年產(chǎn)5萬(wàn)噸合成氨變換工段工藝初步

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 年產(chǎn)五萬(wàn)噸合成氨變換工段工藝初步設(shè)計(jì) 系 別 化 學(xué) 工 程 與 工 藝 專 業(yè) 指導(dǎo)教師 教研室主任 學(xué)生姓名 接受任務(wù)日期 完成任務(wù)日期 四 川 理 工 學(xué) 院畢 業(yè) 論 文 任 務(wù) 書指 導(dǎo) 老 師 教研室主任 （簽名） 系 主 任 （簽名） 學(xué) 生 姓 名 批 準(zhǔn) 日 期 2005 年 2 月 25 日 接受任務(wù)日期 2005 年 2 月 25 日 完成任務(wù)日期 2005 年 6 月 1 日一、設(shè)計(jì)（論文）的要求：1、說(shuō)明書 包括前言，合成氨變換工段工序原理，工藝條件及工藝流程確定，以及主要設(shè)備的選擇說(shuō)明，對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述。 2、計(jì)算部分 包括物料衡算，熱量衡算

2、，有效能利用率計(jì)算，主要設(shè)備計(jì)算。 3、圖紙 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。二、設(shè)計(jì)（論文）的原始數(shù)據(jù)：天然氣成分：以鴻化廠的實(shí)際工作數(shù)據(jù)為依據(jù)來(lái)進(jìn)行。年工作日330天,其余數(shù)據(jù)自定。三、參考資料及說(shuō)明： 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下冊(cè)）、氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)理化數(shù)據(jù)、化肥企業(yè)產(chǎn)品能平衡、小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)、合成氨工學(xué)、化工制圖、化工原理、化學(xué)工程、化工設(shè)計(jì)概論以及關(guān)于氮肥的其他相關(guān)雜志。目 錄1. 前言42. 工藝原理43. 工藝條件54. 工藝流程的確定65. 主要設(shè)備的選擇說(shuō)明66. 對(duì)本設(shè)計(jì)的綜述6第一章 變換工段物料及熱量衡算8第一節(jié) 中變物料及熱量衡算81確定轉(zhuǎn)化氣組成82水汽比的確定8

3、3中變爐一段催化床層的物料衡算94中變爐一段催化床層的熱量衡算115中變爐催化劑平衡曲線136. 最佳溫度曲線的計(jì)算147操作線計(jì)算158中間冷淋過程的物料和熱量計(jì)算169中變爐二段催化床層的物料衡算 1710.中變爐二段催化床層的熱量衡算18第二節(jié) 低變爐的物料與熱量計(jì)算19第三節(jié) 廢熱鍋爐的熱量和物料計(jì)算24第四節(jié) 主換熱器的物料與熱量的計(jì)算26第五節(jié) 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計(jì)算28第二章 設(shè)備的計(jì)算291. 低溫變換爐計(jì)算292. 中變廢熱鍋爐31參考文獻(xiàn)及致謝 35前 言 氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于化學(xué)肥料的生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。合

4、成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣的制??；原料氣的凈化與合成。粗原料氣中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過CO變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從80年代中期發(fā)展起來(lái)的。所謂中變串低變流程，就是在B107等Fe-Cr系催化劑之后串入Co-Mo系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程

5、中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中的CO含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。工藝原理：一氧化碳變換反應(yīng)式為：CO+H2O=CO2+H2+Q (1-1) CO+H2 = C+H2O (1-2) 其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對(duì)式反應(yīng)（11）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應(yīng)式：H2+O2

6、=H2O+Q 工藝條件1.壓力：壓力對(duì)變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無(wú)好處。但從動(dòng)力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點(diǎn)，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為0.7-1.2MPa,中型氨廠為1.21.8Mpa。本設(shè)計(jì)的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來(lái)，故壓力可取1.7MPa.1.溫度： 變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反

7、應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，溫度升高，反應(yīng)速率常 數(shù)增大對(duì)反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 CO平衡含量增大，反應(yīng)推動(dòng)力變小，對(duì)反應(yīng)速率不利，可見溫度對(duì)兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應(yīng)溫對(duì)一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為Tm=式中Tm、Te分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。1 汽氣比：水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡變換率，從而有利于降低CO殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分Fe3O4的穩(wěn)定

8、而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對(duì)過程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；CO停留時(shí)間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時(shí)適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=35，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO可達(dá)15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。工藝流程確定目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低4種工藝。本設(shè)計(jì)參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐進(jìn)入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從920降到330，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到

9、3到5之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到0.3%以下，再進(jìn)入甲烷化工段。 主要設(shè)備的選擇說(shuō)明 中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低變爐選用C6型催化劑，計(jì)算得低變催化劑實(shí)際用量10.59m3。以上設(shè)備的選擇主要是依據(jù)所給定的合成氨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料氣中碳氧化物的含量以及變換氣中所要求的CO濃度。對(duì)本設(shè)計(jì)評(píng)述天然氣變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因?yàn)槟芊裾Ｉa(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件

10、，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要求。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)已知的天然氣組成，操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。首先對(duì)中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)主要設(shè)備選型，最終完成了本設(shè)計(jì)的宗旨。設(shè)計(jì)中一共有中溫廢熱鍋爐，中變爐，主換熱器，調(diào)溫水換熱器，低變爐幾個(gè)主要設(shè)備。 由于天然氣變換工段工序是成熟工藝，參考文獻(xiàn)資料較多，在本設(shè)計(jì)中，主要參考了小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)和合成氨工藝學(xué)這兩本書。由于時(shí)間有限，設(shè)計(jì)可能不完善，請(qǐng)各位老師指出。謝謝！第一章 變換工段物料及熱量衡算第一節(jié) 中溫變換物料衡算及熱量衡算1確定轉(zhuǎn)化氣組成：已知條件中變爐進(jìn)口氣體組成：組分CO2C

11、OH2N2CH4O2合計(jì)%9.611.4255.7122.560.380.33100計(jì)算基準(zhǔn)：1噸氨計(jì)算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31 M3(標(biāo))因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物量可能回有消耗，因此變化氣量取2962.5 M3(標(biāo))年產(chǎn)5萬(wàn)噸合成氨生產(chǎn)能力：日生產(chǎn)量：50000/330=151.52T/d=6.31T/h要求出中變爐的變換氣干組分中CO小于2進(jìn)中變爐的變換氣干組分：組 分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)含量，9.611.4255.7122.560.330.38100M3(標(biāo))474563.862750.68111

12、3.916.2918.7634937.5假設(shè)入中變爐氣體溫度為335攝氏度，取出爐與入爐的溫差為30攝氏度，則出爐溫度為365攝氏度。進(jìn)中變爐干氣壓力=1.75Mpa.2水汽比的確定：考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來(lái)的原料氣，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=1973.52m3(標(biāo)) n(水)=88.1kmol因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分:組 分CO2COH2N2O2CH4H2O合計(jì)含量6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.7984

13、9.730.7270.83888.1308.53中變爐CO的實(shí)際變換率的求?。杭俣褶D(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO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(yīng)：CO+H2OH2+CO2，則CO的實(shí)際變換率為：=×100=74式中Ya、分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）則反應(yīng)掉的CO的量為：8.16×74=6.04則反應(yīng)后的各組分的量分別為： H2O=28.56-6.04+0.48=23CO=8.16 -6.04=2.12H2 =39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86+6.04=12.9中變爐出口的平衡常數(shù)：K= （H2×CO

14、2）/（H2O×CO）=12查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)可知K=12時(shí)溫度為397。中變的平均溫距為397-365=32中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。3.中變爐一段催化床層的物料衡算假設(shè)CO在一段催化床層的實(shí)際變換率為60。因?yàn)檫M(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組 分CO2COH2N2O2CH4H2O合計(jì)含量，6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.

15、53假使O2與H2 完全反應(yīng)，O2 完全反應(yīng)掉故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：60×563.86=338.318M3(標(biāo))=15.1koml出一段催化床層的CO的量為：563.86-338.318=225.545 M3(標(biāo))=10.069koml故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為:2750.68+338.318-2×16.29=3056.41 M3(標(biāo))=136.447koml故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：474+338.318=812.318 M3(標(biāo))=36.26koml出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量15.

16、5443.158.4721.130.35100M3(標(biāo))812.318225.5453056.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的H2O的量為：1973.52-338.318+2×16.29=1667.79M3(標(biāo))=74.45koml所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(標(biāo))812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.261

17、0.069136.44749.730.83874.45307.8對(duì)出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計(jì)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CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(標(biāo))812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對(duì)出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：K=(H2×CO2)/（H2O×CO)計(jì)算得K=6.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)

18、手冊(cè)知當(dāng)K=6.6時(shí)t=445設(shè)平均溫距為30，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：445-30=4154中變爐一段催化床層的熱量衡算以知條件：進(jìn)中變爐溫度：335 出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415反應(yīng)放熱Q：在變化氣中含有CO，H2O，O2，H2 這4種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下2種反應(yīng)：CO +H2O=CO2+H2 （1-1）O2 + 2H2= 2 H2O （1-2）這2個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計(jì)算。以P=1atm，t=25為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計(jì)算式為：HT=H0298=Cpdt 式中 HT 氣體在在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868k

19、J/kmol)；H0298 該氣體在25下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；T絕對(duì)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(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式：Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+ 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(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 式中常數(shù)a0、a1、a2、a3、a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為： a1=A0, a2=A1/2

20、, a3=A3/4, a4=A3/4a0=H0298298.16a1298.162×a2298.163×a3298.164×a4采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計(jì)算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)行，步驟有多少，只要計(jì)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）始（ni×Hi）末 式中H 過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時(shí)為放熱，為負(fù)數(shù)時(shí)系統(tǒng)為吸熱，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；I 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）現(xiàn)將有關(guān)氣體

21、的計(jì)算常數(shù)列于下表中 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表分子式 a0 a1 a2 a3 a4O21.90318×103 5.802982.15675×103-7.40499×1071.08808×1010H2-2.11244×1037.20974-5.5584×1044.8459×107-8.18957×1011H2O-6.0036×1047.110921.2932×1031.28506×107-5.78039×1011N2-1.97673×1036.459035.181

22、64×1042.03296×107-7.65632×1011CO-2.83637×1046.266278.98694×1045.04519×109-4.14272×1011CO2-96377.888676.3965.05×103-1.135×1060.00計(jì)算O2的基準(zhǔn)焓：根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4在415時(shí)T=415+273=683K查表可得變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓列于下表：組分O2H2H2OCOCO2Ht（kc

23、al/kmol）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.67833Ht（kJ/kmol）28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6208放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=(Hi)始-（Hi）末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759 =-38079.10484kJ/komlQ1=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kJ O2 + 2H2= 2 H2O （2）Q2=H2=（ni×Hi）始（ni

24、×Hi）末=-368924.3632kJ氣體共放熱：Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ氣體吸熱Q3：根據(jù)物理化學(xué)知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來(lái)計(jì)算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.）查表可得：物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-Cpm=Yi*Cp=34.06 KJ/（kmol.）所以氣體吸熱Q3=34.06*307.8*(415-330)=

25、891111.78kJ假設(shè)熱損失Q4根據(jù)熱量平衡的： Q= Q3 +Q4Q4=52934.965 kJ5中變爐催化劑平衡曲線根據(jù)H2O/CO=3.5，與公式XP=×100V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度t300 320 340 360 380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t 420 440 460T693713733Xp0.68590.64160.5963中變爐催化劑平衡曲線如下：6.最佳溫度曲線的計(jì)

26、算由于中變爐選用C6型催化劑，最適宜溫度曲線由式 進(jìn)行計(jì)算。查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)C6型催化劑的正負(fù)反應(yīng)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(jì)算列于下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t253273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T70

27、2.6716.6t429.6443.6將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：7操作線計(jì)算 有中變催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知： 中變爐人口氣體溫度 335 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(yīng)的操作線如下：8中間冷淋過程的物料和熱量衡算：此過程采用水來(lái)對(duì)變換氣進(jìn)行降溫。以知條件： 變換氣的流量：307.8koml 設(shè)冷淋水的流量：X kg 變換氣的溫度：415 冷淋水的進(jìn)口溫度：20 進(jìn)二段催化床層的溫度：353 操作壓力：1750kp熱量計(jì)算： 冷淋水吸熱Q1：據(jù)冷淋水的進(jìn)口溫度20查化工熱力學(xué)可知h1 =83.96

28、kJ/kg根據(jù)化工熱力學(xué)可知T/kP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷淋水要升溫到353，所以設(shè)在353, 615K,1750kp時(shí)的焓值為h對(duì)溫度進(jìn)行內(nèi)查法：1600kpa時(shí)(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) h=3752.09 kJ/kg1800kpa時(shí)(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h) h=3750.668 kJ/kg對(duì)壓力用內(nèi)差法得353，615K，1750Kp時(shí)的焓值h為：(1750-160

29、0)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kJ/kgQ1= X( 3813.244875-83.96)變換氣吸熱Q2根據(jù)表5-1.2和表5-1.3的計(jì)算方法得：物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以Cpm= Yi*Cp =33.92 kJ/（kmol.）Q2=308.53*33.92*(415-353)取熱損失為0.04 Q2根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2= X(3751.0235-83.96) X=169.46kg=9.415koml=210.88 M3(標(biāo))所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組

30、分：水的量為：210.88+1667.79=1878.67 M3(標(biāo))組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3(標(biāo))812.318225.5453056.4131113.918.761878.677105.61koml36.26510.068136.4549.730.83883.87317.229中變爐二段催化床層的物料衡算：設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為0.74（總轉(zhuǎn)化率）所以在二段CO的變化量563.86*0.74=417.26 M3(標(biāo))在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：225.545-（563.86-417.

31、26）=78.94M3(標(biāo))=3.52koml出中變爐二段催化床層的CO的量為：225.545-78.94=146.605 M3(標(biāo))故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：812.318+78.94= 891.26M3(標(biāo))故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為： 3056.413+78.94= 3135.353M3(標(biāo))故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：1878.67-78.94= 1799.73M3(標(biāo))所以出中變爐的濕組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(標(biāo))891.26146.6053135.

32、3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22對(duì)出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：K= （H2×CO2）/（H2O×CO）計(jì)算得K=10.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)知當(dāng)K=10.6時(shí)t=409設(shè)平均溫距為48，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：409-44=36510.中變爐二段催化床層的熱量衡算：以知條件：進(jìn)變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353 出變爐二段催化床層的變換氣溫度為：365變換氣反應(yīng)放熱Q1:計(jì)算變換氣中各組分的生成焓，原理與計(jì)算一段床層一樣，

33、平均溫度為：632K,計(jì)算結(jié)果如下：組分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht（kJ/kmol）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-38553.74846 kJ/kgQ1=3.52*38553.74846=135580.683 kJ/kg氣體吸熱Q2：根據(jù)物理化學(xué)知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來(lái)計(jì)算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.）表5-1.2物質(zhì)CO

34、H2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容：物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計(jì)算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp 28.56 29.25 47.3 36.78 30.31 53.72Cpm=Yi*Cp=33.61KJ/（kmol.）Q2=33.61*317.22*（365-353）=12789.1kJ熱損失：Q3=Q1-Q2=7641.6 kJ第二節(jié) 低變爐的物料與熱量計(jì)算1.已知條

35、件：進(jìn)低變爐的濕組分:組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(標(biāo))891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22進(jìn)低變爐的干組分：組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量16.792.7659.0920.990.35100M3(標(biāo))891.26146.6053135.3531113.918.765305.91koml39.7886.545139.97149.720.838236.872低變爐的

36、物料衡算：要將CO降到0.2（濕基）以下，則CO的實(shí)際變換率為：=×100=90.11則反應(yīng)掉的CO的量為：146.605×90.11=132.11 M3(標(biāo))=5.898 koml出低溫變換爐CO的量：146.605-132.11=14.495 M3(標(biāo))=0.64722koml出低溫變換爐H2的量： 3135.353+132.11=3267.463 M3(標(biāo))=145.869 koml出低溫變換爐H2O的量：1799.73-132.11=1667.62 M3(標(biāo))=74.45koml出低溫變換爐CO2的量: 891.26 +132.11=1023.37 M3(標(biāo))=45

37、.68koml出低變爐的濕組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量14.40.245.9815.680.2623.47100M3(標(biāo))1023.3714.4953267.4631113.918.761667.627105.62koml45.680.64722145.86949.720.83874.45317.22出低變爐的干組分：組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量18.820.2760.0820.480.35100M3(標(biāo))1023.3714.4953267.4631113.918.765437.99koml45.680.64722145.86949.720.838242.767

38、對(duì)出低變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：K= （H2×CO2）/（H2O×CO）計(jì)算得K=141.05查小合成氨廠工藝與設(shè)計(jì)手冊(cè)知當(dāng)K=141.05時(shí)t=223設(shè)平均溫距為20，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為： t=223-20=2033低變爐的熱量衡算：以知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為：181 出低變爐催化床層的變換氣溫度為：203變換氣反應(yīng)放熱Q1:在203時(shí)，T=476K計(jì)算變換氣中各組分的生成焓，原理與計(jì)算一段床層一樣，平均溫度為：476K,計(jì)算結(jié)果如下：組分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）1241.516-56347.304-25178.9

39、16-92311.594Ht（kJ/kmol）5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-39958.286 kJ/kgQ1=5.898*39958.286=235687.29 kJ/kg氣體吸熱Q2：氣體吸熱時(shí)的平均溫度：（181+203）/2=191.5，T=464.5K根據(jù)物理化學(xué)知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來(lái)計(jì)算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.）表5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1

40、427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容：表5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計(jì)算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.1 29.0344.3935.1329.8545.05Cpm=Yi*Cp=32.86kJ/（kmol.）Q2=33.61*317.22*（203-181）=230669.84kJ熱損失Q3=Q1-Q2=235687.29-230669.84=5017.45 kJ4低變爐催化劑平衡曲線根據(jù)公式XP=×

41、100V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度t160180200220240260T433453473493513533Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229t280T553Xp0.76低變爐催化劑平衡曲線如下：5.最佳溫度曲線的計(jì)算由于低變爐選用B302型催化劑。查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)B302型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43164kJ/komlCO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能E2為：E2- E1=r*(-H)對(duì)于CO變換反應(yīng)r=1，則E2=(-H) + E1H

42、為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：（181+203）/2=192，T=465KCO的反應(yīng)式為： CO +H2O=CO2+H2 反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)，不同溫度下的反應(yīng)熱可以用以下公式計(jì)算：H=-1000-0.291*T+2.845×10-3*T2-0.97.3×10-3T3得：H=-9422.62 kcal/kmol=-39450.653 kJ/kmolE2 =39450.653+43164=82614.653 kJ/kmol6最適宜溫度曲線由式Tm= 進(jìn)行計(jì)算最適宜溫度計(jì)算列于下表中：Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229T4024214

43、40457475493t129148167184201220Xp0.76T510t237將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：第三節(jié)廢熱鍋爐的熱量和物料計(jì)算1已知條件：進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份：組份CO2COH2N2CH4O2H2O合計(jì)7.548.9743.7617.720.290.2621.7100M3(標(biāo))474563.872750.681113.918.7616.291364.556285.75koml21.16125.173122.79849.730.8380.72860.917280.614進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：925出廢熱鍋爐的溫度為：335進(jìn)出設(shè)備的水溫：20出設(shè)備的水溫：335進(jìn)

44、出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.3koml進(jìn)出設(shè)備的水量：X koml物量在設(shè)備里無(wú)物量的變化。2.熱量計(jì)算：（1） 入熱：水的帶入熱Q1水在20時(shí) Cp=33.52 kJ/（kmol.）Q1=X*（20+273）*33.52 =9821.36X轉(zhuǎn)化氣的帶入熱Q2：轉(zhuǎn)化氣在925時(shí)T=1193K根據(jù)物理化學(xué)知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來(lái)計(jì)算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.）表5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020

45、.33-8.53-CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容：表5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計(jì)算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=Yi*Cp=36.4kJ/（kmol.）Q2=36.4*280.62*（920+273）=12185577.7kJ（2）出熱：轉(zhuǎn)化氣的帶出熱：Q3=32.66×280.62×（330+273）=5526711.3KJ轉(zhuǎn)化氣在335時(shí)T=608K根據(jù)物理化學(xué)知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT

46、-2來(lái)計(jì)算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.）表5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-計(jì)算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.7629.3847.2536.5530.4452.73Cpm=Yi*Cp=32.66kJ/（kmol.）Q3=32.66*280.62*（330+273）=5526711.265kJ水的帶出熱Q4:水在335，T=603K時(shí)的熱容為：Cp=36.55 kJ/（kmol.）Q4=X*36.55*（330+273）=22039.65X熱損失Q5:Q5=0.04*(Q1+ Q2)熱量平衡：0.96*(Q1+ Q2)= Q3+ Q4 0.96（9821.36X +12185577.7）=22039.65