年產(chǎn)15萬噸合成氨工藝本科設(shè)計(jì) 精品.doc

年產(chǎn)十五萬噸合成氨工藝設(shè)計(jì)引言氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。氨是重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。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。因此設(shè)計(jì)一套年產(chǎn)15萬噸合成氨的生產(chǎn)工藝流程，主要采用中串低變換的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，對現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增大產(chǎn)品產(chǎn)率，為年產(chǎn)15萬噸合成氨一氧化碳變換生產(chǎn)工藝設(shè)備的投產(chǎn)提供理論上的支持。通過對現(xiàn)有資料中合成氨生產(chǎn)工藝的分析研究及比較并在廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，選擇采用通過以天然氣為原料合成氨的生產(chǎn)。結(jié)合生產(chǎn)要求及標(biāo)準(zhǔn)，利用所學(xué)專業(yè)知識對現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定設(shè)計(jì)所用的天然氣原料及設(shè)備類型，利用化工原理中所涉及的物料衡算等相關(guān)知識，得出設(shè)備所需的具體參數(shù)及最佳操作條件，計(jì)算所用物料量及所得產(chǎn)品產(chǎn)量，確定設(shè)備規(guī)格進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)以得到最佳產(chǎn)品，并根據(jù)整個工藝要求及特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。 結(jié)合自己所學(xué)專業(yè)知識，并參考萬方數(shù)據(jù)庫、中國知網(wǎng)、維普等數(shù)據(jù)庫中所查資料的論證，得該工藝方法可行，并在老師的指導(dǎo)下后期的設(shè)計(jì)等工作可以順利完成，手工工藝流程圖、CAD圖也能符合設(shè)計(jì)要求。通過物料衡算和熱量衡算等具體計(jì)算，進(jìn)而得到該工藝的主要設(shè)備參數(shù)，畫成設(shè)備圖紙及帶控制點(diǎn)的工藝流程圖紙，并提交設(shè)計(jì)說明書一份，順利完成年產(chǎn)15萬噸合成氨變換工段生產(chǎn)工藝的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，主要用來生產(chǎn)氮肥，還有少量用于制造硝酸、純堿、含氮無機(jī)鹽、制藥、氨基塑料、聚酰胺、丁腈橡膠等產(chǎn)品，亦廣泛用于制冷凍劑。因此根據(jù)我國合成氨生產(chǎn)能力和產(chǎn)量的需求，提高合成氨的自動化生產(chǎn)水平，在現(xiàn)有工藝條件下，發(fā)揮優(yōu)化控制的優(yōu)勢，使整個生產(chǎn)長期運(yùn)行在最佳狀態(tài)下，同時，優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用還能節(jié)約原材料消耗，降低能源消耗，提高產(chǎn)品的合格率，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭能力，以確保我國合成氨市場健康有序的發(fā)展。第一章 綜述1.1 氨的性質(zhì)、用途及重要性1.1.1 氨的性質(zhì)氨分子式為NH3，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。人們在大于100cm3/m3氨的環(huán)境中，每天接觸8小時會引起慢性中毒。氨的主要物理性質(zhì)有：極易溶于水，溶解時放出大量的熱。氨水溶液呈堿性，易揮發(fā)。液氨和干燥的氨氣對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。氨的化學(xué)性質(zhì)有：在常溫下相當(dāng)穩(wěn)定，在高溫、電火花或紫外光的作用下可分解為氮和氫。具有可燃性，自然點(diǎn)為630，一般較難點(diǎn)燃。氨與空氣或氧的混合物在一定范圍內(nèi)能夠發(fā)生爆炸。氨的性質(zhì)比較活潑，能與各種無機(jī)酸反應(yīng)生成鹽。1.1.2 氨的用途及在國民生產(chǎn)中的作用氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。合成氨指由和在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。世界上的氨除少量從焦?fàn)t氣中回收外，絕大部分是合成的氨。氨主要用于農(nóng)業(yè)，合成氨是我化肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分均占70的比例，稱之為“化肥氨”1； 同時氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占30的比例，稱之為“工業(yè)氨”。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、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料生產(chǎn)2。液氨常用作制冷劑。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，其中約有80的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20作為其它化工產(chǎn)品的原料。氨作為最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有10的能源用于合成氨。1.2合成氨一氧化碳變換工序的工藝原理1.2.1 合成氨的工藝流程簡單介紹合成氨的生產(chǎn)過程包括三個主要步驟：原料氣的制備、凈化和壓縮和合成。(1)原料氣制備 將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。(2)凈化對粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括脫硫過程、變換過程、脫碳過程以及氣體精制過程。脫硫過程：各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。 一氧化碳變換過程3：在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為1240。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換反應(yīng)如下：CO+H2OH2+CO2 H=-41.2kJ/mol；由于CO變換過程是強(qiáng)放熱過程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余CO含量。第一步是中溫變換，使大部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3左右。因此，CO變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。 脫碳過程：粗原料氣經(jīng)CO變換以后，變換氣中除H2外，還有CO2、CO和CH4等組分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中CO2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。一般采用溶液吸收法脫除CO2。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一類是化學(xué)吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA法，MEA法等。 氣體精制過程:經(jīng)CO變換和CO2脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得大于10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù))。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過程。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍(-100)條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100cm3/ m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應(yīng)生成CH4和H2O的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分?jǐn)?shù))一般應(yīng)小于0.7。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性氣體CH4的含量。甲烷化反應(yīng)如下：CO+3H2CH4+H2O H=-206.2kJ/mol；CO2+4H2CH4+2H2O H=-165.1kJ/mol；(3)氨合成 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有1020，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程。氨合成反應(yīng)式如下：N2+3H2 2NH3 H=-92.4kJ/mol；1.2.2合成氨變換工序的工藝原理變換工序是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程4。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。目前，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為1240，合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換工段主要利用CO變換反應(yīng)式：CO+H2OCO2+H2 H 298=-41.20kJ/mol在不同溫度下分兩步進(jìn)行，第一步是中溫變換（簡稱中變）使大部分CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，第二步是低溫變換簡稱低變，將CO含量降到0.3左右。因此，CO變換既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程。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)（1-1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（1-2）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)上采用對式反應(yīng)（1-1）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。有氧存在時，變換過程中還包括下列反應(yīng)式：H2 + O2 = H2O +Q一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。每反應(yīng)1（體積、濕基）的CO，可使氣體溫度升高1112，生產(chǎn)上對于變換反應(yīng)進(jìn)行的程度常用變換率來表示：變換率=（Vco- Vco）/ Vco（100+ Vco）100上式中Vco轉(zhuǎn)化氣CO體積百分?jǐn)?shù)，Vco變換氣中CO體積百分?jǐn)?shù)從制氫和凈化的角度考慮，最終變換率越高越好，如果氣體中CO含量高，在甲烷化過程中消耗大量的氫。一個體積的CO需要水消耗三個體積的氫而生成甲烷，CH4在合成氨中是惰性氣體，它會降低合成的有效壓力，增大馳放氣量和冷凍量的消耗，所以要求有較高的變換率5。一般將低變出口氣（CO）濃度降至0.20.3左右即可。1.3工藝條件綜合對反應(yīng)熱力學(xué)、動力學(xué)及催化劑的討論并考慮工藝的其它特點(diǎn)，變換過程工藝條件綜述如下：1.3.1 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(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6。一般小型氨廠操作壓力為0.71.2MPa,中型氨廠為1.21.8Mpa，以天然氣為原料的大型氨廠變換壓力由蒸汽轉(zhuǎn)化的壓力決定7。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，故壓力可取1.75MPa。 1.3.2 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(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。1.3.3汽氣比水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料氣（摩爾比）.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，水蒸汽比例過高，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=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8。1.4工藝流程確定工藝流程設(shè)計(jì)的依據(jù)，首先是原料氣中CO含量。CO含量高則采用中（高）溫變換。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)是以天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨，CO含量是12.4，由于原料氣中CO含量較低，選用中串低工藝，即中變催化劑只需配置一段。而后變化氣經(jīng)主換器冷卻后進(jìn)入低變爐。1.4.1流程工序簡述由二段轉(zhuǎn)化爐來的轉(zhuǎn)化氣，經(jīng)轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐換熱，在廢熱鍋爐中變換氣從910降到310，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到3到5之間，并且調(diào)溫至300370后進(jìn)入中溫變換爐，轉(zhuǎn)化氣中的CO和H2O在350450和鐵催化劑的作用下，反應(yīng)生成CO2和H2，使CO3（干基）以下，在降溫至200250后，進(jìn)入低溫變換爐，在此溫度和銅催化劑的作用下，進(jìn)一步進(jìn)行CO的變換反應(yīng)，是低變出口氣體中CO0.3，再進(jìn)入甲烷化工段9。 1.4.2主要設(shè)備的選擇說明中低變串聯(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B302Q型催化劑。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。第二章 物料與熱量衡算2.1已知條件天然氣成分：原始數(shù)據(jù)表2.1中變爐進(jìn)口干氣含量(基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4合計(jì)含量,9.012.454.423.540.220.44100 年工作日330天,其余數(shù)據(jù)自定。中變爐進(jìn)口干氣含量如表2.1所示計(jì)算基準(zhǔn)：1噸氨計(jì)算生產(chǎn)1噸氨需要的變換氣量：（1000/17）22.4/（20.2354）=2798.74Nm3因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物料可能會有損失，因此變換氣量取2870.5 Nm3年產(chǎn)150000噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn)330天）：日生產(chǎn)量：150000/330=454.55T/d=18.94T/h要求出中變爐的變換氣干組分中CO小于3。進(jìn)中變爐的變換氣干組分：表2.2中變爐進(jìn)口干氣體組成(基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4合計(jì)含量,9.012.454.423.540.220.44100Nm3258.345355.9421561.552675.7166.31512.6302870.5kmol11.53315.89069.71930.1660.2820.564128.154假設(shè)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為315，取變化氣出爐與入爐的溫差為65，出爐的變換氣溫度為380。進(jìn)中變爐干氣壓力=1.75MPa.2.2 中變爐的物料與熱量衡算2.2.1 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）=3.5Vco=3.5355.942=1245.797Nm3 ，n(水)=55.616kmol因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分表2.3 中變爐入口濕氣組成(基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4H2O合計(jì)含量,6.288.6537.9316.420.150.3130.26100Nm3258.345355.9421561.522675.7166.31512.6301245.7974116.297kmol11.53315.89069.71930.1660.2820.56455.616183.772.2.2 中變爐CO的實(shí)際變換率的求取 要求變換氣中CO含量為3，故根據(jù)變換反應(yīng)：CO+H2OH2+CO2，則CO的實(shí)際變換率公式1為：Xp=100% 式中、分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（干基）Xp=(12.4-3)100/（100+3）12.4100%=73.602.2.3 中變爐的物料衡算 已知：進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 如表2.3所示CO的實(shí)際變換率為73.60%.則反應(yīng)掉的CO的量為：355.94273.60%=261.973 Nm3=11.695kmol 出中變爐的CO的量為： 355.942-261.973=93.969 Nm3=4.195kmol則反應(yīng)后出中變爐的各組分的量分別為： H2: 1561.522+261.973=1823.495 Nm3=81.406kmol CO2: 258.345+261.973=520.318 Nm3=23.228kmol故出中變爐的變換氣干組分的量：V總（干）=93.969+1823.495+520.318+675.716+6.315+12.630=3132.443 Nm3 =139.841kmol故出中變爐的變換氣干組分中CO的含量：CO=（93.9693132.443）100=3.00同理得：CO2=（520.3183132.443）100=16.61H2=（1823.4953132.443）100=58.21 N2=（675.7163132.443）100=21.57Ar=（6.3153132.443）100=0.20CH4=（12.633132.443）100=0.41出中變爐的變換氣干組分：表2.4 中變爐出口干氣組成( 基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4合計(jì)含量,16.613.0058.2121.570.200.41100Nm3520.31893.9691823.495675.7166.31512.6303132.443kmol23.2284.18581.40630.1660.2820.564139.831剩余的H2O的量為：1245.797-261.973=983.824 Nm3=43.921kmol故出中變爐的變換氣濕組分的體積：V總（濕）=V總（干）+V（水）=3132.443+983.824=4116.267Nm3=183.762kmol故出中變爐的變換氣濕組分中H2O的含量 H2O=（983.8244116.267）100=23.90故出中變爐的變換氣濕組分中CO2的含量 CO2=（520.3184116.267）100=12.64同理可得： CO=（93.9694116.267）100=2.28 H2=（1823.4954116.267）100=44.30 N2=（675.7164116.267）100=16.42 CH4=（12.634116.267）100=0.31 Ar=（6.3154116.267）100=0.15出中變爐的變換氣濕組分的含量（）：表2.5 中變爐出口濕氣組成( 基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4H2O合計(jì)含量,12.642.2844.30 16.420.150.3123.90100Nm3520.31893.9691823.495675.7166.31512.630983.8244116.267kmol23.2284.19581.40630.1660.2820.56443.921183.762表2.6 中變爐物料衡算匯總表(基準(zhǔn)：18.94tNH3/h)設(shè)備中變爐物料入口氣體組成出口氣體組成組分kmol/ hNm3/hV%kmol/hNm3/hV%CO2218.4354893.0546.28439.9389854.82312.64CO300.9576741.5428.6579.4531779.7732.28H21320.47829572.22737.931541.88634536.99544.30N2571.34412798.06116.42571.34412798.06116.42Ar5.341119.6060.155.341119.6060.15CH410.682239.2120.3110.682239.2120.31H2O1053.33723595.39530.26831.86418633.62723.90合計(jì)3480.57477959.1341003480.50877962.0981002.2.4 對出中變爐的變換氣的溫度進(jìn)行估算已知出中變爐的變換氣濕分的含量（）如表2.5所示中變爐出口的平衡常數(shù)10：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）計(jì)算Kp=（44.3012.64）/（23.902.28）=10.3得Kp =10.3查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊知當(dāng)Kp=10.3時t=415設(shè)平衡溫距為35，則出中變爐的變換氣溫度為：415-35=3802.2.5 中變爐的熱量衡算 已知條件：進(jìn)中變爐催化床層的變換氣溫度：315 出中變爐催化床層的變換氣溫度：380 入熱：反應(yīng)放熱Q：在變換氣中含有H2 、CO、CO2、H2O，這四種物質(zhì)會發(fā)生以下反應(yīng)：CO+ H2O= H2+ CO2 該反應(yīng)是放熱反應(yīng).反應(yīng)?。?15+380）/2=347.5時的熱效應(yīng)，由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊 表4-2表4-3查得H2 、CO、CO2、H2O的生成焓，見下表：表2.7 347.5時的生成焓 (單位(kJ/kmol)組分H2COCO2H2OHt9646-100810-379492-230425放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1-1）H1=（Hi）始（Hi）末=-379492 +9646+100810+230425=-38611kJ/kmol Q1=11.695（-38611）=-451555.645kJ則氣體反應(yīng)共放熱：Q=Q1=451555.645kJ氣體吸熱Q2變換氣在347.5時各組分的比熱容，由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊查得，見于下表，熱容的單位為kJ/（kmolK）得Ar的熱容為21 .02 kJ/（kmolK）表2.8 347.5時的比熱容 (單位kJ/（kmolK）)物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4ArCP30.947.629.537.430.854.321.02平均熱容： Cpm=YiCp計(jì)算結(jié)果列于下表：Cpm=30.90.0228+47.60.1264+29.50.4430+37.40.2390+30.80.1642+54.30.0031+21.020.0015=33.99 kJ/（kmolK）氣體吸熱Q2=33.99183.762(380-315)=405994.575kJ假設(shè)熱損失Q3（一般熱損失都小于總熱量的10）根據(jù)熱量平衡得： Q= Q2+ Q3則Q3=451555.645-405994.575=45561.07 kJ2.2.6 中變爐催化劑平衡曲線 根據(jù)H2O/CO=3.5，由文獻(xiàn)小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊上的公式XP =100 U= KP(A+B)+(C+D)q=V=KPAB-CD W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度例：計(jì)算380時CO的平衡變化率。解：查文獻(xiàn)小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊，380時KP =14.685，而CO、H2O、CO2及H2的起始濃度如表2.3所示：U=14.685（8.65+30.26）+（6.28+37.93）=615.603V=14.6858.6530.26-6.2837.93=3605.584W=14.685-1=13.685q=426.143XP=0.8003表2.9 各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率T/300320340360380400420440T/K573593613633653673693713Xp0.91530.89150.86420.83370.80030.76430.72640.6869中變爐催化劑平衡曲線如圖2.12.2.7 最佳溫度曲線的計(jì)算 由于中變爐選用B109型催化劑，最適宜溫度曲線由式12 或者由式進(jìn)行計(jì)算。查文獻(xiàn)小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊，可知B109型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=16046kcal/kmol=67156kJ/kmol，CO變換的逆反應(yīng)活化能E2 為： E2E1=r(-HR)對于變換反應(yīng)r=1，則E2=(-HR)+ E1HR為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即（315+380）/2=347.5，由前面的計(jì)算可知：HR =H1=38611kJ/kmolE2=67156+38611=105767 kJ/kmol最適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中：表2.10 最適宜溫度Xp0.91530.89150.86420.83370.80030.76430.72640.6869Tm, K540.15558.3576.4594.4612.2629.8647.3664.7tm, 267.2285.3303.4321.4339.2356.8374.3391.7將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如圖2.1.2.2.8 中變催化劑操作線的計(jì)算 由中變爐催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知： 中變爐入口氣體溫度 315 中變爐出口氣體溫度 380 中變爐入口CO變換率 0 中變爐出口CO變換率 73.60 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線見圖2.1：. 圖2.1 中變爐工藝條件計(jì)算圖2.3 低變爐的物料與熱量衡算 低變氣進(jìn)口物料及組成 同中變爐出口已知條件：進(jìn)低變爐的濕組分：表2.11 低變爐進(jìn)口濕氣組成(基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4H2O合計(jì)含量,12.642.2844.3016.420.150.3123.90100Nm3520.31863.9691823.495675.7166.31512.630983.8244116.267kmol23.2284.19581.40630.1660.2820.56443.921183.762進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分：表2.12 低變爐進(jìn)口干氣組成(基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4合計(jì)含量,16.613.0058.2121.570.200.41100Nm3520.31893.9691823.495675.7166.31512.6303132.443kmol23.2284.18581.40630.1660.2820.564139.8312.3.1 低變爐CO的實(shí)際變換率的求取 要將CO降到0.3（濕基）以下，則CO的實(shí)際變換率3為：p=100%=（2.280.3）100/2.28（100+0.3） 100=86.582.3.2 低變爐的物料衡算反應(yīng)掉的CO的量為：93.96986.58=81.358 Nm3=3.632kmol出低溫變換爐CO的量： 93.969-81.358 =12.611 Nm3=0.563 kmol出低溫變換爐H2的量： 1823.495+81.358=1904.853 Nm3=85.038 kmol出低溫變換爐H2O的量： 983.824-81.358=902.466Nm3=40.289 kmol出低溫變換爐CO2的量: 520.318 +81.358=601.676 Nm3=26.861 kmol出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積： V總（干）=601.676+12.611+1904.853+675.716+6.315+12.630=3213.801 Nm3=143.473 kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量： CO=（12.6113213.801）100=0.39同理得： CO2=（601.6763213.801）100=18.72H2=（1904.8533213.801）100=59.27N2=（675.7163213.801）100=21.03Ar=（6.3153213.801）100=0.20CH4=（12.6303213.801）100=0.39出低變爐的干組分：表2.13 低變爐出口干氣組成(基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4合計(jì)含量,18.720.3959.27 21.030.200.39100Nm3601.67612.6111904.853675.7166.31512.6303213.801kmol26.8610.56385.03830.1660.2820.564143.474出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積：V總（濕）=V總（干）+V(水)= 3213.801+902.466=4116.267Nm3=183.762kmol故出低變爐催化床層的變換氣濕組分中CO的含量： CO=（12.6114116.267）100=0.31同理： CO2=（601.6764116.267）100=14.62 H2=（1904.8534116.267）100=46.28 N2=（675.7164116.267）100=16.41 Ar%=（6.3154116.267）100=0.15 CH4=（12.6304116.267）100=0.31 H2O=（902.4664116.267）100=21.92出低變爐的濕組分： 表2.14 低變爐出口濕氣組成(基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4H2O合計(jì)含量,14.620.3146.2816.410.150.3121.92100Nm3601.67612.6111904.853675.7166.31512.630902.4664116.267kmol26.8610.56385.03830.1660.2820.56440.289183.763表2.15 低變爐物料衡算匯總表(基準(zhǔn)：18.94tNH3/h)設(shè)備低變爐物料入口氣體組成出口氣體組成組分kmol/hNm3/hV%kmol/hNm3/hV%CO2439.9389854.82312.64508.74711395.74314.62CO79.4531779.7732.2810.663238.8520.31H21541.88634536.99344.301610.62036077.91646.28N2571.34412798.06116.42571.34412798.06116.41Ar5.341119.6060.155.341119.6060.15CH410.682239.2120.3110.682239.2120.31H2O831.86418633.62723.90763.07417092.70621.92合計(jì)3480.50877692.0981003480.47177692.0961002.3.3 對出低變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算 根據(jù)：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）計(jì)算Kp=（46.2814.62）/（21.920.31）=99.57得Kp=99.57查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊可知，Kp=99.57時t=241設(shè)平均溫距為20，則出低變爐催化床層的變換氣溫度為： t=241-20=2212.3.4 低變爐的熱量衡算 已知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為：197 出低變爐催化床層的變換氣溫度為：221變換氣反應(yīng)放熱Q1:反應(yīng)取（197+221）/2=209時的熱效應(yīng)，由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊表4-2表4-3查得H2 、CO、CO2、H2O的生成焓，見于下表：表2.16 205時的生成焓 (單位(kJ/kmol)組分H2H2OCOCO2Hi5376-235696-105235-386211放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1-1）H1=（Hi）始-（Hi）末=（-105235）+（-235696）-(-386211)+5376=39904kJ/kmolQ1=3.63239904=144931.328kJ氣體吸熱Q1：氣體吸熱時的平均溫度：（197+221）/2=209，T=482K變換氣在205時各組分的比熱容，由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊查得，見于下表，熱容的單位為KJ/（kmolK）查得Ar的熱容為21 .0 kJ/（kmolK）表2.17 205時的比熱容（單位：kJ/（kmolK）物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4ArCp29.943.528.935.530.045.721.0得：Cpm=YiCp=0.003129.9+0.146243.5+0.462828.9+0.219235.5+0.164130+0.001521.0+0.003145.7=32.70kJ/（KmolK）故：Q2=32.70183.763（221-197）=144217.202kJ熱損失 ： Q3= Q1- Q2=144931.328-144217.202=714.126 kJ2.3.5 低變爐平衡曲線、最適宜溫度曲線及操作線計(jì)算 （1）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=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度表2.18 各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率t/140160 180 200 220 240260280T/K413433453473493513533553Xp0.98620.97620.96130.93740.91000.87030.81930.7562低變爐催化劑平衡曲線如圖2.2（2）最佳溫度曲線的計(jì)算由于低變爐選用B302Q型催化劑,查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊，B302Q型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43338kJ/ 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：（197+221）/2=209，T=482K由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊表4-2表4-3查得H2 、CO、CO2、H2O的生成焓，見于下表：表2.19 209時的生成焓（單位：kmol）組分H2H2OCOCO2Hi5405-235662-105206-386169放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1-1）H1=（Hi）始（Hi）末 =(-105206-235662)- 5405+ ( -386169) =39904kJ/kmolE2 =39904+43338=83242kJ/kmol最適宜溫度曲線由式Tm= 或者由式進(jìn)行計(jì)算最適宜溫度計(jì)算結(jié)果見于下表中：表2.20 最適宜溫度Xp0.98620.97620.96130.93740.91000.87030.81930.7562Tm/K384.1402.6420.8440.6456.9474.9492.6510.2tm/111.1129.6147.8167.6183.9201.9219.6237.2將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如圖2.2（3）低變催化劑操作線計(jì)算由低變催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知： 低變爐入口氣體溫度 197 低變爐出口氣體溫度 221 低變爐入口CO變換率 73.60 低變爐出口CO變換率 86.58低變催化劑操作線見圖2.2：圖2.2 低變爐工藝條件計(jì)算圖2.4 廢熱鍋爐的熱量和物料衡算2.4. 1物料衡算已知條件：進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份： 表2.21 進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組成 (基準(zhǔn)：1tNH3/h)組 分CO2COH2N2ArCH4H2O合計(jì)含量,6.869.4641.4817.950.170.3423.74100Nm3258.345355.9421561.522675.7166.31512.630893.7703764.24kmol11.53315.89069.71930.1660.2820.56439.900168.054進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：910出廢熱鍋爐的溫度為：310進(jìn)出設(shè)備的水溫：20出設(shè)備的水溫：310進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.054 kmol進(jìn)出設(shè)備的水量：X kmol在設(shè)備里無物料的變化。2.4.2 熱量衡算（1） 入熱：水的帶入熱Q2水在20時 Cp=33.52 kJ/（kmolK）Q1=X（20+273）33.52=9821.36X轉(zhuǎn)化氣的帶入熱Q2：轉(zhuǎn)化氣在910時T=1183K,變換氣在910時各組分的比熱容，由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊查得，見于下表，熱容的單位為kJ/（kmolK）查得Ar的熱容為21 .03kJ/（kmolK）表2.22 910時的比熱容（單位：kJ/（kmolK）組分COH2CO2H2ON2CH4ArCm33.2731.254.3342.832.9678.9421.03Cpn=YiCp=33.270.0946+31.20.4148+54.330.0686+42.80.2374+32.960.1795+78.940.0034+21.030.0017=36.197kJ/（kmolK）Q2=36.197168.054（910+273）=7196248.905kJ（2）出熱：轉(zhuǎn)化氣的帶出熱Q3：轉(zhuǎn)化氣在310時T=583K變換氣在310時各組分的比熱容，由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊查得，見于下表，熱容的單位為kJ/（kmolK）查得Ar的熱容為21 .03kJ/（kmolK）表2.23 310時的比熱容（kJ/（kmolK）組分COH2CO2H2ON2CH4ArCp30.7629.3847.2536.5530