(完整版)合成氨廠變換工段工藝設計畢業(yè)設計論文.doc

1、優(yōu)秀論文未經(jīng)允許審核通過切勿外傳四川理工學院畢業(yè)設計題目年產(chǎn)三萬噸合成氨廠變換工段設計作者系別材料與化學工程系專業(yè)無機化工011指導教師接受任務日期2005年 2月 28日完成任務日期2005年6月1 日四川理工學院畢業(yè)設計說明書題目年產(chǎn) 3 噸合成氨廠變換工段設計作者系別材料與化學工程系專業(yè)無機化工指導教師接受任務日期2005年 2 月 28 日完成任務日期2005年 6月 1日四川理工學院畢業(yè)設計任務書材化系無機化工專業(yè)01級1班題目年產(chǎn)3 噸合成氨廠變換工段設計起訖日期2005年2月28日起至2005年6月1日止指導老師教研室主任系主任學生姓名批準日期2005年 2月 28日接受任務日期

2、 2005年 2月 28日完成任務日期2005年 6月 1日一計要求：1. 進行工段工藝流程設計，繪制帶主要控制點的工藝流程圖。2. 進行工段物料計算、 熱量計算，并繪制物料衡算表、熱量衡算表 。3. 進行工段設備設計、選型，制備設備一覽表。4. 編寫工段工藝初步設計說明書。5. 繪制主要設備結(jié)構(gòu)圖。二設計原始數(shù)據(jù)：以在自貢市鴻鶴化工廠的實際數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)組分CO2COH2N2O2CH4合計含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100目錄 4前言41.42.43.54. 55. 6第一章物料與熱量衡算7172CO83 94. 1 051 16 1 771 781 99 2

3、 310.2 411 2 9122 913. 3 014 3 115. 3 4163 4 1 7 . 3 6第二章設備的計算3 71.3 72.4 2 6 4950第一章物料與熱量衡算已知條件：組 分CO 2COH2N2O 2CH 4合計含量，9.6011.4255.7122.560.330.3810011100017 22.4222.56=2920.31 M3()32962.5 M ( )年產(chǎn) 3 萬噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn)330 天）：日生產(chǎn)量：=90.9Td=3.79T (水)=52.862kmol因此進中變爐的變換氣濕組分組分CO2COH 2N2O2CH 4H 2O合計含6.86

4、8.1639.8016.120.240.2728.56100量M 3(標)284.42338.321650.42668.349.7711.21184.14146.6162kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.122. 中變爐 CO的實際變換率的求取：假定濕轉(zhuǎn)化氣為100mol，其中 CO 濕基含量為 8.16，要求變換氣中CO含量為 2，故根據(jù)變換反應：CO+H 2OH2+CO2，則 CO 的實際變換率公式為：Xp=100（2-1）式中、分別為原料及變換氣中CO 的摩爾分率（濕基）所以： X p=74則反應掉的 CO 的量為：8.1674=6.04則

5、反應后的各組分的量分別為：H 2O=28.56-6.04+0.48=23CO =8.16 -6.04=2.12H 2 =39.8+6.04-0.48=45.36CO 2 =6.86+6.04=12.9中變爐出口的平衡常數(shù)：Kp=（H2CO2）（H2CO）=12O查 小合成氨廠工藝技術與設計手冊可知 Kp=12 時溫度為 397。中變的平均溫距為397-365 =32根據(jù)合成氨工藝與節(jié)能可知中溫變換的平均溫距為：30到 50，中變的平均溫距合理，故取的H 2OCO 可用。3中變爐催化劑平衡曲線根據(jù) H 2OCO=3.5 ，與文獻小合成氨廠工藝技術與設計手冊上的公式X P=100V=K PAB-C

6、Dq=U=K P（A+B）+（C+D ）W=K P-1其中 A、B、C、D 分別代表 CO、H 2O、CO2 及 H2 的起始濃度計算結(jié)果列于下表：t300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中變爐催化劑平衡曲線如下：pX率化轉(zhuǎn)OC1009080706050403020100300350400450500溫 度（）4. 最佳溫度曲線的計算由于中變爐選用C6 型催化劑，最適宜溫度曲線由式進行計算。查 3000

7、噸合成氨廠工藝和設備計算C6 型催化劑的正負反應活化能分別為 E1=10000 千卡公斤分子， E2=19000 千卡公斤分子。最適宜溫度計算結(jié)果列于下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6將以上數(shù)據(jù)作圖即得

8、最適宜溫度曲線如下圖：10.90.80.7pX0.6率化0.5轉(zhuǎn)O0.4C0.30.20.10250270290310330350370390410430450溫 度（）5中變爐一段催化床層的物料衡算已知條件：進中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為330進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分CO2COH 2N2O 2CH 4H 2 O合計含6.868.1639.816.120.270.2428.56100量M3(標 )284.42338.11650.4668.349.7811.261184.14146.61811kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.

9、125.1中變爐一段催化床層的物料衡算假設 CO 在一段催化床層的實際變換率為 60假使 O2 與 H2 完全反應， O2 完全反應掉故在一段催化床層反應掉的CO 的量為：60 338.318=202.9908 M3(標)=9.062kmol出一段催化床層的CO 的量為：338.9908=135.3272 M3(標 )=6.0414kmol故在一段催化床層反應后剩余的H 2 的量為：1650.409+202.9908-29.776=1833.8478 M3(標)=81.868kmol故在一段催化床層反應后剩余的CO 2 的量為：284.4+202.9908=487.3908 M3(標)=21.

10、758kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積：V 總（干） =135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258=3136.1638 M3(標)故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中CO 的含量：CO =4.31%同理得：CO 2 =15.54%H 2 =58.47%CO 2 =15.54%N2 =21.13%CH 4 =0.35%所以出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：組 分CO 2COH 2N 2CH 4合計含量15.544.3158.4721.130.35100M 3(標)487.39135.331833.84668.3411.253136.1

11、6kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的 H 2O 的量為：1184.9908+29.776=1000.6742 M3(標)=44.6729kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的體積：V 總（濕） =135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258+1000.6742=4136.838 M3(標)=184.68kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中H2O 的含量H 2O= =24.19%故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中CO 2 的含量CO 2=11.78同理可得：CO =3.27H 2=44.33N2=1

12、6.16CH 4 =0.27所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）：組分CO2COH2N2CH4H2O合計含11.783.2744.3316.160.2724.19100量M3(標 )487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2 對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進行估算：已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）組 分CO 2COH 2N 2CH 4H 2O合計含11.783.2744.3316.160.2724.19100量M 3(標)487.39

13、135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根據(jù)： Kp= （H 2 CO 2）（ H2O CO ）計算得 K=6.6查小合成氨廠工藝技術與設計手冊知當Kp=6.6 時 t=445設平均溫距為 35，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：445 -35=4155.3 中變爐一段催化床層的熱量衡算以知條件：進中變爐一段催化床層的變換氣溫度：330出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415可知反應放熱 Q：在變化氣中含有 CO ，H 2O，O2，H 2 這 4 種物質(zhì)會發(fā)生以下 2 種反應：

14、CO +H O=CO +H2（1）22O2 + 2H2= 2 H2O（2）這 2 個反應都是放熱反應。根據(jù)小合成氨廠工藝技術與設計手冊可知為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準焓（或稱生成焓）計算。以P=1atm， t=25為基準的氣體的統(tǒng)一基準焓計算式為：HT= H0298=Cpdt式中：H T 氣體在在TK的統(tǒng)一基準焓，kcalkmol(4.1868kJkmol)； H0 298 該氣體在25下的標準生成熱，kcalkmol(4.1868kJkmol)；T 絕對溫度， K ；Cp 氣體的等壓比熱容，kcal（ kmol. ） 4.1868kJ （ kmol. ） 氣體等壓比熱容與溫度的關系有以下經(jīng)驗式

15、：Cp=A 0+A1T+A 2T 2+A3T 3+式中 A0、A1、A2、A3 氣體的特性常數(shù)將式代入式積分可得統(tǒng)一基準焓的計算通式：Ht=a 0+a1T+a 2T 2+a3T3+a4T 4(5-1)式中常數(shù) a0、 a1、 a2、 a3、a4 與氣體特性常數(shù)及標準生成熱的關系為：a1=A0,a2=A12,a3 =A34,a4 =A34a0=H 0298298.16a 1 298.16 2a2298.16 3 a3298.16 4 a4采用氣體的統(tǒng)一基準焓進行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應如何進行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。 H= （ ni Hi ）

16、始（ ni Hi ）末 (5-2)式中 : H 過程熱效應，其值為正數(shù)時為放熱，為負數(shù)時系統(tǒng)為吸熱，單位： kcal；（ 4.1868kJ）;ni 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)，kmol；Hi 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下；Hi 氣體的統(tǒng)一基準焓， kcalkmol，（ 4.1868kJkmol）現(xiàn)將有關氣體的計算常數(shù)列于下表中氣體統(tǒng)一基準焓（通式）常數(shù)表5-1.1分子a0a1a2a3a4式O21.903183 3 10 102.15675 10- 7.40499 101.08808 105.802987H 2- 2.11244 1037.20974 7-5.55838 104.8459 10-8.18

17、957 10411H 2O-6.003647.11092 37 101.29319 101.28506 10-5.78039 1011N2-1.97673 10CO-2.83637 10CO 2-96377.8886735.18164 10 476.459032.03296 10-7.65632 101148.98694 10 496.266275.04519 10-4.14272 10116.396 360.005.05 10-1.135 10計算 O2 的基準焓：根據(jù)基準焓的計算通式：Ht=a 0+a1T+a2 T 2+a3T 3+a4 T 4在 415時 T=415+273=683K將

18、O2 的常數(shù)帶入上式得：Ht= 1.903183+5.80298 683+2.15675 1036832- 7.40499 10 7310683+1.08808 10 106834=6699.742kcalkmo=28050.412 kJkmol同理根據(jù)以上方法計算可得變換氣的各個組分的基準焓列于下表組分O2H 2H 2OCOCO 2Ht （ kcalkmol ）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.678Ht （ kJkmol）28050.41211405.77.759-98953.987.6202放熱：CO+H222（ ）O=CO +H1 H

19、1=（ Hi ）始 （ Hi ） 末 =.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ kmolQ1=9.062 （-38079.10484 ）=.8481kJO2 + 2H2= 2 H2O（ 2）Q 2= H 2=（ ni Hi ） 始 （ ni Hi ） 末=.6179kJ氣體反應共放熱：Q=Q 1+Q2=345072.8481+221354.6179=566427.4659kJ氣體吸熱 Q3根據(jù)物理化學教程知CO, H 2, H 2O, CO 2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT -2來計算熱容，熱容的單位為kJ（kmol.T

20、 ）表 5-1.2物質(zhì)COH 2H 2OCO 2N 2a28.4127.283044.1427.87b10-34.13.2610.719.044.27c105-0.460.5020.33-8.53CH 4 可用公式： Cp=a+b+CT 2+dT 3 來計算熱容 :表 5-1.3物質(zhì)ab10-3c10-6d10-9CH 417.4560.461.117-7.2計算結(jié)果得：物質(zhì)COCO 2H 2H 2ON2CH 4Cp3148.229.637.230.756.1所以平均熱容：Cpm= Yi*Cp=34.06KJ （kmol.T）所以氣體吸熱 Q3=34.06184.68()=534667.068

21、kJ假設熱損失 Q4（一般熱損失都小于總熱量的10% ）根據(jù)熱量平衡的：Q= Q3 +Q4Q 4=31760.979 kJ6 中變一段催化劑操作線的計算有中變一段催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知：中變爐入口氣體溫度330中變爐出口氣體溫度415中變爐入口 CO 變換率0中變爐出口 CO 變換率60%由此可作出中變爐催化劑反應的操作線如下：pX率化轉(zhuǎn)OC1009080706050403020100300350400450溫 度（）7中間冷凝過程的物料和熱量計算：此過程采用水來對變換氣進行降溫。以知條件：變換氣的流量： 184.68koml設冷凝水的流量： X kg變換氣的溫度： 415冷凝水的進口

22、溫度： 20進二段催化床層的溫度：353操作壓力： 1750kp冷凝水吸熱Q1：據(jù)冷凝水的進口溫度20查化工熱力學可知h1=83.96kJkg根據(jù)化工熱力學可知：TKPkPaH(kJkg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷凝水要升溫到353，所以設在 353 , 626K,1750kp 時的焓值為 h對溫度進行內(nèi)查法：1600kpa 時()(變換的 CO 的量，分子分率；其中 A、B、C、D 分別代表 CO、CO2、CO2 及 H2 的起始濃度2-1.2 第一段床層觸媒用量計算基準： 3.79T=8.16%-3.27%=4

23、.89%在 372.5時，查小合成氨廠工藝技術與設計手冊Kp=16.030631則：W=16.=15.030631U=16.030631 (0.0816+0.2856)+(0.0686+0.398)=6.353V=16.030631 0.08160.2856-0.0686 0.398=0.3463q=6.3532415.0306310.3463=4.6713ToKp k qln2Wn 2Wnuuqqlnuquq=0.000514h所以：V 01 =T 0* V 0 =0.000514 15489.7=7 M3備用系數(shù)?。?1.1所以： V 0 1=71.1=7.7 M 32-1.3第二段床層觸

24、媒用量已知條件：第二段床層變換氣進口溫度為：353，第二段床層變換氣出口溫度為：365平均溫度為：（353+365） 2=359由 3000 噸型合成氨廠工藝和設備計算得到在375時反應速度常數(shù)k1=4600，在 317時反應速度常數(shù)k 2=2130。使用內(nèi)插法：（）（4600-k）=（353.5-317）（ k-2130）k=3684加壓時取校正系數(shù)： 2.8，則： k1=3684*2.8=10315進中變爐二段床層的組分：組分CO2COH2N 2CH 4H2 O合計含11.4323.1743.0115.680.2626.44100量M 3(標)487.39135.331833.85668.

25、3411.261127.204263.37koml21.766.0481.8729.800.5050.32190.33出中變爐二段床層的CO 組分： 2.06%n=3.17%-2.06%=1.11%由小合成氨廠工藝技術與設計手冊得到在359時反應平衡常數(shù)Kp=18.17則：W=18.17-1=17.17U=18.17(0.0317+0.2644)+(0.4301+0.11432=5.925V=18.170.0317 0.2644-0.4301 0.11432=0.1031q=4.86ToKpln 2Wnuqlnuq=0.00015hkq2Wnuquq所以： V =T0*V0=0.00015 1

26、5489.702= 2.323M3備用系數(shù)?。?1.1所以： V 02 =2.323 1.1=2.6 M3中溫變換爐觸媒用量 :V= V 01+V 02=2.6+7.7=10.3 M 3C6 型觸媒堆重度 :1.45kgL觸媒堆重量 :37901722.4 (22.56% 2)=11038.8Nm3)0.5n管數(shù)管板填充系數(shù)，取0.9t管子中心距，取0.032m所以D=0.56官板直徑選用 0.75m，設備外徑為 1.0m2-2.3 傳熱系數(shù)的驗算管內(nèi)給熱系數(shù)的計算公式如下：a 內(nèi)=0.023Re0.3Pr0.4Re=G*duPr=u*Cmu=粘度的計算：查化工原理在307.5時，各氣體的u

27、值如下：組分CO 2COH 2CH 4N 2H 2Ou(mp*s)0.0310.03050.0150.0250.03020.023根據(jù)公式得：=0.0255mPa*s=0.0918kg(m*= Yi*Cp=33.55 kJ（ kmol.T）=8.0134 kJ（ kmol* ） M= YiMi=15.979kgkmolCp=8.013415.979=0.503kcal(kg*)雷諾系數(shù)的計算：Re=G*du=(0.02*3600*13.73)0.0918=10455Pr=(u*Cm)=(0.0918*0.503)0.=1.053則： a 內(nèi) =0.023Re0.8Pr 0.4=0.023*（0

28、.02） * （ 10455） 0.8* （1.053）0.4=84.55kcal(m*u) 13*(uu w)0.14在本設計中由于溫度對氣體粘度變化影響不大，故校正項(uuw0.14 可以忽)略不計。水的物性數(shù)據(jù)水的溫度為：（20+90）2=55導熱系數(shù)：=65.04kcal(mh )熱容：Cm=4.176kJ(kg )粘度u=50.9110-5 PaS取 de=0.024m所以殼側(cè)對流傳熱系數(shù)為：a 外=1.72*(d o)*(d e)0.6*(d o*G uu)0.6*(C m*u) 13=6423kcal(m2*=90.65傳熱面積： S=Q(K*t m)=83.7m3安全系數(shù)：設計綜述本設計的優(yōu)點在于選擇較為良好的工藝路線，確定良好的工藝條件、合理的催化劑以及設備的選型和能源綜合利用。另外，就是盡量減少設備投資費用。分析出了氣體組分對溫度的影響變化。在設計過程中能發(fā)現(xiàn)文獻中不合理的地方。本設計也有許多不足的地方：壓力選取過高、在設備計算中氣體在高壓下取的流速不太準確。由于本人水平不高，設計許多因數(shù)對設計的影響考慮不足。由于合成氨的變換工段是成熟工藝，參考文獻資料較多，在本設計中，主要參考了小合成氨廠工藝技術與設計手冊和3000 噸合成氨廠工藝和設備計算這兩本書。由于本人水平有限，本設計肯定會有不少缺點與不足，熱切期望得到各位老師的