氨廠變換工段工藝設(shè)計

1、畢 業(yè) 設(shè) 計題 目 年產(chǎn)三萬噸合成氨廠變換工段設(shè)計作 者 系 別 材料與化學(xué)工程系專 業(yè) 無 機 化 工 011指 導(dǎo) 教 師 接受任務(wù)日期2005年2月28日完成任務(wù)日期2005年6月1 日四 川 理 工 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書題 目 年產(chǎn)3噸合成氨廠變換工段設(shè)計作 者 系 別 材料與化學(xué)工程系 專 業(yè) 無 機 化 工 指 導(dǎo) 教 師 接受任務(wù)日期 2005年2月28日 完成任務(wù)日期 2005年6月1 日 四 川 理 工 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 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(shè)計 起訖日期 2005 年2 月28 日起至

2、2005 年6 月1 日止指導(dǎo)老師教研室主任 系主任學(xué)生姓名批準(zhǔn)日期 2005 年 2 月 28 日 接受任務(wù)日期 2005 年 2 月 28 日 完成任務(wù)日期 2005 年 6 月 1 日 一 計要求：1. 進(jìn)行工段工藝流程設(shè)計，繪制帶主要控制點的工藝流程圖。 2. 進(jìn)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(jìn)行工段設(shè)備設(shè)計、選型，制備設(shè)備一覽表。 4. 編寫工段工藝初步設(shè)計說明書。 5. 繪制主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。 二 設(shè)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，100目錄說明書4前言442. 工藝條件43. 工藝流

3、程的選擇54. 主要設(shè)備的選擇說明55. 工藝流程的說明 6第一章 物料與熱量衡算71水汽比的確定72中變爐CO的實際變換率的求取83中變爐催化劑平衡曲線94. 最佳溫度曲線的計算105中變爐一段催化床層的物料衡算116中變一段催化劑操作線的計算177中間冷淋過程的物料和熱量衡算178中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算199中變二段催化劑操作線計算232411低變催化劑操作線計算2912低變爐催化劑平衡曲線2913.最佳溫度曲線的計算 3014廢熱鍋爐的物料和熱量衡算 313416主換熱器的物料與熱量的衡算3436第二章 設(shè)備的計算371. 中變爐的計算372. 主換熱器的計算42設(shè)計的綜述6

4、參考文獻(xiàn)49致謝50第一章 物料與熱量衡算已知條件：組 分CO2COH2N2O2CH4合計含量，100計算基準(zhǔn)：1噸氨計算生產(chǎn)1噸氨需要的變換氣量：（1000/17）×22.4/（2× M3(標(biāo)) M3(標(biāo))年產(chǎn)3萬噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn)330天）：d=T/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合計含量，100M3(標(biāo))kmol假設(shè)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為330，取變化氣出爐與入爐的溫差為35，出爐的變換氣溫度為365。進(jìn)中變爐干氣壓力a.1水氣比的確定：考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取H2故V（水

5、）V水m3(標(biāo)) ，n(水)因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分組 分CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))kmol2.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(yīng)：CO+H2OH2+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：Xp=74則反應(yīng)掉的CO的量為：×74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

6、.36CO2=6.86+6.04=12.9中變爐出口的平衡常數(shù)：Kp= （H2×CO2）/（H2O×CO）=12查 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)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H2O/CO可用。3中變爐催化劑平衡曲線根據(jù)H2O/CO=3.5，與文獻(xiàn)小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊上的公式XP=×100 V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度計算結(jié)果列于下表：t3

7、00 320 340 360 380400T573593613633653673Xpt 420 440 460T693713733Xp中變爐催化劑平衡曲線如下：由于中變爐選用C6型催化劑，最適宜溫度曲線由式 進(jìn)行計算。查3000噸合成氨廠工藝和設(shè)備計算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。最適宜溫度計算結(jié)果列于下表中：XpT526t256 XpT671t398 XpTt將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：5中變爐一段催化床層的物料衡算已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為330進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組 分CO

8、2COH2N2O2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))2kmol5.1 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際變換率為60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× M3(標(biāo))kmol出一段催化床層的CO的量為： M3(標(biāo))kmol故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：× M3(標(biāo))kmol故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為： M3(標(biāo))kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積：V總（干） M3(標(biāo))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：CO2=15.54%H2=

9、58.47%CO2=15.54% N2=21.13%CH4=0.35%所以出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：組 分CO2COH2N2CH4合計含量15.5458.4721.130.35100M3(標(biāo))43136.16kmol140.01剩余的H2O的量為：1184.113-202.9908+2× M3(標(biāo))kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的體積：V總（濕） M3(標(biāo))kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中H2O的含量 H2O= =24.19%故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中CO2的含量 CO2=11.78同理可得： CO=3.27 H2=44.33 N2=

10、16.16 CH4=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合計含量100M3(標(biāo))2koml5.2對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)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CO2COH2N2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))2koml根據(jù)：Kp= （H2×CO2）/（H2O×CO查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊知當(dāng)Kp=6.6時t=445設(shè)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(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣溫度：33

11、0 出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415可知反應(yīng)放熱Q：在變化氣中含有CO，H2O，O2，H2 這4種物質(zhì)會發(fā)生以下2種反應(yīng)：CO +H2O=CO2+H2 （1）O2 + 2H2= 2 H2O （2）這2個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。根據(jù)小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊可知為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計算。以P=1atm，t=25為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為：HT=H0298=Cpdt式中：HT氣體在在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；H0298 該氣體在25下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱， kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；T絕對溫度，K；Cp 氣

12、體的等壓比熱容，kcal/（kmol.）kJ/（kmol.）氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式：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)焓的計算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 (5-1) 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, a3=A3/4, a4=A3/4a0=H0298298.16a1298.162×a2298.163×a32

13、98.164×a4采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計算，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 (5-2) 式中 : H過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時為放熱，為負(fù)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(zhǔn)焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于下表中分子式a0 a1a2 a3a4O21.90318×1032.15675×

14、103-7.40499×1071.08808×1010H2-2.11244×103×104×107×1011H2O-×104×103×107×1011N2×103×104×107×1011CO×104×104×109×1011CO2×103×106計算O2的基準(zhǔn)焓：根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4在415時T=4

15、15+273=683K將O2的常數(shù)帶入上式得：Ht=1.90318×103+×683+2.15675×103×6832-7.40499×107×6833+1.08808×1010×6834kcal/kmo kJ/kmol同理根據(jù)以上方法計算可得變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓列于下表組分O2H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末=kmolQ1=×（-38079.10484）=O2 + 2H2= 2 H2O （2）Q

16、2=H2=（ni×Hi）始（ni×Hi）末氣體反應(yīng)共放熱：Q=Q1+Q2氣體吸熱Q3根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2,H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容，熱容的單位為kJ/（kmol.T）物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH4計算結(jié)果得：物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp31所以平均熱容：Cpm= KJ/（kmol.T）所以氣體吸熱Q3=××(415-330)假設(shè)熱損失Q4（一般熱損失都小于總熱

17、量的10%）根據(jù)熱量平衡的： Q= Q3 +Q4Q4=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(yīng)的操作線如下：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(jìn)行降溫。以知條件： 變換氣的流量：設(shè)冷凝水的流量：X kg變換氣的溫度：415冷凝水的進(jìn)口溫度：20 進(jìn)二段催化床層的溫度：353 操作壓力：1750kp冷凝水吸熱Q1：據(jù)冷凝水的進(jìn)口溫度20查化工熱力學(xué)可知h1 =83.96kJ/kg根據(jù)

18、化工熱力學(xué)可知： T/K P/kPa H/(kJ/kg) 600 1600 3693.2 600 1800 3691.7 700 1600 3919.7 700 1800 3918.5冷凝水要升溫到353，所以設(shè)在353,626K,1750kp時的焓值為h對溫度進(jìn)行內(nèi)查法：1600kpa時(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) kJ/kg1800kpa時 （626-600）/（h- 3691.7）=(700-626)/( 3918.5-h) kJ/kg再對壓力使用內(nèi)查法得在353,626K,1750kp時的焓值h為：(1750-1600)/(h-3

19、752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h) kJ/kgQ1= X(83.96)變換氣吸熱Q2根據(jù)表5-1.2和表5-1.3得：物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp31所以Cpm= Yi*CpkJ/（kmol.T）Q2=×× kJ取熱損失為0.04 Q2根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2= X(-83.96)X kmolM3(標(biāo))水的量為：M3(標(biāo)) =50.3261 kmol所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))kmol8中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算已知條件：所以進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣干組分

20、：組 分CO2COH2N2CH4合計含量15.5458.4721.130.35100M3(標(biāo))3136.16kmol140.018.1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CO的變化量為：×M3(標(biāo)) =11.7658 kmol在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：M3(標(biāo))=2.11 kmol出中變爐二段催化床層的CO的量為： M3(標(biāo)) =3.9269 kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：487.3908+=M3(標(biāo)) =23.873 kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：1833.8478+=M3(標(biāo))

21、 =83.9826 kmol所以在二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量： V總（干）=87.96268+534.75532+1881.21232+668.34+ M3(標(biāo)) =142.1218 kmol所以出中變爐二段催化床層的變換氣干組分：組 分CO2COH2N2CH4合計含量0.35100M3(標(biāo))kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：=M3(標(biāo)) =48.207 kmol故出中變爐二段催化床層的變換氣濕組分中CO的含量：CO= =2.06%同理得：CO2= =12.54%H2= =44.125% N2= =15.67%CH4= =0.26% H2O= =25.33%所以出中變爐的濕

22、組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))6kmol對出中變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：Kp= （H2×CO2）/（H2O×CO）查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊知當(dāng)Kp=10.6時t=409設(shè)平均溫距為44，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：409-44=3658.2中變爐二段催化床層的熱量衡算：以知條件：進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353 出中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:計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，使用公式5-1及表平均溫度為632K時的生成焓。計算結(jié)果如下：組分H2H

23、2OCOCO2Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末kJ/kg所以得： Q1=2.11*kJ/kg氣體吸熱Q2：根據(jù)物理化學(xué)教程知CO,H2,H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T）物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH4計算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp所以得：Cpm=KJ/（kmol.T）故：Q2×&#

24、215;（365-353）熱損失：Q3=Q1-Q2=4584.95 kJ9中變二段催化劑操作線計算由中變二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 353 中變爐出口氣體溫度 365 中變爐入口CO變換率 60% 中變爐出口CO變換率 74%所以中變爐的操作線如圖：中變換爐物料量平衡表組分進(jìn)中變換爐的物料量/m3 出一段催化床層的物料量/m3CO2COH2N2O2CH4H2O合計組分進(jìn)二段催化床層的物料量/m3出二段催化床層的物料量/m3CO2COH2N2CH4H2O合計中變換爐一段熱量平衡表反應(yīng)放熱/kJ氣體吸熱/kJ熱量損失/kJO2中變換爐二段熱量平衡表反應(yīng)放熱/kJ氣體吸

25、熱/kJ熱量損失/kJ已知條件：進(jìn)低變爐的濕組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))kmol所以進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分：組 分CO2COH2N2CH4合計含量0.35100M3(標(biāo))kmol要將CO降到0.2（濕基）以下，則CO的實際變換率為：p=×則反應(yīng)掉的CO的量為：× M3(標(biāo))=3.539 kmol出低溫變換爐CO的量： M3(標(biāo)) kmol出低溫變換爐H2的量： 1881.21232+ M3(標(biāo))kmol出低溫變換爐H2O的量： M3(標(biāo))=44.67 kmol出低溫變換爐CO2的量: 534.75532 + M3(標(biāo))=27.4

26、1 kmol出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積：V總（干）=8.69868+= M3(標(biāo))= kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：CO=0.266%同理得：CO2=18.82%H2=60.08%N2=20.48%CH4=0.35%出低變爐的干組分：組 分CO2COH2N2CH4合計含量100M3(標(biāo))kmol出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積：V總（干）=8.69868+= M3(標(biāo))= kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：CO=2.0%同理： CO2=14.4% H2=45.98% N2=15.68% CH4=0.26% H2O=23.47%所以出低變

27、爐的濕組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))kmol對出底變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：Kp=（H2×CO2）/（H2O×CO）查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊知當(dāng)Kp=141.05時t=223設(shè)平均溫距為20，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為： t=22320=20310.2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，T=476K，計算變換氣中各組分的生成焓原理與計算一段床層一樣，使用公式5-1及表平均溫度為476K時的生成焓。計算結(jié)果如下：組分H2

28、H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末kJ/kg所以：Q1×kJ/kg氣體吸熱Q2：根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2,H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T） 物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容物質(zhì)ab/10-3c/10-6b/10-9CH4計算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp所以得：Cpm=kJ/（kmol.T）故：Q2×&#

29、215;（203-181）熱損失 ： Q3=Q1-Q2=141412.3742-138401.9044=3010.4698 kJ低變換爐物料量平衡表組分進(jìn)低溫變換爐的物料量/m3出低溫變換爐的物料量/m3CO2COH2N2CH4H2O合計低變換爐熱量平衡表反應(yīng)放熱/kJ氣體吸熱/kJ熱量損失/kJ11低變催化劑操作線計算有低變二段催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知： 低變爐入口氣體溫度 181 低變爐出口氣體溫度 203 低變爐入口CO變換率 74% 低變爐出口CO變換率 90.11%12 低變爐催化劑平衡曲線根據(jù)公式XP=×100V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=

30、KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度t160180200220240260T433453473493513533Xpt280T553Xp低變爐催化劑平衡曲線如下：13. 最佳溫度曲線的計算由于低變爐選用B302型催化劑。查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊B302型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43164kJ/ kmolCO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能E2為：E2- E1=r×(-H)對于CO變換反應(yīng)r=1，則E2=(-H) + E1H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 由

31、小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊可知反應(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算：H= kcal/ kmol得：H kcal/kmo kJ/kmolE2 kJ/kmol最適宜溫度曲線由式Tm= 進(jìn)行計算最適宜溫度計算結(jié)果列于下表中：XpT402421440457475493t129148167184201220 XpT510t237將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：14廢熱鍋爐的熱量和物料衡算以知條件：進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份：組份CO2COH2N2CH4O2H2O合計100M3(標(biāo))kmol進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：920出廢熱鍋爐的溫度為：330進(jìn)出設(shè)備的水溫：20出設(shè)備的水溫：33

32、0進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.3 kmol進(jìn)出設(shè)備的水量：X kmol在設(shè)備里無物料的變化。熱量衡算：（1） 入熱：水的帶入熱Q1水在20時 Cp=33.52 kJ/（kmol.T）所以：Q1=X×（20+273）×轉(zhuǎn)化氣的帶入熱Q2：轉(zhuǎn)化氣在920時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來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T）物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH4計算結(jié)果：組分

33、COH2CO2H2ON2CH4Cp故Cpm=kJ/（kmol.T）所以： Q2××（920+273）（2）出熱：轉(zhuǎn)化氣的帶出熱Q3：轉(zhuǎn)化氣在330時T=603K根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2,H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T）物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH4計算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp所以：Cpm=kJ/（kmol.T）因此： Q3××

34、水的帶出熱Q4:水在330，T=603K時的熱容為：Cp=36.55 kJ/（kmol.T）所以得：Q4=X××（330+273）熱損失Q5:Q5×(Q1+ Q2)熱量平衡：×(Q1+ Q2)= Q3+ Q4 0.96（廢熱鍋爐熱量平衡表帶入熱/kJ帶出熱/kJ熱損失/kJ轉(zhuǎn)換氣水Q要使H2O/CO=3.5還要加入的水量為： （1184.113-818.73）÷22.4=16.312 kmol16主換熱器的物料與熱量的衡算已知條件：進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量：190.33 kmol進(jìn)出設(shè)備的水的量：X kmol物料的量在設(shè)備中無變化。溫度：變換氣進(jìn)設(shè)

35、備的溫度：365變換氣出設(shè)備的溫度：250水進(jìn)設(shè)備的溫度： 20水出設(shè)備的溫度： 90熱量計算：（1） 入熱： 變換氣帶入熱:Q1 變換氣在365時根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2,H2O, CO2, N2 ，可用公式Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T）物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH4計算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp故：Cpm=kJ/（kmol.T）所以： Q1××（365+273）水的帶入熱Q2:水

36、在20時Cp=33.52 kJ/（kmol.T）所以得： Q2=X*(20+273)*33.52=9821.36*X出熱：變換氣在出口溫度為250，T=523K時根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2,H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T）物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH4計算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp故：Cpm=kJ/（kmol.T）所以得： Q3×523×水的帶出熱Q

37、4:水在90時Cp=34.14 kJ/（kmol.T）得： Q4=X*34.14*(90+273)=12392.82*X熱損失Q5根據(jù)熱量平衡：0.96*（Q1+Q2）=Q3+Q4X=223.16 kmol主換熱器熱量平衡表帶入熱/kJ帶出熱/kJ熱損失/kJ轉(zhuǎn)換氣水Q以知條件：入設(shè)備的變換氣溫度：250出設(shè)備的變換氣溫度：181變換氣帶入的熱量：Q1變換氣帶出的熱Q2：變換氣在181時T=454K時根據(jù)物理化學(xué)知CO, H2,H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。 熱容的單位為kJ/（kmol.T）物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/10-3c/105-C

38、H4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH4計算結(jié)果：組分COH2CO2H2ON2CH4Cp29Cpm=kJ/（kmol.T）得： Q2××4541變換氣放出的熱量：Q=Q1-Q2-Q3第二章 設(shè)備的計算2-1中變爐的計算2-1.1觸媒用量的計算根據(jù)文獻(xiàn)3000噸型合成氨廠工藝和設(shè)備計算可知： Vr=T0*V0 式中 Vr 觸媒體積，M3(標(biāo))T0標(biāo)準(zhǔn)接觸時間，h*m3/ M3(標(biāo))V0通過觸媒的氣體體積，M3(標(biāo))/h標(biāo)準(zhǔn)接觸時間的計算公式如下：式中：W=Kp-1;U=Kp(A+B)+(C+D);V=KPAB-CD

39、;q=Kp反應(yīng)平衡常數(shù)；k1反應(yīng)速度常數(shù)；n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T/h已知條件：第一段床層變換氣進(jìn)口溫度為：330，第一段床層變換氣出口溫度為：415平均溫度為：（330+415時反應(yīng)速度常數(shù)k1=4600，加壓時取校正系數(shù)：2.8，則：k1=4600*2.8=12880.進(jìn)第一段床層變換氣中N2%=16.12%則：V0=（3790÷17）×÷× M3(標(biāo))/h出第一段床層變換氣中CO%=3.27%進(jìn)第一段床層的變換氣濕組分：組 分CO2COH2N2CH4H2

40、O合計含量100M3(標(biāo))354koml67n=8.16%-3.27%=4.89%×(0.0816+0.2856)+(0.0686+0.398)×××q=所以： V01 =T0*V0 ×15489.7=7 M3所以：V0 1=7× M32-1.3 第二段床層觸媒用量已知條件：第二段床層變換氣進(jìn)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(shè)備計算得到在375時反應(yīng)速度常數(shù)k1=4600，在317時反應(yīng)速度常數(shù)k2=2130。使用內(nèi)插法：（375-359）/（4

41、600-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(jìn)中變爐二段床層的組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量100M3(標(biāo))35koml670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(shù)與設(shè)計手冊 得到在359××××q=所以： V02=T0*V0 ×=M3所以：V02 × M3中溫變換爐觸媒用量:V= V01+V02 M3C6觸媒堆重量:3790/17×÷(22.56%×3/h÷12.5=883.1 Nm3干氣/(h* m3觸媒)2-1.4 觸媒直徑的計算計算觸媒直徑的公式:催化劑床層阻力降:P=P氣體通過觸媒床的壓力降;f 摩擦系數(shù),一般取1.5;G氣體重量流速,公斤/(米3*小時);r 氣體在操作狀