年產(chǎn)15萬噸合成氨變換工段

``Word文檔Word文檔`Word文檔xxxxxxxxxx學(xué)院課程名稱：化工工藝學(xué)課程設(shè)計課題名稱：年產(chǎn)15萬噸合成氨變換工段的工藝設(shè)計目錄概述............................................................1工藝路線的選擇..................................................2三、工藝流程的設(shè)計..................................................23.1.壓力：......................................................23.2.溫度：......................................................33.4.流程圖......................................................3合成氣..........................................................35.工藝選擇....................................................3四、工藝計算.......................................................44.1中溫變換物料衡算及熱量衡算...................................44.1．1.確定轉(zhuǎn)化氣組成：......................................41.2．水汽比的確定：........................................54.1.3.中變爐一段催化床層的物料衡算...........................64.1.4．中變爐一段催化床層的熱量衡算..........................74.1.5．中變爐催化劑平衡曲線..................................94.1.6.最佳溫度曲線的計算....................................104.1.7．操作線計算...........................................124.1.8．中間冷淋過程的物料和熱量衡算：.......................124.1.9．中變爐二段催化床層的物料衡算：.......................1410.中變爐二段催化床層的熱量衡算：.......................154.2低變爐的物料與熱量計算......................................161.已知條件：............................................164.2.2．低變爐的物料衡算：...................................164.2.3．低變爐的熱量衡算：...................................174.2.4．低變爐催化劑平衡曲線.................................184.2.5.最佳溫度曲線的計算....................................204.2.6．最適宜溫度曲線.......................................204.3主換熱器的物料與熱量的計算..................................214.3.1.已知條件：............................................124.3.2.熱量計算：............................................21五、設(shè)備的工藝計算及選型...........................................225.1.低溫變換爐計算...........................................22已知條件：............................................22催化劑用量計算......................................22催化劑床層直徑計算....................................23六、設(shè)備一覽表....................................................246.1.固定板式換熱器參數(shù).........................................246.2.主要設(shè)備一覽表.............................................25七、總結(jié)...........................................................25一、概述1.1氨氣的物理性質(zhì)在常溫下是一種無色無味的氣體，占空氣體積分?jǐn)?shù)約78%，難液化的氣體。在及低溫下會液化成無色液體，通常采用黑色鋼瓶盛放。1.2氨氣的化學(xué)性質(zhì)由于氮分子中三鍵鍵能很大，不容易破壞，因此其化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，只有在高溫高壓并有催化劑存在的條件下，氮氣可以和氫氣反應(yīng)生成氮。1.3氨氣的用途主要用于制造氮肥和復(fù)料，氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的12%。硝酸、各種含氮的無機(jī)鹽及有機(jī)中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁晴橡膠等都需要直接以氨為原料。液氨常作冷凝劑。1.4我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸，而1982年達(dá)到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。近幾年來，我國引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國自行設(shè)計和建造的吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化工廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。世界合成氨技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝，低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個階段。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析，未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變，其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本，提高運行周期，改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo)，進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進(jìn)行技術(shù)研究開發(fā)。1.5合成氨生產(chǎn)的市場需求據(jù)資料統(tǒng)計：1997年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá)103.9Mt.預(yù)計2000年產(chǎn)量將達(dá)到111.8Mt。其化肥用氨分別占氨產(chǎn)量的81.7%和82.6%。我國1996年合成氨產(chǎn)量已達(dá)30.6Mt,專家預(yù)測2000年將達(dá)36Mt,2002年將增加至45Mt。即今后20年間將增加到現(xiàn)在的1.5倍。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長的路要走，未來我國合成氨氮肥的實物產(chǎn)量將會超過石油和鋼鐵。合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“有收無收在水，收多收少在肥”。所以，合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展將對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。因此，我國現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。我國七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn)30多套大化肥裝置，耗費巨額資金，在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時，也受到國外的制約，今后應(yīng)用國開發(fā)和消化吸收引進(jìn)的技術(shù)，自力更生，立足國，走出一條具有中國特色的社會主義名族工業(yè)的道路，過去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥裝置，耗資數(shù)十億元。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路，可使投資節(jié)省1/2-2/3.節(jié)省的巨額資金用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工，將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高農(nóng)民生活水平，縮小城鄉(xiāng)差距起著重要作用。二、工藝路線的選擇常用的變換工藝有：中溫變換工藝、中串低變換工藝、中低低變換工藝、全低變工藝。中溫變換工藝中溫變換工藝早期均采用常壓，經(jīng)節(jié)能改造，現(xiàn)在大都采用加壓變換。加壓中溫變換工藝主要特點是：采用低溫高活性的中變催化劑，降低了工藝上對過量蒸汽的要求；采用段間冷激降溫，減少了系統(tǒng)的熱負(fù)荷和阻力，減小外供蒸汽量；合成與變換，銅洗構(gòu)成第二換熱網(wǎng)絡(luò)，合理利用熱能。中串低變換工藝所謂中溫變換串低溫變換流程，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。與中變流程相比,中串低工藝蒸汽消耗下降,飽和塔負(fù)荷減輕。中低低變換工藝中低低流程是在一段鐵鉻系中溫變換催化劑后直接串二段鈷鉬系耐硫變換催化劑，利用中溫變換的高溫來提高反應(yīng)速率，利用兩段低溫變換提高變換率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。這樣充分發(fā)揮了中變催化劑和低變催化劑的特點，實現(xiàn)了最佳組合，達(dá)到了能耗低、阻力小、操作方便的理想效果。全低變工藝全低變工藝是全部采用低溫活性鈷鉬系變換催化劑進(jìn)行一氧化碳變換的工藝過程，作為一種節(jié)能新工藝,節(jié)能降耗的效果顯著。此工藝中蒸汽消耗較低，在幾種變換流程中蒸汽消耗最低。三、工藝流程的設(shè)計3.1.壓力：壓力對變換反應(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，加壓并無好處。但從動力學(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，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1.2~1.8Mpa。本設(shè)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.3.2.溫度：變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(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)推動力變小，對反應(yīng)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(yīng)溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學(xué)角度推導(dǎo)的計算式為TTm= RTeRTe 1EeElnE2 2 1 1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。3.3.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停留時間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=3～5，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。3.4.流程圖 原料氣體→脫硫→一段轉(zhuǎn)化→二段轉(zhuǎn)換→變換↓脫硫↓合成氣3.5.工藝選擇目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低4種工藝。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。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。四、工藝計算4.1中溫變換物料衡算及熱量衡算4.1．1.確定轉(zhuǎn)化氣組成：已知條件中變爐進(jìn)口氣體組成：表4-1進(jìn)口氣體組成表組分組分CO2COH2N2CH4O2合計%9.611.4255.7122.560.380.33100計算基準(zhǔn)：1噸氨計算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）×22.4（/2×22.56）=2920.31M3(標(biāo))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(biāo))年產(chǎn)15萬噸合成氨生產(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(jìn)中變爐的變換氣干組分：表4-2進(jìn)中變爐的變換氣干組分表組組分CO2COH2N2O2CH4合計含量，％9.611.4255.7122.560.330.38100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7634937.5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P=1.75Mpa.中4.1.2．水汽比的確定：考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取HO/CO0.52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:表4-3進(jìn)中變爐的變換氣濕組分表組組分2COCO2H2N2O4CHOH2合計含量％6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53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(yīng)：CO+HO＝H+CO，則CO的實際變換率為： 2 2 2YYX％=a1Ya×100=74％Y a a式中Ya、Y'分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）a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：HO％=28.56％-6.04％+0.48％=23％2CO％=8.16％-6.04％=2.12％H％=39.8％+6.04％-0.48％=45.36％2CO％=6.86％+6.04％=12.9％2中變爐出口的平衡常數(shù)：K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知K=12時溫度為397℃。中變的平均溫距為397℃-365℃=32℃中變的平均溫距合理，故取的HO/CO可用。24.1.3.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際變換率為60％。因為進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：表4-4催化床層的變換氣濕組分表組組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量，％6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml 21.16 25.172122.798 49.73 0.727 0.838 88.1 308.53假使O與H完全反應(yīng)，O完全反應(yīng)掉 2 2 2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=225.545M3(標(biāo))=10.069koml故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H的量為:22750.68+338.318-2×16.29=3056.41M3(標(biāo))=136.447koml故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO的量為：2474+338.318=812.318M3(標(biāo))=36.26koml出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：表4-5變換氣干組分表組組分CO2COH2N2CH4合計含量％15.5443.158.4721.130.35100M3(標(biāo))812.318225.5453056.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的HO的量為：21973.52-338.318+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：表4-6一段催化床層的變換氣濕組分表組組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(標(biāo))812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計算：已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（％）：表4-7變換氣濕組分的含量（％）表組組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％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％)計算得K=6.6查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=6.6時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℃=415℃4.1.4．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，HO，O2，H這4種物質(zhì)會發(fā)生以下2種反應(yīng)： 2 2CO+H2O=CO2+H2（1-1）O2+2H2=2H2O（1-2）這2個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。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H ——氣體在T 在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，T298kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)； △H0 ——該氣體在25℃下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，298kcal/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(zhǔn)焓的計算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4式中常數(shù)a、a、a、a、a與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為：0 1 2 3 4a1=A0,a2=A1/2,a3=A3/4,a4=A3/4a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×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?！鱄=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末式中△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，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)氣體的計算常數(shù)列于下表中表4-8氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表分子式 a a a a a 0 1 2 3 4O2 1.90318×103 5.80298 2.15675×10–3-7.40499×10–7 1.08808×10–10H2 -2.11244×103 7.20974 -5.5584×10－44.8459×10－7 -8.18957×10－11H2O -6.0036×104 7.11092 1.2932×10－31.28506×10－7 -5.78039×10－11N2 -1.97673×103 6.45903 5.18164×10－42.03296×10－7 -7.65632×10－11CO -2.83637×104 6.26627 8.98694×10－45.04519×10－9 -4.14272×10－11CO2 -96377.88867 6.396 5.05×10－3 -1.135×10－6 0.00計算O的基準(zhǔn)焓：2根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式：Ht=a+a×T+a×T2+a×T3+a×T4 0 1 2 3 4在415℃時T=415+273=683K查表可得變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓列于下表： 組分 O2 H2 H2O CO CO2Ht（kcal/kmol） 6699.742 2724.221 -54502.665 -23634.754 -89956.67833Ht（kJ/kmol） 28050.412 11405.77 -228191.759 -98953.987 -376630.6208放熱：CO+HO=CO（1）2△H1=(∑Hi)始-（∑Hi）末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/komlQ1=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kJO+2HO（2）2Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×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來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.℃）查表可得：表4-9物質(zhì)熱容表物質(zhì)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=34.06KJ/（kmol.℃）所以氣體吸熱Q3=34.06*307.8*(415-330)=891111.78kJ假設(shè)熱損失Q4根據(jù)熱量平衡的：Q=Q3+Q4Q4=52934.965kJ4.1.5．中變爐催化劑平衡曲線Uq根據(jù)HO/CO=3.5，與公式X=×100％ 2 P2AWV=KPAB-CDq=U24WVU=K（A+B）+（C+D），W=K-1 P P其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度t 300 320 340 360 380 400T 573 593 613 633 653 673Xp 0.9012 0.8737 0.8424 0.8074 0.7687 0.7058t 420 440 460T 693 713 733Xp 0.68590.6416 0.5963中變爐催化劑平衡曲線如下：圖4-1中變爐催化劑平衡曲線中變爐平衡曲線1中變爐平衡曲線0.8pX0.6率化0.4轉(zhuǎn)0.20250300320340360380400420440460溫度（℃）4.1.6.最佳溫度曲線的計算由于中變爐選用C6型催化劑，T最適宜溫度曲線由式 e 進(jìn)行計算。RT E 1 eln2 EE E 2 1 1查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》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。最適宜溫度計算列于下表中：表4-10最適宜溫度表Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t253273.8291.2308.5325.8351.5 Xp 0.67 0.64 0.61 0.58 0.55 0.52 T 638.2 649.4 660.7 671 681.6 692.6 t 365.2 376.4 387.3 398 408.6 419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：圖4-2最適宜溫度曲線000.10.20.30.40.50.60.70.80.91253274291309326352365376387398409420430444溫度（℃）轉(zhuǎn)化率Xp最適宜溫度線4.1.7．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：圖4-3中變爐催化劑反應(yīng)的操作線操作線70操作線60pX率5040化30轉(zhuǎn)20100 330 415溫度（℃）4.1.8．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(jìn)行降溫。以知條件：變換氣的流量：307.8koml設(shè)冷淋水的流量：Xkg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=83.96kJ/kg根據(jù)《化工熱力學(xué)》可知T/kT/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時的焓值為h對溫度進(jìn)行查法：1600kpa時(626-600)/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09kJ/kg1800kpa時(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)h=3750.668kJ/kg對壓力用差法得353℃，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)物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以Cpm=∑Yi*Cp=33.92kJ/（kmol.℃）Q2=308.53*33.92*(415-353)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(biāo))所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分：水的量為：210.88+1667.79=1878.67M3(標(biāo))表4-11二段催化床層的變換氣組分表組組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3(標(biāo))812.318225.5453056.4131113.918.761878.677105.61koml36.26510.068136.4549.730.83883.87317.221.9．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=417.26M3(標(biāo))在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：225.545-（563.86-417.26）=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=146.605M3(標(biāo))故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO的量為：2812.318+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：表4-12出中變爐的濕組分表組組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(標(biāo))891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：K=（H％×CO％）/（HO％×CO％） 2 2 2計算得K=10.6查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=10.6時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℃=365℃4.1.10.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 H2 H2O CO CO2Ht（kcal/kmol）2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht（kJ/kmol）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放熱：CO+HO=CO（1）△H1=Hi）末=-38553.74846kJ/kgQ1=3.52*38553.74846=135580.683kJ/kg氣體吸熱Q2：根據(jù)《物理化學(xué)》知CO,H2,H2O,CO2,N，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱2容。熱容的單位為kJ/（kmol.℃）表4-13各物質(zhì)熱容表物質(zhì)物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/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來計算熱容：物質(zhì)物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果：組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4Cp 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=7641.6kJ4.2低變爐的物料與熱量計算4.2.1.已知條件：進(jìn)低變爐的濕組分:表4-13進(jìn)低變爐的濕組分表組組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％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：表4-14進(jìn)低變爐的干組分表組分CO CO H N CH 合計 2 2 2 4含量％16.79 2.76 59.09 20.990.35 100M3(標(biāo))891.26146.6053135.3531113.918.765305.91koml39.7886.545139.97149.720.838236.874.2.2．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：YYX％=Ya1Ya×100=90.11％a a則反應(yīng)掉的CO的量為：146.605×90.11％=132.11M3(標(biāo))=5.898koml出低溫變換爐CO的量：146.605-132.11=14.495M3(標(biāo))=0.64722koml出低溫變換爐H2的量：3135.353+132.11=3267.463M3(標(biāo))=145.869koml出低溫變換爐H2O的量：1799.73-132.11=1667.62M3(標(biāo))=74.45koml出低溫變換爐CO2的量:891.26+132.11=1023.37M3(標(biāo))=45.68koml出低變爐的濕組分：表4-15出低變爐的濕組分表組分CO CO H N CH HO 合計 2 2 2 4 2含量％14.4 0.2 45.98 15.680.26 23.47 100M3(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：表4-16出低變爐的干組分表組分CO CO H N CH 合計 2 2 2 4含量％18.82 0.27 60.08 20.480.35 100M3(標(biāo))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(jìn)行估算：根據(jù)：K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）計算得K=141.05查《小合成氨廠工藝與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=141.05時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=203℃4.2.3．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，平均溫度為：476K,計算結(jié)果如下： 組分 H2 H2O CO CO2Ht（kcal/kmol）1241.516-56347.304-25178.916-92311.594Ht（kJ/kmol）5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放熱：CO+HO=CO（1）△H1=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℃，T=464.5K根據(jù)《物理化學(xué)》知CO,H2,H2O,CO2,N，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱2容。熱容的單位為kJ/（kmol.℃）表4-16各物質(zhì)熱容表物質(zhì)物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-----------CH可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：4物質(zhì)物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果：組分 CO H CO HO N CH 2 2 2 2 4Cp 30.1 29.03 44.39 35.13 29.85 45.05Cpm=∑Yi*Cp=32.86kJ/（kmol.℃）Q2=33.61*317.22*（203-181）=230669.84kJ熱損失Q3=Q1-Q2=235687.29-230669.84=5017.45kJ4.2.4．低變爐催化劑平衡曲線Uq根據(jù)公式X=×100％P2AWV=KPAB-CDq=U24WVU=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t 160 180 200 220 240 260T 433 453 473 493 513 533 Xp 0.9769 0.9623 0.9389 0.9121 0.8732 0.8229tt280T553Xp0.76低變爐催化劑平衡曲線如下：圖4-4低變爐催化劑平衡曲線低變爐平衡曲線1.2低變爐平衡曲線1pX率0.80.6化轉(zhuǎn)0.40.20160180200220240260280溫度（℃）4.2.5.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/komlCO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)+E1△H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算：△H=-1000-0.291*T+2.845×10-3*T2-0.97.3×10-3T3得：△H=-9422.62kcal/kmol=-39450.653kJ/kmolE2=39450.653+43164=82614.653kJ/kmol4.2.6．最適宜溫度曲線T由式Tm= e 進(jìn)行計算RT E 1 eln2 EE E 2 1 1最適宜溫度計算列于下表中： Xp 0.9769 0.9623 0.9389 0.9121 0.8732 0.8229T 402 421 440 457 475 493t 129 148 167 184 201 220XpXp0.76T510t237將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：圖4-5最適宜溫度曲線最適宜溫度曲線1.2最適宜溫度曲線1pX0.8率0.6化轉(zhuǎn)0.40.20129148167184201220237溫度（℃）4.3主換熱器的物料與熱量的計算4.3.1.已知條件：進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量：190.33koml進(jìn)出設(shè)備的水的量：Xkoml物料的量在設(shè)備中無變化。溫度：變換氣進(jìn)設(shè)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℃4.3.2.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)》知CO,H,HO,CO,N，可用公式：Cp=a+b+CT-2 2 2 2 2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.℃）表4-17各物質(zhì)熱容表物質(zhì)物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-----------CH可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：4物質(zhì)物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果：組分組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi*Cp=33.94kJ/（kmol.℃）Q=317.22*33.94*（365+273）=6868920.88kJ水的帶入熱Q:2水在20℃時Cp=33.52kJ/（kmol.℃）Q=X*(20+273)*33.52=9821.36*X2出熱：變換氣在出口溫度為250℃，T=523K時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO,H,HO,CO,N，2 2 2可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.℃）表4-19各物質(zhì)熱容表物質(zhì)物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-----------CH可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：4物質(zhì)物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果：組分組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi*Cp=33.14kJ/（kmol.℃）Q=33.14*523*317.22=5498069.055kJ水的帶出熱Q:4水在90℃