合成氨技术
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目前以煤为原料的合成氨设计项目方案很多，有必要针对不同生产工艺和生产规模准确快捷地进行物料衡算。如果能编出程序，做到只要输入设定条件，几分钟就自动得到所需要的物料平衡数值，会给大家带来方便。笔者在《化肥设计》2009年第3期发表了《利用电子表格软件进行合成氨高压圈物料衡算》一文，介绍采用循环迭代的方法进行高压圈物料衡算。随后作者用此法对整个醇烃化精制氨合成系统进行了物料衡算，并用Visual Basic语言编程，效果也相当不错，能够简单快捷进行物料衡算，下面作一简单介绍，供同行参考。
1 计算条件
（1）合成氨产量（指生产规模）
（2）年操作时间
（3）进合成塔混合气氨含量
（4）出合成塔混合气氨含量
（5）新鲜气中甲烷含量
（6）新鲜气中氩气含量
（7）氨合成塔进塔气氢氮比
（8）预计粗甲醇产量
（9）醇化塔A循环机打气量为原料气的倍数
2 工艺流程
不同的流程计算方法不同。本计算方法对应的流程如图1所示。半水煤气经变换脱碳后作为原料气进第一甲醇塔（A）进行反应，为使反应不过于激烈烧坏催化剂，一般要加循环气以降低入塔CO浓度，出A塔CO和CO2浓度之和控制在1.8%～2.0％，然后进第二甲醇塔（B），B塔主要是进一步除少量CO和CO2，一般不加循环气，AB二塔分离出的液体为粗甲醇，去储槽，气相进烃化塔作最后的精制，出烃化塔气体为进氨塔新鲜气，经热交预热进塔，出塔气经热交、水冷、冷交、氨冷等分离液氨后，气相放空一部分，大部分经冷交回循环机再返回系统，即与新鲜气混合再次进氨塔循环。
3 计算过程中的一些假定（程序设定）
（1）合成压力取25.3312 MPa来查取相平衡常数（冷交取
（2）甲烷与氩的混合气定义为惰性气体，其组分的相平衡常数均取甲烷与氩的加权平均值。这样，惰性气体的各组分含量可按惰性气体比例分配，实现平衡。
（3）因甲醇反应是在有限CO过量氢条件下进行的，有较高的转化率，为节能尽可能在低压低温下运行，计算时可忽略温压变化的影响，即在一定温压范围内计算结果不作修正。
（4）只计算放空和液氨溶解二部分的损失，忽略循环机填料函及各分离设备排放泄漏损失。
4 氨合成计算的特点
合成氨新鲜气必须满足氨产量、氢氮损失及氨损要求，保持氨平衡和氢氮气平衡，同时又因其带入惰性气体，只有通过调整放空量才能保惰性气体的平衡。由于惰性气体不参加化学反应，当放空量偏低时(放空比例小)，惰性气体就会不断累积，并在较高的惰性气体浓度下实现动态平衡。反之，将放空量加大（放空比例大），惰性气体就会逐步减少，在较低的惰性气体浓度下重新实现新的动态平衡。改变放空量，就会对应不同的惰性气体平衡浓度。反之，设定不同的惰性气体浓度，就会对应不同的放空量。由此可见，合成氨的物料衡算除了要保持氢氮气体的平衡外，还要实现惰性气体的累积平衡，而整个平衡过程都是动态的，相互影响的［6］。显然，这是一个多个变量组成的方程组的求解问题。根据循环回路的氢平衡、氮平衡、惰气平衡，可列出以新鲜气与放空气为变量的二元一次联立方程，用二阶行列式对之求解。同样，根据氨平衡和总物料平衡可列出以进塔气与出塔气为变量的二元一次联立方程，同样用二阶行列式求解［1］。
5 相平衡计算
在冷交、氨分、氨罐的气液平衡计算程序中采用了气液比循环迭代的方法，即不断改变气液比，验证气液是否平衡，误差小于万分之一就认为平衡了，停止循环，也就是说，将每一次运算结果进行验证，看物料是否平衡，如不平衡就回过头去增加或减少变量的值（循环迭代），直到基本相等为止（偏差取0.00001）。例如，氨分离器设定的气液比为18，发现计算结果的气液比＞18，就要加大气液比设定值，如改为18＋0.00001，如此循环，当设定值－计算值＜0.00001时，如，（18.121510－18.121505）＜0.00001时，就认为误差在允许范围，停止循环［1］。
6 醇烃化的计算
醇烃化部分基本按化学反应耗气量来算［2］。粗甲醇产品组成采用现场取样分析值（按重量计）：甲醇92.4％；二甲醚3.2％；异丁醇0.2％；辛烷0.2％：水4％。（实际分析结果还含有甲酸、甲酸甲脂、丙酮、丁酮等物质，均在0.07％以下，故忽略不计。）同样现场取样的烃化物为：甲醇33％；乙醇15％；异丁醇8％；辛烷5％；水39％。值得指出的是，由于缺乏氩气在甲醇中的溶解度数据，造成粗甲醇溶解氩气量为0，也就造成甲醇储罐弛放气中氩气量为0，显得不够严谨，今后应该加上氩的溶解量。第二级醇化和烃化的目的是精制。为了利用反应热维持反应，尽可能少开电炉，自然就存在一个最低进塔反应气含量问题，同样也就存在最低反应物量的问题。经过计算最低吨氨产烃化物为15 kg，同样第二级最低醇化物量为75 kg，将此引入计算后，进二级醇化塔的CO＋CO2含量为1.8％～2.0％，出塔为0.27％～0.28％满足工艺要求［3］。
7 应用实例
7.1 设定条件
（1）合成氨产量 70000 t/a
（2）年操作时间 7000 h
（3）进合成塔混合气氨含量 2.50%
（4）出合成塔混合气氨含量 14.30%
（5）新鲜气中甲烷含量 1.40%
（6）新鲜气中氩气含量 0.33%
（7）氨合成塔进塔气氢氮比 3.00
（8）预计粗甲醇产量 30000 t/a
（9）醇化循环量为原料气的倍数 6.0
7.2 用户界面
图2所示窗体为用户输入条件的对话界面，按“计算”按钮后，等候约10 s可完成整个程序的运行，运算结果保存在结果表中。
7.3 计算结果
用Visual Basic语言编程，既可将结果放在记事本中，也可以放在电子表格中，格式基本一致，本文所示的是电子表格的结果表（表1）。
8 结论与思考
（1）利用计算机软件进行合成氨联产甲醇物料衡算是提高设计工作效率、免除繁重手工笔算的好办法。
（2）解二元一次联立方程和相平衡气液比的试算与验算是物料衡算中比较麻烦的程序，利用行列式直接求解和循环迭代的办法比较顺利地解决了此问题。
（3）惰性气体按比例加权平均计算惰性气体平衡常数是解决惰性气体平衡的一个办法，也可以采用循环迭代做到惰性气体平衡，但计算将变得更加复杂，而计算得再精确实际意义也不大。
（4）设定一个最低的吨氨甲醇量和吨氨烃化物量，可保证进二级甲醇塔和烃化塔的CO＋CO2浓度控制在工艺要求的范围内（1.8%～2.0％和0.25%～0.28％）。假如工艺要求进烃化塔（醇后气）CO＋CO2浓度提高到0.35％［4］，只要将吨氨烃化物量由
（5）醇烃化的计算主要取决于反应产物的含量，由于副反应的存在，产物的含量不一样，计算结果也不完全相同，这也与精制反应使用的催化剂特性有关。
（6）本程序可能存在不少问题，例如没有氩在甲醇中的溶解度数据，造成甲醇弛放气中氩气为零，这样做显得不够严谨，希望大家提供这方面的信息或试验数据，逐步完善计算程序。当然，对工程设计而言，这一点也可以忽略不计。
参考文献
［1］梅安华主编.小合成氨厂工艺技术与设计手册［M］.北京：化学工业出版社，1995（第1版）.
［2］冯元琦.联醇生产（第二版）［M］.北京：化学工业出版社，1994.
［3］谢定中，范逢源.合成氨原料气双甲（醇烷化）精制工艺条件的讨论［J］.化工进展，2006，25（7）：833～836, , .
［5］氮肥工艺设计手册（理化数据）［M］.北京：石油化学工业出版社，1977.
［6］赵正光.利用电子表格软件进行合成氨高压圈物料衡算［J］.化肥设计，2009，47(3)：13～16.
