基于GUI的合成氨綜合能耗計算軟件

高天真 湯松臻 劉園園 劉廣鑫 李鎮威 楊靜怡

(鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

1 背景概述

1.1 合成氨工業開發背景、能耗軟件開發與工藝現狀

現如今經濟的快速發展使節能減排工作受到高度重視，黨中央、國務院也多次召開會議進行部署，不斷加強節能減排的目標和任務。因此，合成氨工業必須走低碳經濟發展之路。

合成氨的能耗計算向來重要，但是由于計算量大，計算復雜，利用圖例計算的準確度低并且單機效率低，工藝技術落后，壓縮機技術跟不上，促使能量的利用率低。因此，利用合成氨能耗計算軟件，可以簡化能耗計算，優化能源利用，最終提高利用率。通過實現合成氨能耗數據，提出改良方案，從而實現能量的綜合利用，提高經濟效益。

世界各國對合成氨評估的方法和理論進行了廣泛的研究和探討，主要的評估方法主要有:經驗法、邏輯推導法、指數法、計算機模擬和綜合評價法。合成氨綜合能源的計算分析，是多因素共同作用的結果，不少方法都忽略了某些影響因素以及各因素間相互的影響，使能源消耗評估存在一定的局限性。因此，增強氨合成能源綜合評估方法的理論研究，并將其與計算機技術結合起來，開發針對氨合成能源評估的綜合評估軟件，實現高效、快速的性能評估，可以在一定程度上彌補這種缺陷。

2 合成氨能耗分析計算研究

2.1 物料衡算

2.1.1 計算物料點流程

由于合成氨整個流程比較復雜，因此需要找到整個流程中的耗能最大的工段，再對工段的能耗進行分析研究，如圖2-1所示:

圖2-1 帶物料點流程示意圖1、2、3、4、5—精煉氣;6、7、8、9、10、11、12、14、17、18—合成氣;13—放空氣;20—馳放氣;15、16、19、21—液氨

2.1.2 合成塔入口氣組分

表2-1 入塔氣組分含量(%)

2.1.3 合成塔出口氣組分

以1000kmol入塔氣作為計算基準求出塔氣組分

由式(2-1)計算塔內生成氨含量

合成率為

2.2 氨分離器氣液平衡計算

設氨分離器進口氣液混合F，進口物料組分m(i);分離氣相組分y(i)，氣量V;分離液相組分x(i)，液量L，其中進口物料組分m(i)等于合成塔出口氣體組分。根據氣液平衡原理，以1kmol進口物料為計算基準，即F=1kmol。由氣液平衡原理:

式中:K(i)——組分i平衡常數

根據分離物料之間的相關聯系，可以求出分離器入口，分離器出口的各相關參數，由于氨的分離，出口成分包括氣體與液體兩相，因此成分如表2-2所示:

表2-2 分離器入口混合物組分m(i)

2.3 冷交換器氣液平衡計算

根據氣液平衡原理x(i)=y(i)+K(i)，由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進口氣體含量，由合成塔入口氣體含量y(i)和操作條件下的分離溫度可查出K(i)，便可解出x(i)。

表2-3 t=-10℃，P=28.028MPa的平衡常數

3 應用實例

3.1 物料計算

首先，輸入計算數據，點擊〈計算〉之后，即顯示計算結果(圖3-11);其次，可以查看出口氣比例圖(圖3-12);最后，單擊〈清空〉，即可將界面內的數據清空。

圖3-11 物料計算結果界面

圖3-12 物料計算比例圖界面

從圖中可以看出，出口處氫氣含量最大，氨氣含量相對較少。合成反應中氫氣與氮氣的比例應控制在符合生產要求的比例范圍內，才能使合成氨的生產效率有所提高。

3.2 氨分離器氣液平衡計算

圖3-21 氨分離器氣液計算界面

圖3-22 氨分離器氣液計算比例圖界面

同上操作，可以看出:經過氨分離器之后，液體中氨的含量最大，氣體中仍是氫氣含量最大，大部分的氨氣均融入水中，便于氨與氣體的分離。

3.3 冷交換氣液平衡計算

圖3-31 冷交換氣液平衡計算界面

圖3-32 出口液組分比例界面

同上操作，可以看出:經過冷交換器之后，經過反應和溶解，液體中氨的含量進一步增加，達到98%的高含量，可以初步判斷生產物料的反應消耗獲得有效利用，產率較高。同時可為實際生產提供可靠的理論依據。

4 結論

1)本軟件通過分別從物料、氨分離器氣液平衡、冷交換器氣液平衡計算，用以分析并降低合成氨工藝中的能耗。

2)用MATLAB模擬合成氨綜合能耗，在此基礎上用以分析并合成氨工藝中的能耗。本軟件能夠通過計算分析為合成氨生產企業提供可靠數據。

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