used as basic data for further research of energy saving and consumption reducing for the enterprise, design institutes and some universities. Also the results can be used in enterprise administration, such as checking of consumption in its workshops, and correcting relative flowmeters.
本文综合物理化学、化工原理、反应工程、分离工程、数值计算、计算机等学科相关内容，针对改良Kellogg流程中天然气增湿、富液冷却工艺、分子筛除水、氨合成塔后分氨和驰放气氢回收等新增关键部分及原装置中一段炉、二段炉、脱碳、冷冻等重要部分进行深入研究，作出全装置物料平衡数学模型和能量平衡数学模型。
本文论述了装置中各组分的热力学物性计算模型、相平衡计算模型。用理论计算代替插值等数值计算。
针对改良型Kellogg大型氨厂回路复杂，交叉点多，实际生产参数变化频繁等复杂情况，本文研究和开发出了简捷、快速的计算方法，使迭代试差计算迅速收敛。
摘要
本研究成果己利用设计数据和生产实际数据进行检验，结果表明各项数据
符合实际，准确可靠。程序的运行结果被企业、设计院和大学用于进一步研究
节能降耗的重要基础数据。程序的运行结果还被企业用于管理，如考核车间消
耗，校核流量计等。
Ammonia is an important chemical product and it plays a very significant role in the national economy. The process of ammonia production is a typical chemical technology, which includes material treatment, chemical reaction, heat and mass transfer, and product post-treatment. The process is long and complex. Besides, there are many equipments in the process. Furthermore, the production of ammonia consumes a lot of raw material, fuel and power. Since 1970' energy resource crisis, we have faced problems of both lack of energy supply and its higher and higher price. Meanwhile, the nations in the world have made more restrict requirements to environment protection. All these rigorous situations force the ammonia producers to perform technical implements for energy saving, capacity increasing and consumption reducing. The CHITIANHUA made its technical revamping to the traditional Kellogg's ammonia technology firstly by itself in China after widely collecting and researching the newest achievements for ammonia pro
duce technology. The revamping had completed in 1996.Through exploring and operation for a couple of years, the objects of both production increasing and energy saving had fully approached.
This Article made deep research to key process, such as wetting system of feed gas, richen solution technology for CO2 removal, moisture removal by molecular sieve, ammonia separation post-converter, and hydrogen recovery from purge gas by
cryogenic process, also to the important operation sections including the primary reformer, the secondary reformer, the CO2 removal and the ammonia chilling process. Based on the works mentioned above, this Article established a lot of mathematic models to material and energy balances for whole equipments by utilizing the acknowledge of physical chemistry, the principle of chemical engineering, separation engineering, numerical analysis and computer technology. This Article expounds the thermodynamic models of properties and phase equilibrium. This research result uses theoretical calculation instead of some numerical method to resolve engineering problems. Retrofitted Kellogg's large-scale ammonia plant has complex loops and many
operation parameters that are frequently changing. To counter this case, this Article developed some short-cut calculation methods that can rapidly lead to iteration convergence. It was already proved that the simulation results by the software developed in the work were corrected compatible to actual operation data in CHITIANHUA. These achievement can be used as basic data for further research of energy saving and consumption reducing for the enterprise, design institutes and some universities. Also the results can be used in enterprise administration, such as checking of consumption in its workshops, and correcting relative flowmeters.
引文
1．蒋德军，大氮肥装置调整原料和产品结构方案探讨，大氮肥，2001，24(3)：147
2．陈五平主编，无机化工工艺学(三)化学肥料，化学工业出版社，1989
3．徐洪源、廖新文，布朗合成氨工艺技术特点介绍，大氮肥．全国大型合成氨装置十三届技术年会文集，1997
4．范立新，渭河化肥厂合成氨装置工艺简介及技术分析，大氮肥．全国大型合成氨装置十三届技术年会文集，1997
5．孙宝慈，近两年大型合成氨装置运行和技术改造综述，大氮肥，2000，23(1)：1～6
6．化学工业部化肥司、化工部第四设计院，大型化肥装置基础资料汇编，1993：539～574
7．程哲元，赤天化集团公司主体装置技术改造方案，大氮肥．全国大型合成氨装置十三届技术年会文集，1997
8．程哲元，原料气增湿系统，大氮肥，1999，22(5)：310～312
9．程哲元，轴径向变换炉简介，大氮肥，1999，22(6)：382～384
10．程哲元，苯菲尔脱碳工艺的系统改造，大氮肥，2000，23(1)：23～27
11．程哲元，凯洛格传统设计氨厂合成回路改造，大氮肥，2000，23(3)：145～148
12．熊劲松、匡正杨，赤天化合成氨装置运行总结及考核，煤气化技术通讯，2001，9(1-2)：18～21
13．袁一、曾宪龙，大型氨厂合成氨生产工艺，化学工业出版社，1981
14．童景山，流体的热物理性质，中国石化出版社，1996
15．王福安，化工数据导引，化学工业出版社，1995
16．石油化学工业部化工设计院主编，氮肥工艺设计手册(理化数据)，石油化学工业出版，1977
17．中国寰球化学工程公司主编，氮肥工艺设计手册(气体压缩、氨合成、甲醇合成)，化学工业出版社，1989
18．上海市化学工业局设计室，3000吨合成氨厂工艺和设备计算，化学工业
出版社，1977
19．陈五平主编，无机化工工艺学(一)合成氨，化学工业出版社，1981：364～376
20．党洁修，修正的R-K方程在氨厂的应用，四川化工，1981(4)
21．党洁修、涂敏端、王煤，合成氨反应体系的热力学性质图与卡萨利氨合成塔的有用能分析，化工厂设计，1990．1：8～15
22．张联科，化工热力学，化学工业出版社，1980
23．陈钟秀、顾飞燕，化工热力学，化学工业出版社，1993
24．雷一东、葛喜臣，化工热力学，重庆大学出版社，1989
25．“化学工程手册”编辑委员会，化学工程手册(1)化工基础数据，1989：163～189
26．西安热工研究所译，水和水蒸汽热力学性质图表，水利电力出版社，1977
27．麻德贤，“氨合成物料MH_3-N_2-H_2-Ar-CH_4系统气-液相平衡的电子计算机计算及其在工程设计中的应用”，化学工程，1978(4)：33
28. J.M.Prausnitz,Molecular Thermodynamics Fluid-Phase Equilibria, Prentice-Hall,Inc.,1969
29．郭天民，多元汽-液平衡和精馏，化学工业出版社，1983
30．大连工学院译，日产千吨氨厂操作手册，1975：326
31．袁一、胡德生，化工过程热力学分析法，化学工业出版社，1985
32．党洁修、涂敏瑞，化工节能基础，成都科技大学出版社，1986
33．于遵宏、朱炳辰、沈才大，大型合成氨厂工艺过程分析，中国石化出版社，1993
34．张成芳，合成氨工艺与节能，华东工学院出版社，1988：77～79
35．张吉瑞，化工数值方法，中国石化出版社，1995
36．徐士良，Fortran常用算法程序集，清华大学出版社，1995
37．李斯特，工程热力学原理，化学工业出版社，1990：128～132
38．化工部化肥司，美国M.W凯洛格型日产千吨氨厂工艺手册，1980：157～163
39．化工部第二设计院，赤天化主体装置节能增产技术改造工程初步设计(第一册)，1994
40．化工部第二设计院，赤天化主体装置节能增产技术改造工程初步设计(第二册)，1994
41．谭浩强、田淑清，FORTRAN语言·FORTRAN 77结构化程序设计，清华大
学出版社，1990
42．彭秉璞，化工系统分析与模拟，化学工业出版社，1990
43．武汉大学、山东大学计算数学教研室，计算方法，人民教育出版社，1979
44．钱乐秋，陈增荣，朱扬勇，FORTRAN语言程序设计与数值计算，高等教育出版社，1997
2．陈五平主编，无机化工工艺学(三)化学肥料，化学工业出版社，1989
3．徐洪源、廖新文，布朗合成氨工艺技术特点介绍，大氮肥．全国大型合成氨装置十三届技术年会文集，1997
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7．程哲元，赤天化集团公司主体装置技术改造方案，大氮肥．全国大型合成氨装置十三届技术年会文集，1997
8．程哲元，原料气增湿系统，大氮肥，1999，22(5)：310～312
9．程哲元，轴径向变换炉简介，大氮肥，1999，22(6)：382～384
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11．程哲元，凯洛格传统设计氨厂合成回路改造，大氮肥，2000，23(3)：145～148
12．熊劲松、匡正杨，赤天化合成氨装置运行总结及考核，煤气化技术通讯，2001，9(1-2)：18～21
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38．化工部化肥司，美国M.W凯洛格型日产千吨氨厂工艺手册，1980：157～163
39．化工部第二设计院，赤天化主体装置节能增产技术改造工程初步设计(第一册)，1994
40．化工部第二设计院，赤天化主体装置节能增产技术改造工程初步设计(第二册)，1994
41．谭浩强、田淑清，FORTRAN语言·FORTRAN 77结构化程序设计，清华大
学出版社，1990
42．彭秉璞，化工系统分析与模拟，化学工业出版社，1990
43．武汉大学、山东大学计算数学教研室，计算方法，人民教育出版社，1979
44．钱乐秋，陈增荣，朱扬勇，FORTRAN语言程序设计与数值计算，高等教育出版社，1997