15萬噸合成氨一氧化碳變換工段設計[1]

1、目錄1. 前言 42. 工藝原理 43. 工藝條件 54. 工藝流程的確定 65. 主要設備的選擇說明 66. 對本設計的綜述 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 83. 中變爐一段催化床層的物料彳衡算 94. 中變爐一段催化床層的熱量彳衡算 115. 中變爐催化劑平衡曲線 136最佳溫度曲線的計算 147. 操作線計算158. 中間冷淋過程的物料和熱量計算 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算 19第三節(jié)廢熱鍋爐的熱量和物料計算 24第四節(jié) 主換熱器

2、的物料與熱量的計算 26第五節(jié)調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算 28第二章設備的計算 291低溫變換爐計算 29312. 中變廢熱鍋爐35參考文獻及致謝、八 、，前言氨是一種重要的化工產(chǎn)品， 主要用于化學肥料的生產(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,因為co是合成氨催化劑的毒物，所以必須進行凈化處理，通常，先經(jīng)過co變換反應，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的CO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

3、 烷化法加以脫除。變換工段是指CO與水蒸氣反應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。 在中變串低變流程中， 因為寬變催化劑的串入， 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。因為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： 一氧化碳變換反應式為：CO+H2O=CO2+

4、H2+Q（1-1）CO+H2=C+H2O（1-2）其中反應（1）是主反應，反應（ 2）是副反應，為了控制反應向生成目的產(chǎn) 物的方向進行，工業(yè)上采用對式反應（ 11）具有良好選擇性催化劑，進而抑制 其它副反應的發(fā)生。一氧化碳與水蒸氣的反應是一個可逆的放熱反應，反應熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應式：H2+Q=H0+Q工藝條件1.壓力：壓力對變換反應的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲 烷等副反應易于進行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學角度，加 壓可提高反應速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。因為干原料氣摩爾數(shù) 小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進行變換的能耗

5、， 比常壓 變換再進行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應根據(jù)中小型氨廠的特點， 特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機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。本設計的原料氣由小型合 成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，故壓力可取 1.7MPa.1.溫度：變化反應是可逆放熱反應。從反應動力學的角度來看，溫度升高，反應速率常 數(shù)增大對反應速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即CQ平衡含量增大，反應推動力變小，對反應速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因 而存在著最佳反應溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學角度推導的計算式為Tm 1TeRTeET7!

6、In式中Tm Te分別為最佳反應溫度及平衡溫度，最佳反應溫度隨系統(tǒng)組成 和催化劑的不同而變化。水蒸汽比例一般指H20/CQ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，加速變換反應的進行。因為過量水蒸 汽的存在，保證催化劑中活性組分 FqO的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生 成甲烷等副反應不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標， 盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟性具有重要的意義， 蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加； CO 停留時間縮短，余熱回收設備附和加重等，所 以，中（高）變換時適宜的

7、水蒸氣比例一般為：H2O/CO=3- 5,經(jīng)反應后，中變氣中H2O/CO可達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。本設計參 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 爐進入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從 920C降到330C，在廢熱鍋爐出 口加入水蒸汽使汽氣比達到 3 到 5 之間，以后再進入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一 氧化碳含量降到3沖下。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180C左右，進入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 0.3%以下，再進入甲烷化工段。主要設備的選擇說明 中低變串聯(lián)流程中，

8、主要設備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低 變爐選用C6型催化劑，計算得低變催化劑實際用量 10.59m3。以上設備的選 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。對本設計評述 天然氣變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步， 也是較為關鍵的一步， 因為 能否正常生產(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。 因此，必須控制一定的工藝條件，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要 求。在本設計中，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。首先對中，低變進行了物料和熱量衡算，在計算的基礎上，根據(jù) 計算結(jié)果對主要設備

9、選型，最終完成了本設計的宗旨。設計中一共有中溫廢 熱鍋爐，中變爐，主換熱器，調(diào)溫水換熱器，低變爐幾個主要設備。因為天然氣變換工段工序是成熟工藝， 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 和合成氨工藝學 這兩本書。 因為時間有限，設計可能不完善，請各位老師指出。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：已知條件中變爐進口氣體組成組分CO2COH2N2CH4O2合計%9.611.4255.7122.560.380.33100計算基準：1噸氨計算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17） X 22.4/（2 X 22.5

10、6） =2920.31M3（標）因為在生產(chǎn)過程中物量可能會有消耗，因此變化氣量取2962.5M3（標）年產(chǎn)5萬噸合成氨生產(chǎn)能力：日生產(chǎn)量：150000/330=454.55/d=18.93T/h要求出中變爐的變換氣干組分中 CO%小于2%進中變爐的變換氣干組分：組分CO2COH2N2O2CH4合計含量，%9.611.4255.7122.560.330.38100M3（標）474563.862750.681113.916.2918.7634937.5假設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。進中變爐干氣壓力 P中 =1.75Mpa.2 水汽

11、比的確定：考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取H2O/CO=3.5故 V （水） =1973.52m3（標）n（水）=88.1kmol因此進中變爐的變換氣濕組分：組分CQCON2O2CHHO合計含量6.868.1639.816.120.240.2728.56100M（標）474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53中變爐CO的實際變換率的求?。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：CO

12、+H= H+CO,則CO的實際變換率為：Y -Y*X % = a a X 100=74% Ya（1+YaJ式中Ya、Ya分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）則反應掉的CO的量為：8.16 X 74% =6.04則反應后的各組分的量分別為：F2O% =28.56 % -6.04 % +0.48 % =23%CC% =8.16 % -6.04 % =2.12 %"% =39.8 % +6.04 %-0.48 % =45.36 %CO% =6.86 % +6.04 % =12.9 %中變爐出口的平衡常數(shù)：K= （H%X CO%） / （ HO%X CC%） =12查小合成氨廠工藝技術

13、與設計手冊可知K=12時溫度為397C中變的平均溫距為 397E -365 C =32E中變的平均溫距合理，故取的 HO/CO可用。3.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%。因為進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分COCOHN2O2CHHO合計含量，%6.868.1639.816.120.240.2728.56100M（標）474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53假使Q與完全反應，Q完全反應掉故在一段催化床層

14、反應掉的CO的量為:360%X 563.86=338.318M（標）=15.1koml出一段催化床層的CO的量為:563.86-338.318=225.545M 3（標）=10.069koml故在一段催化床層反應后剩余的 H的量為：2750.68+338.318-2 X 16.29=3056.41M3（標）=136.447koml故在一段催化床層反應后剩余的 CO的量為：474+338.318=812.318Mf（標）=36.26koml出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：組分CQCOHN2CH合計含量15.5443.158.4721.130.35100M（標）812.318225.54530

15、56.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的H0的量為：1973.52-338.318+2 X 16.29=1667.79M3（標）=74.45koml所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分COCOH2CHHO合計含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M（標）812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進行計算：

16、已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）:組分CQCOH2N2CHHO合計含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M（標）812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進行估算：根據(jù)：K=（H2%x CO%）/ （HO%X CO）計算得 K=6.6查小合成氨廠工藝技術與設計手冊知當K=6.6時t=445 °C設平均溫距為30C，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：445C -30 C =41

17、5C4 中變爐一段催化床層的熱量衡算以知條件：進中變爐溫度：335 C出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415C反應放熱Q:在變化氣中含有CO HO, O2, H這4種物質(zhì)會發(fā)生以下2種反應:CO+2O=C2+H (1-1 )Q+2H=2HO (1-2)這2個反應都是放熱反應。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 C 為基準的氣體的統(tǒng)一基準焓計算式為：H0298=CpdtT式中HT氣體在298在TK的統(tǒng)一基準焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol) ； *298 該氣體在 25 C下的標準生成熱， kcal/kmol(4.1868kJ/kmol

18、) ；T絕對溫度，K;Cp氣體的等壓比熱容，kcal/ (kmol. C) 4.1868kJ/ (kmol. C) 氣體等壓比熱容與溫度的關系有以下經(jīng)驗式：2 3Cp=A+A X T+AXT +AXT +式中民、A、A、A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：234Ht=ao+a X T+aXT +a3XT +a4X T式中常數(shù)a。、a、a?、a3、a4與氣體特性常數(shù)及標準生成熱的關系為：a=A,a 2=A/2,a 3=A/4,a 4=A/4ac=H0298-298.16ai-298.162X a2- 298.163X a3-298.164X a4采用氣體的統(tǒng)一基準焓進行熱量平

19、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=(刀 ni X Hi)始一(刀 ni X Hi)末式中 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，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)一基準焓，kcal/kmol ，(4.1868kJ/kmol )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)表分子式aoaia2a3a4O21.90318 X10 35.802982.15675 X10 -3-7.40499 X10 -71.08

20、808 X10 -10H2-2.11244 X10 37.20974-5.5584 X 1044.8459 X 10 7-8.18957 X 1011H2O-6.0036 X 1047.110921.2932 X 10 31.28506 X 107-5.78039 X 1011N23-1.97673 X 106.4590345.18164 X 102.03296 X 10711-7.65632 X 10CO-2.83637 X 1046.266278.98694 X 1045.04519 X 109-4.14272 X 1011CO2-96377.888676.39635.05 X 10-1.

21、135 X 10 60.00計算Q的基準焓：根據(jù)基準焓的計算通式：Ht=ao+ai x T+a2XT2+a3XT3+a4X T4在 415C 時 T=415+273=683K查表可得變換氣的各個組分的基準焓列于下表：組分O2H2H2OCOCO2Ht (kcal/kmol )6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.67833Ht (kJ/kmol )28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6208放熱：CO+2O=C2+H( 1) H1=(刀 Hi)始-(刀 Hi)末=-376630.6208+11

22、405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/komlQ仁 15.1X( -38079.10484 ) =-575121.414kJQ+2H=2HO (2)Q2=A H2=(E ni x Hi )始(刀 ni x 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)物理化學知 CO,H2,HQC02,N2,可用公式：Cp=a+b+C2來計算熱容熱容的單位為kJ/ (kmol. °C)查表可得：物質(zhì)COH2HOCON2a28.4127.28304

23、4.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10 -5-0.460.5020.33-8.53Cpm£Yi*Cp=34.06KJ/ (kmol. C)所以氣體吸熱 Q3=34.06*307.8*(415-330)=891111.78kJ假設熱損失Q4根據(jù)熱量平衡的：Q=Q3+Q4Q4=52934.965kJ5中變爐催化劑平衡曲線根據(jù) HO/CO=3.5,與公式 Xp=U q X 100%2AWV=KPAB-CDq=、U 2 _ 4WV中變爐催化劑平衡曲線如下:X率 化 轉(zhuǎn)溫度C)中變爐平衡曲線6.最佳溫度曲線的計算因為中變爐選用C6型催化劑,最適宜溫度曲線

24、由式TeRTeInE2E進行計算查小合成氨廠工藝技術與設計手冊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。最適宜溫度計算列于下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526P 546.8564.2 :581.5P 598.8624.5t253273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2P 649.4660.7 :671P 681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.

25、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:女率化轉(zhuǎn)4*7253 274 291 309 326 352 365 376 387 398 409 420 430 444一最適宜溫度線溫度（C）7 操作線計算有中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知:中變爐人口氣體溫度335C中變爐出口氣體溫度415C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:70X率化轉(zhuǎn)/605040302010330415操作線溫度C)8中間冷淋過程的物料和熱量衡算：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：307.8koml設冷淋水的流

26、量：Xkg變換氣的溫度：415C冷淋水的進口溫度：20 C進二段催化床層的溫度：353 C操作壓力：1750kp熱量計算：冷淋水吸熱Q1：據(jù)冷淋水的進口溫度20 C查化工熱力學可知h1=83.96kJ/kg根據(jù)化工熱力學可知T/kP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷淋水要升溫到353C，所以設在353C ,615K,1750kp時的焓值為h對溫度進行內(nèi)查法：1600kpa時(626-600)/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) h=3752.09kJ/kg1800kpa

27、時(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)h=3750.668kJ/kg對壓力用內(nèi)差法得353E, 615K, 1750Kp時的焓值h為:(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235kJ/kgQ1=X（3813.244875-83.96）變換氣吸熱Q2根據(jù)表5-1.2和表5-1.3的計算方法得:物質(zhì)COCOFtHONNCHG3148.229.637.230.756.1所以 Cpm£Yi*Cp=33.92kJ/(kmol. C)Q2=308.53*33.92*(415-3

28、53)取熱損失為0.04Q2根據(jù)熱量平衡：0.96Q2=X(3751.0235-83.96)X=169.46kg=9.415koml=210.88M3(標)所以進二段催化床層的變換氣組分：水的量為：210.88+1667.79=1878.67M3(標)組分COCOFb2CHHO合計含 量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M（標）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：設中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化

29、率為 0.74 （總轉(zhuǎn)化率）所以在二段CO的變化量563.86*0.74=417.26M 3（標）在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的 CO的量為：225.545- （563.86-417.26 ） =78.94Mf（標）=3.52koml出中變爐二段催化床層的 CO的量為：225.545-78.94=146.605M 3（標）故在二段催化床層反應后剩余的 CO的量為：3812.318+78.94=891.26M （標）故在二段催化床層反應后剩余的H2的量為：33056.413+78.94=3135.353M （標）故在二段催化床層反應后剩余的H2O的量為：1878.67-78.94=1799.73M

30、 3（標）所以出中變爐的濕組分：組分COCO2CHHO合計含 量12.542.0644.12515.670.2625.33100M（標）891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進行估算：根據(jù)：K= （CO%） / （CC）計算得K=10.6查小合成氨廠工藝技術與設計手冊知當 K=10.6時t=409 C設平均溫距為48C，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：409 °C -44 °C =365C10.中變爐

31、二段催化床層的熱量衡算：以知條件：進變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353 C出變爐二段催化床層的變換氣溫度為：365 C變換氣反應放熱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，平均溫度為：632K,計算結(jié)果如下：組分H2H2OCOCO2Ht(kcal/kmol)2373.4r-54949.05-24005.565-90536.421：Ht (kJ/kmol)9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放熱：CO+2O=C2+H (1) H1=(E Hi)始(刀 Hi )末 =-38553.74846kJ/kgQ1=3.52*38553.74846=

32、135580.683kJ/kg氣體吸熱Q2根據(jù)物理化學知 CO,H2,H2O,CO2,N,可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/ (kmol. °C)表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53CH可用公式Cp=a+b+ci+df來計算熱容:物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72Cpm£

33、Yi*Cp=33.61KJ/ (kmol. C)Q2=33.61*317.22* (365-353) =12789.1kJ熱損失:Q3=Q1-Q2=7641.6kJ第二節(jié)低變爐的物料與熱量計算1.已知條件：進低變爐的濕組分組分COCOCH"0合計含 量12.542.0644.12515.670.2625.33100M（標）891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22進低變爐的干組分:組分COCOH2N2CH合計含量16.792.7659.0920.99

34、0.35100M（標）891.26146.6053135.3531113.918.765305.91koml39.7886.545139.97149.720.838236.872 低變爐的物料衡算：要將降到0.2 % （濕基）以下，貝U CO的實際變換率為:Y _Y"X %X 100=90.11 %Ya（1+YaJ則反應掉的 CO的量為：146.605 X 90.11 % =132.11詠標）=5.898koml 出低溫變換爐 CO的量：146.605-132.1 仁14.495M 3（標）=0.64722koml 出低溫變換爐 H2 的量：3135.353+132.11=3267.

35、463M3（標）=145.869koml 出低溫變換爐 H2O的量：1799.73-132.11=1667.62M 3（標）=74.45koml 出低溫變換爐 CO2的量 :891.26+132.11=1023.37M （標）=45.68koml 出低變爐的濕組分：組分COCOH2N2CHHzO合計含量14.40.245.9815.680.2623.47100M（標）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COCOH>N2CH合

36、計含量18.820.2760.0820.480.35100M（標）1023.3714.4953267.4631113.918.765437.99koml45.680.64722145.86949.720.838242.767對出低變爐的變換氣溫度進行估算:計算得K=141.05查小合成氨廠工藝與設計手冊知當 K=141.05時t=223 C設平均溫距為20E，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：t=223-20=203°C3 低變爐的熱量衡算：以知條件：進低變爐催化床層的變換氣溫度為：181C出低變爐催化床層的變換氣溫度為：203 C變換氣反應放熱Q1：在 203 C 時，T=476

37、K計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，平均溫度為：476K,計算結(jié)果如下：組分H2H2OCOCO2Ht(kcal/kmol )1241.516-56347.304-25178.916-92311.594Ht (kJ/kmol )5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放熱：CO+2O=C9H (1) H1=(E Hi)始(刀 Hi )末 =-39958.286kJ/kgQ1=5.898*39958.286=235687.29kJ/kg氣體吸熱Q2氣體吸熱時的平均溫度：(181+203) /2=191.5 C，T=464.5K根據(jù)物理化

38、學知 CO,H2,H2O,CO2,N可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱 容。熱容的單位為kJ/ (kmol. C)表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53CH可用公式Cp=a+b+c1+d來計算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COCOHONCHCp30.129.0344.3935.1329.8545.05Cpm=2Yi*Cp=32.86kJ/(kmol. C)Q2=33.61*317.

39、22* (203-181 ) =230669.84kJ熱損失 Q3=Q1-Q2=235687.29-230669.84=5017.45kJ4 低變爐催化劑平衡曲線 根據(jù)公式xp=u q x 100%2AWV=K pAB-CDq= . U 2 -4WVU=Kp (A+B) + (C+D)W=Kp-1其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及 出的起始濃度t160180200220240260T433453473493513533Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229t280T553Xp0.76低變爐催化劑平衡曲線如下:一低變爐平衡曲線160180200

40、220240260280溫度(C)5. 最佳溫度曲線的計算因為低變爐選用B302型催化劑。查小合成氨廠工藝技術與設計手冊B302型催化劑的正反應活化能分別為E1=43164kJ/komlCO變化反應的逆反應活化能E2為：E2-E仁r*(- H)對于CC變換反應r=1，貝U E2=(- HJ+EI H為反應熱，取其平均溫度下的值，即：(181+203) /2=192 C, T=465KCO的反應式為：CO+2O=C2+H反應熱是溫度的函數(shù)，不同溫度下的反應熱可以用以下公式計算： H=-1000-0.291*T+2.845 X 10-3*T2-0.97.3 X 10-3T3得：AH =-9422.

41、62kcal/kmol=-39450.653kJ/kmolE2=39450.653+43164=82614.653kJ/kmol6. 最適宜溫度曲線由式Tm=一1TeRTeE2 -巳進行計算lnXp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229T402421440457475493t129148167184201220E1最適宜溫度計算列于下表中:Xp0.76T510t237將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖:1.2最適宜溫度曲線第二節(jié).廢熱鍋爐的熱量和物料計算1 已知條件：進廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份:組份CO2COH2N2CH4O2H2O合計%7.548.9743.

42、7617.720.290.2621.7100M(標)474563.872750.681113.918.7616.291364.556285.75koml21.16125.173122.79849.730.8380.72860.917280.614進廢熱鍋爐的溫度為：925C出廢熱鍋爐的溫度為：335C進出設備的水溫：20C出設備的水溫：335C進出設備的轉(zhuǎn)化氣(濕)：168.3koml進出設備的水量：Xkoml物量在設備里無物量的變化。2.熱量計算：(1)入熱：水的帶入熱Q水在 20C時 Cp=33.52kJ/ (kmol. C)Q=X* (20+273) *33.52=9821.36X轉(zhuǎn)化氣

43、的帶入熱Q2轉(zhuǎn)化氣在925E時T=1193K根據(jù)物理化學知 CO,H,H2O,CO,N2，可用公式：Cp=a+b+cT來計算熱容熱容的單位為kJ/ (kmol. °C)表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53CH可用公式Cp=a+b+cT+d來計算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm

44、3;Y*Cp=36.4kJ/ (kmol. C)Q=36.4*280.62*(920+273) =12185577.7kJ(2)出熱：轉(zhuǎn)化氣的帶出熱：Q=32.66 X 280.62 x( 330+273) =5526711.3KJ轉(zhuǎn)化氣在335C時T=608K根據(jù)物理化學知 CO,H,H2O,CO,N2，可用公式：Cp=a+b+cT來計算熱 容。熱容的單位為kJ/ (kmol. C)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計算結(jié)果:組分CO14

45、COH.OCHCp30.7629.3847.2536.5530.4452.73Cpm£Yi*Cp=32.66kJ/ (kmol. C)Q=32.66*280.62*(330+273) =5526711.265kJ水的帶出熱Q4:水在 335C, T=603K時的熱容為：Cp=36.55kJ/ (kmol. C)Q=X*36.55* (330+273) =22039.65X熱損失Q：Q=0.04*(Q 1+Q)熱量平衡：0.96*(Q 1+Q2)=Q3+Q40.96 (9821.36X+12185577.7)=22039.65X+5526711.265X=489.365koml3. 水

46、蒸汽的加入：要使HO/CO=3.5還要加入的水量為：(1973.52-1364.55 )- 22.4=27.187koml第四節(jié)主換熱器的物料與熱量的計算1. 已知條件：進出設備的變換氣的量：190.33koml進出設備的水的量：Xkoml物料的量在設備中無變化。溫度：變換氣進設備的溫度：365C變換氣出設備的溫度：250 E水進設備的溫度：20 E水出設備的溫度：90r2. 熱量計算：(1)入熱：變換氣帶入熱：Qi變換氣在365E時根據(jù)物理化學知CO,H,H2O,CQ,N2,可用公式：Cp=a+b+CT來計算熱容。熱容的單位為kJ/ (kmol. °C)表 5-1.2物質(zhì)COH2H

47、2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53CH可用公式Cp=a+b+ci+df來計算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH17.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COCOH2OCHCp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm£Y*Cp=33.94kJ/ (kmol. C)Q=317.22*33.94*(365+273) =6868920.88kJ水的帶入熱Q:水在 20 C 時 Cp=33.52kJ/ (kmol. C)Q=X*(20+

48、273)*33.52=9821.36*X出熱：變換氣在出口溫度為 250C, T=523K時根據(jù)物理化學知 CO,HI,H2O,C(O,N2,可用公式：Cp=a+b+cT來計算熱容熱容的單位為kJ/ (kmol. °C)表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53CH可用公式Cp=a+b+cT+dr來計算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH17.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COCOH2OCHCp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm£Yi*Cp=33.14kJ/ (kmol. C)Q=33.14*523*317.22=5498069.055kJ水的帶出熱Q4:水在 90C 時 Cp=34.14kJ/ (kmol. C)Q4=X*34.14*(90+273)=12392.82*X 熱損失Q:取0.04Q根據(jù)熱量平衡：0.96* (Q+Q) =Q+QX=