年產(chǎn)三萬噸合成氨廠變換工段工藝設(shè)計

1、精品文檔畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書一設(shè)計要求：1. 進行工段工藝流程設(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(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)圖和工藝流程圖設(shè)計原始數(shù)據(jù)：以在某化工廠的實際數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)組 分CO2COH2N2O2CH4合計含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100。1歡迎下載精品文檔目錄4前言41.42.43.54.55.6第一章物料與熱量衡算7172CO8394.1051161771781992310.241129122913.301

2、43115.34163417.36第二章設(shè)備的計算371.372.42649 50。1歡迎下載精品文檔第一章物料與熱量衡算已知條件：組 分CO2COH2N2O2CH4合計含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100計算基準： 1 噸氨計算生產(chǎn) 1 噸氨需要的變換氣量：（ 1000/17 ）× 22.4/ （ 2× 22.56 ）=2920.31 M3( 標)因為在生產(chǎn)過程中物料可能會有損失，因此變換氣量取2962.5 M 3( 標 )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： 30000/330=90.9T/d=3.79T/h要

3、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COCOHNOCH合計22224含量，9.611.4255.7122.560.330.38100M3(標)284.44338.321650.41668.349.7811.262962.50kmol12.69615.10373.67929.8370.4360.503132.25假設(shè)進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。進中變爐干氣壓力P中 =1.75Mpa.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H2O/CO=3.5故 V（水） =3.53標 )，n( 水 )

4、 =52.862kmolV 水 =1184.113m(因此進中變爐的變換氣濕組分組 分COCOHNOCHH O合計222242含量6.868.1639.8016.120.240.2728.56100M3( 標)284.42338.321650.42668.349.7711.21184.14146.6162。2歡迎下載精品文檔kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.12。3歡迎下載精品文檔2. 中變爐 CO的實際變換率的求?。杭俣褶D(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

5、，則 CO的實際變換率公式為：YaYa×100（2-1 ）X =pYa 1Ya式中 Ya 、 Ya' 分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）所以： Xp= 8.166.0410010028.16=74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：H2 O =28.56 -6.04 +0.48 =23CO=8.16 -6.04 =2.12 H2 =39.8 +6.04 -0.48 =45.36 CO2 =6.86 +6.04 =12.9 中變爐出口的平衡常數(shù)：Kp= （H2× CO2） / （H2O× CO） =

6、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。4歡迎下載精品文檔3中變爐催化劑平衡曲線根據(jù) H2O/CO=3.5，與文獻小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊上的公式 XP=U q ×1002 AWV=KPAB-CDq=U 24WVU=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：t300320340360380400T5735936136336536

7、73Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中變爐催化劑平衡曲線如下：pX率化轉(zhuǎn)OC1009080706050403020100300350400450500溫 度（）。5歡迎下載精品文檔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 TmTe進行計算。RTelnE21E1E1E2查 3000 噸合成氨廠工藝和設(shè)備計算C 型催化劑的正負反應(yīng)活化能分別為6E1=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

8、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)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：10.90.80.7pX0.6率化 0.5轉(zhuǎn)OC0.40.30.20.10250270290310330350370390410

9、430450溫 度（）。6歡迎下載精品文檔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CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量6.868.1639.816.120.270.2428.561003284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61M(標)kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.125.1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

10、催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：60× 338.318=202.9908 M 3 ( 標 )=9.062kmol出一段催化床層的CO的量為：3338.318-202.9908=135.3272 M( 標 )故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2 的量為：1650.409+202.9908-2 ×9.776=1833.8478 M 3 ( 標 )=81.868kmol故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：284.4+202.9908=487.3908 M 3( 標)=21.758kmol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+

11、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= 135.3272 =4.31%3136.1638。7歡迎下載精品文檔同理得：487.3908CO2=15.54%1833.8478H2 =58.47%487.3908CO2=15.54%668.34N 2 =21.13%11.258CH4=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15.544.3158.4721.130.35100M3( 標)487.39135.331833.84668.3411.25313

12、6.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的 H2O的量為：1184.113-202.9908+2 ×9.776=1000.6742 M 3 ( 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H2O=1000.6742 =24.19%4136.838故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中CO2的含量CO

13、2=115.54%=11.78 0.1554同理可得：CO=0.0413=3.27 10.0413H2 =0.5847=44.33 10.5847N2 =0.2113=16.16 10.2131。8歡迎下載精品文檔CH4 =0.0035=0.27 100035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11.783.2744.3316.160.2724.19100M3( 標)487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2

14、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CO2COH2N2CH4H2O合計含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3( 標)487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根據(jù)： Kp= （H2× CO2） / （H2O× CO）計算得 K=6.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊知當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

15、-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(yīng)放熱 Q：在變化氣中含有 CO，HO，O，H 這 4 種物質(zhì)會發(fā)生以下2 種222反應(yīng)：CO +HO=CO+H（1）222O +2H2=2H2O（ 2）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。9歡迎下載精品文檔式為：HT= H0298=Cpdt式中：H T 氣體在T；在 TK的統(tǒng)一基準焓， kcal/kmol(4.1

16、868kJ/kmol)298 H0298 該氣體在 25 下的標準生成熱，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；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(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

17、氣體特性常數(shù)及標準生成熱的關(guān)系為：a 1=A0,a2=A1/2,a3=A3/4,a4=A3/401298.162×a2 298.1634×a4a0=H298298.16a×a3298.16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(yīng)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 ）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

18、度下或末態(tài)溫度下；Hi 氣體的統(tǒng)一基準焓， kcal/kmol ，（4.1868kJ/kmol ）現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于下表中。10歡迎下載精品文檔氣體統(tǒng)一基準焓（通式）常數(shù)表5-1.1分 子a 0a 1a2a 3a 4式O32.15675 37 101.90318 ×10×10-7.40499 ×101.08808 ×1025.802982-2.11244 ×1037.20974-5.55838×1044.8459 × 107-8.18957×10 11HH2O-6.0036 ×1047.11092

19、1.29319×1031.28506× 107-5.78039 ×10 112-1.97673 ×1036.459035.18164×10 42.03296× 10 7-7.65632×10 11NCO-2.83637 ×1046.266278.98694×1045.04519× 109-4.14272 ×10 11CO2-96377.888676.3965.05 × 103-1.135 × 1060.00計算 O2 的基準焓：根據(jù)基準焓的計算通式：Ht=a0 +a

20、1×T+a2×T2+a3 ×T3+a4×T4在 415時 T=415+273=683K將 O2 的常數(shù)帶入上式得：Ht=1.90318 ×103+5.80298×683+2.15675×103×6832-7.40499 ×107×6833+1.08808×10 10×6834=6699.742kcal/kmo=28050.412 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焓列于下表組分O2H2H 2 OCOCO 2Ht（ kcal/kmol） 6699.74

21、22724.221-54502.665-23634.754-89956.678Ht （ kJ/kmol ） 28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6202放熱：CO +H2O=CO2+H2（1） H1=（ Hi ）始 （ Hi ）末 =-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/kmolQ1=9.062 ×（-38079.10484 ）=-345072.8481kJO2+2H2=2H2O（ 2）。11歡迎下載精品文檔Q2= H2=（ ni × Hi

22、）始 （ ni ×Hi ） 末=-221354.6179kJ氣體反應(yīng)共放熱：Q=Q1+Q2=345072.8481+221354.6179=566427.4659kJ氣體吸熱 Q3-2根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H 2, H 2O, CO2, N 2 ，可用公式： Cp=a+b+CT來計算熱容，熱容的單位為kJ/ （ kmol.T ）表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10 -34.13.2610.719.044.27c/10 5-0.460.5020.33-8.53-23來計算熱容 :CH4 可用公式： Cp=a+b+CT+dT

23、表 5-1.3物質(zhì)a-3-6-9b/10c/10d/10CH417.4560.461.117-7.2計算結(jié)果得：物質(zhì)COCOH2H ON2CH224Cp3148.229.637.230.756.1所以平均熱容：Cpm= Yi*Cp=34.06KJ/ （kmol.T ）所以氣體吸熱Q3=34.06×184.68 ×(415-330)=534667.068kJ假設(shè)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 +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：。12歡迎下載精品文檔中變爐入口氣體

24、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：1009080p70X60率化 50轉(zhuǎn)40OC3020100300350400450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(shè)冷凝水的流量： X kg變換氣的溫度： 415冷凝水的進口溫度： 20進二段催化床層的溫度：353操作壓力： 1750kp冷凝水吸熱1：據(jù)冷凝水的進口溫度20查化工熱力學(xué)可知1Qh=83.96kJ/kg根據(jù)化工熱力學(xué)可知：T/KP/kPaH/(kJ/kg)600160

25、03693.260018003691.7。13歡迎下載精品文檔70016003919.770018003918.5冷凝水要升溫到353，所以設(shè)在 353, 626K,1750kp時的焓值為 h對溫度進行內(nèi)查法：1600kpa 時(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09 kJ/kg1800kpa 時（ 626-600）/ （h- 3691.7 ） =(700-626)/( 3918.5-h) h=3750.668 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-3752.

26、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 得：物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以 Cpm= Yi*Cp=33.92 kJ/ （kmol.T ）Q2=184.68 ×33.92 ×(415-353)=388389.4272 kJ取熱損失為 0.04 Q 2根據(jù)熱量平衡： 0.96 Q 2= X(3751.0235-83.96)X=101.676kg=5.649 kmol3標

27、)=126.53 M(3標)水的量為： 126.53+1000.6742=1127.2042 M(=50.3261 kmol所以進二段催化床層的變換氣組分：組 分CO2COH2N2CH4H2O合計。14歡迎下載精品文檔含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3( 標)487.39135.321833.84668.3411.261127.204263.37kmol21.766.04181.8729.830.5050.32190.338中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算已知條件：所以進中變爐二段催化床層的變換氣干組分：組 分COCOHNCH合計2224含量15.544

28、.3158.4721.130.35100M3( 標)487.39135.321833.84668.3411.263136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.018.1 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：3338.318 ×0.74=250.35532 M( 標 )=11.7658 kmol在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：3135.3272- （338.318-250.35532 ） =47.36452 M( 標)=2.11 kmol出中變爐二段催化床層的CO的量為：135.

29、3272-47.36452=87.96268 M 3 ( 標 )=3.9269 kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：487.3908+47.364528= 534.75532M 3( 標)=23.873 kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2 的量為：1833.8478+47.36452= 1881.21232M 3 ( 標 )=83.9826 kmol。15歡迎下載精品文檔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+11.258=3183.528 M3 ( 標 )=142.1218 kmol所

30、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16.792.7659.0920.990.35100M3( 標)534.7587.961881.21668.3411.263183.53kmol23.873.9383.9829.830.50142.12故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：1127.2042-47.36452= 1079.84M 3 ( 標 )=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= 87.96264263.37=2.06%同理得：CO2= 534.755324263.37=12.54%H2 =1881.21

31、2324263.37=44.125%N2= 668.344263.37=15.67%CH4= 11.2584263.37=0.26%H2O= 1079.844263.37=25.33%所以出中變爐的濕組分：。16歡迎下載精品文檔組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3( 標)534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.32kmol23.873.9383.9829.830.5048.21190.33對出中變爐一段催化床層的變換氣溫度進行估算：根據(jù)： Kp= （H2× CO2）

32、/ （H2O× CO）計算得 Kp=10.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊知當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5-1.1 計算平均溫度為 632K 時的生成焓。計算結(jié)果如下：組分H2H2OCOCO2Ht（ kcal/kmol）2373.4-54949.05-24005.565-9053

33、6.421Ht（ kJ/kmol）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放熱：CO +HO=CO+H（1）222 H1=（ Hi ） 始（ Hi ）末 =-38553.74846 kJ/kg所以得：Q1=2.11*38553.74846=81348.40955 kJ/kg氣體吸熱 Q2：-2根據(jù)物理化學(xué)教程知 CO, H 2, H 2O, CO2, N 2 ，可用公式： Cp=a+b+CT來計算熱容。熱容的單位為 kJ/ （ kmol.T ）。17歡迎下載精品文檔表 5-1.2物質(zhì)COHHOCON2222a28.4127.283044.1427.87b/10

34、-34.13.2610.719.044.275-0.460.5020.33-8.53-c/1023CH可用公式： Cp=a+b+CT+dT 來計算熱容 :4物質(zhì)ab/10 -3c/10 -6d/10 -9CH417.4560.461.117-7.2計算結(jié)果：組分COHCOH ONCH22224Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72所以得： Cpm= Yi*Cp=33.61 KJ/ （ kmol.T ）故： Q2=33.61 ×190.33 ×（ 365-353）=76763.46kJ熱損失：Q3=Q1-Q2=4584.95 kJ9中變二段催化劑操作線

35、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%。18歡迎下載精品文檔pX80706050率化 40轉(zhuǎn)OC3020100352354356358360362364366溫 度（）所以中變爐的操作線如圖：pX10090807060率化轉(zhuǎn)OC50403020100300325350375400425溫度（）。19歡迎下載精品文檔中變換爐物料量平衡表組分進中變換爐的物料量/m3出一段催化床層的物料量/m3CO284.42487.392CO338.32135.33H1650.421833.842N26

36、68.34668.34O29.77CH11.2611.264H2O1184.121000.67合計4146.614136.92組分進二段催化床層的物料量/m3出二段催化床層的物料量/m3CO487.39534.762CO135.3287.96H21833.841881.21N2668.34668.34CH11.2611.264H2O1127.201079.84合計4263.324263.32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 /kJCO反應(yīng)： 345072.8482534667.06831760.979O 反應(yīng)： 221354.6179總熱量： 566427.465

37、9中變換爐二段熱量平衡表反應(yīng)放熱 /kJ氣體吸熱 /kJ熱量損失 /kJ。20歡迎下載精品文檔81348.4095576763.464584.9510. 低變爐的物料與熱量衡算已知條件：進低變爐的濕組分：組 分COCOHNCHH O合計22242含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3( 標)534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.37kmol23.873.9383.9829.840.5048.21190.33所以進低變爐催化床層的變換氣干組分：組 分COCOHNCH合計2224含量16.792.7659.0920.99

38、0.35100M3( 標)534.7687.961881.21668.3411.2583183.53kmol23.873.9383.9829.830.503142.1210.1 低變爐的物料衡算要將 CO降到 0.2 （濕基）以下，則CO的實際變換率為：X p = YaYa×100=90.11Ya 1Ya則反應(yīng)掉的 CO的量為：87.96268 ×90.11 =79.264 M3( 標)=3.539 kmol出低溫變換爐CO的量：387.96268-79.264=8.69868 M( 標)出低溫變換爐H2 的量：31881.21232+79.264=1960.475 M ( 標)。21歡迎下載精品文檔出低溫變換爐H2O的量：1079.84-79.264=1000.576 M 3( 標)=44.67 kmol出低溫變換爐CO2 的量 :534.75532 +79.264=614.019 M 3 ( 標 )=27.41 kmol出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積：V 總（干） =8.69868+1960.475+614.019+668.34+11.258=3262.794 M3 ( 標 )=145.66 kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：8.69868CO=0.266%同理得：614.019CO2=18