年產(chǎn)5萬噸合成氨一氧化碳變換公段工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 年產(chǎn)15萬噸合成氨一氧化碳變換公段工藝設(shè)計(jì)學(xué)院名稱化學(xué)與制藥工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)化工09-1學(xué)生姓名李西賀導(dǎo)師姓名袁萬2013年6月年產(chǎn)15萬噸合成氨一氧化碳變換工段工藝設(shè)計(jì)作者姓名 專業(yè)指導(dǎo)教師姓名 專業(yè)技術(shù)職務(wù)李西賀化學(xué)工程與工藝袁芳講師齊魯工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú) 立研究、撰寫的成果。設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均 已在設(shè)計(jì)（論文）中加以說明，除此之外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已 在文中作了

2、明確說明并表示了謝意。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 年 月 日齊魯工業(yè)大學(xué)關(guān)于畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)的說明本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的 規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留、送交設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件，允許設(shè)計(jì)（論文）被查 閱和借閱，學(xué)?？梢怨荚O(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、掃描 等復(fù)制手段保存本設(shè)計(jì)（論文）。指導(dǎo)教師簽名：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：摘要1第一章總論21.1 概述 21.1.1 一氧化碳變換反應(yīng)的意義與作用 21.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2設(shè)計(jì)依據(jù) 21.3 設(shè)計(jì)規(guī)模與生產(chǎn)制度 31.3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模 31.

3、3.2 生產(chǎn)制度 31.4 原料與產(chǎn)品規(guī)格 31.4.1 原料規(guī)格 31.4.2 產(chǎn)品規(guī)格 3第二章工藝原理和流程42.1 工藝原理 42.2工藝流程 42.3工藝參數(shù) 52.3.1 原料氣體組分 52.3.2工作溫度 52.4工藝條件 52.4.1 壓力 52.4.2 溫度 52.4.3汽氣比 6第三章工藝計(jì)算73.1中變爐一段催化床層的物料和熱量衡算 73.1.1 確定轉(zhuǎn)化氣組成 73.1.2水汽比的確定 73.1.3中變爐一段催化床層的物料衡算 83.1.4中變爐一段催化床層的熱量衡算 113.1.5中變爐催化劑平衡曲線 143.1.6 最佳溫度曲線的計(jì)算 143.1.7操作線計(jì)算 15

4、3.2中間冷淋過程的物料和熱量衡算 163.3中變爐二段催化床層的物料和熱量衡算 173.3.1中變爐二段催化床層的物料衡算 173.3.2中變爐二段催化床層的熱量衡算 193.4低變爐的物料和熱量計(jì)算 203.4.1低變爐的物料衡算 203.4.2 低變爐的熱量衡算 223.4.3低變爐催化劑平衡曲線 233.4.4 最佳溫度曲線的計(jì)算 243.4.5最適宜溫度曲線 243.6 主換熱器的物料與熱量的計(jì)算 263.7調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計(jì)算 28第四章設(shè)備的計(jì)算294.1低溫變換爐計(jì)算 294.1.1 已知條件： 294.1.2催化劑用量計(jì)算 294.1.3催化床層直徑計(jì)算 294.2中

5、變換熱器計(jì)算 304.2.1已知條件 304.2.2傳熱面積的計(jì)算 304.2.3設(shè)備直徑與管板的確定 314.2.4傳熱系數(shù)的驗(yàn)算 314.2.5殼側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 334.2.6總傳熱系數(shù)核算 334.2.7傳熱面積的核算 33第五章車間設(shè)備布置設(shè)計(jì)345.1 車間布置設(shè)計(jì)的原則 345.1.1 車間設(shè)備布置的原則 345.1.2 車間設(shè)備平立面布置的原則 345.1.3 本工段設(shè)計(jì)設(shè)備布置規(guī)劃 35第六章自動(dòng)控制356.1 主要的控制原理 356.2 自控水平與控制點(diǎn) 36第七章安全和環(huán)境保護(hù)367.1 三廢產(chǎn)生情況 367.2 三廢處理情況 36第八章公用工程368.1 供水 378

6、.2 供電 378.3 通風(fēng) 378.4 供暖 378.5 電氣 38結(jié)束語 38參考文獻(xiàn)39致謝40本文是關(guān)于天然氣為原料年產(chǎn)15萬噸氨一氧化碳變換工段初步設(shè)計(jì)。在合 成氨的生產(chǎn)中，一氧化碳變換反應(yīng)是非常重要的反應(yīng)。用天然氣制造的原料氣中， 含有一部分一氧化碳，這些一氧化碳不能直接作為合成氨的原料，而且對(duì)合成氨的催化劑有毒害作用，必須在催化劑的催化作用下通過變換反應(yīng)加以除去。一氧化碳變換反應(yīng)既是原料氣的凈化過程，又是原料氣的制造過程。本設(shè)計(jì)主要包括 工藝路線的確定、中溫變換爐的物料衡算和熱量衡算、中溫變換爐工藝計(jì)算和設(shè)備選型、換熱器的物料衡算和熱量衡算以及設(shè)備選型等。并且綜合各方面因素對(duì) 車

7、間設(shè)備布置進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，最終完成了20 000字的設(shè)計(jì)說明書及生產(chǎn)工藝流程圖、車間平立面布置圖及主體設(shè)備裝配圖的繪制。關(guān)鍵詞：天然氣一氧化碳變換中溫變換爐流程圖ABSTRACTThis paper was about the annual output of gas tax as raw materials to tran sform fiftee n thousa nd tons of carb on mono xide ammo nia prelimi nary desig n secti on. In the product ion of ammonia, tran sformati

8、o n of carb on mono xide was a very importa nt reacti on. Manu factured using gas tax feed gas which contains part of carb on mono xide, carb on mono xide could not be directly used as those of the raw materials of syn thetic ammo nia, but also a catalyst for ammon ia pois oning effect there must be

9、 a catalyst for transformation through the catalytic reaction to be removed. Tran sformatio n of carb on mono xide is a gas purificati on process of raw materials, but also the manufacturing process of feed gas. The design of the main routes which in clude the ide ntificati on process, the medium va

10、ria nt of the furn ace material bala nee , heat bala nee, in the variable furn ace process of calculati on and selecti on of equipme nt, heat exchanger of the material balanee and heat balanee as well as equipment select ion type and so on. Taking all factors and workshop equipme nt to carry out is

11、a reas on able arra ngeme nt of the desig n. In the end, the20 000-word stateme nt and map product ion process, shopp ing facade and the main equipme nt layout draw ing assembly were completed.Key words: Natural gas; Tran sformati on of carb on mono xide; Temperature shift conv erter; Flow chart第一章總

12、論1.1概述1.1.1 一氧化碳變換反應(yīng)的意義與作用在合成氨的生產(chǎn)中，一氧化碳變換反應(yīng)是非常重要的反應(yīng)。 用重油制造的原 料氣中，含有一部分的一氧化碳，這些一氧化碳不僅不能直接做為合成氨的原料， 而且對(duì)氨合成中的催化劑有毒害作用，因此必須在催化劑的作用下通過變換反應(yīng) 加以除去。在一定的條件下，利用一氧化碳和水蒸汽等摩爾反應(yīng)生成二氧化碳和 氫氣，除去大部分一氧化碳，使一氧化碳含量凈化到3%左右，然后進(jìn)入銅洗進(jìn)一步的清除。所以通過一氧化碳變換反應(yīng)既能把一氧化碳轉(zhuǎn)化為易在下游除去的 二氧化碳同時(shí)又生產(chǎn)有效組分氫氣或生產(chǎn)具有較高H2/CO2比的合成氣。變換反應(yīng)既是原料氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)

13、過程。一氧化碳加壓變換，可 以提高生產(chǎn)能力，降低能源消耗，節(jié)約觸媒，提高經(jīng)濟(jì)效益 。1.1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀許多氮肥廠都對(duì)一氧化碳變換系統(tǒng)采取了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施，力爭降低能量的消耗和成本。常用的有采用中溫變換串聯(lián)低溫變換工藝， 使用新型高活性的 低溫催化劑，常壓變換變?yōu)榧訅鹤儞Q等。從我國目前的情況看，新建工廠或是改 建的工廠基本都采用加壓變換。隨著新型耐硫催化劑的開發(fā)成功，八十年代中期 開發(fā)了中變串低變工藝；為了利用低變的低溫高活性，九十年代初期開發(fā)了全低 變工藝；為了克服全低變工藝不能長期穩(wěn)定運(yùn)行的缺點(diǎn)，九十年代中期又開發(fā)了 中-低-低工藝。其后的十年間是全低變工藝和中-低-低工藝推廣和完

14、善的過程。 國外大部分使用寬溫區(qū)的催化劑，變換催化劑從傳統(tǒng)類型Fe-Cr系變換為Co-Mo 系。國外合成氨的規(guī)模一般都比較大，不管是原料還是操作壓力的選擇都與我國 的中小型氮肥廠大不相同2。1.2設(shè)計(jì)依據(jù)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：原料氣的制取；原料氣的凈化與合成。粗原料氣中常含有大 量的C,由于CO是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng) 過CO變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的 CO2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)甲烷化法加以

15、脫除。變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)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。本設(shè)計(jì)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。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，由于寬變催化劑的 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。由于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。1.3設(shè)計(jì)規(guī)模與生產(chǎn)制度1.3.1設(shè)計(jì)規(guī)模天然氣為原料年產(chǎn)15萬噸氨車間

16、一氧化碳變換工段初步設(shè)計(jì)，年生產(chǎn)時(shí)間 為7200小時(shí)。1.3.2生產(chǎn)制度本工廠實(shí)行倒班制度，初步擬定為五班三倒。在生產(chǎn)過程中，一定要加強(qiáng)安 全防范意識(shí)，嚴(yán)格按照化工行業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)范來操作。注意防火、防爆、防泄漏 等一系列危險(xiǎn)情況的發(fā)生。要做到時(shí)時(shí)注意安全，事事想著安全，做到早預(yù)報(bào)， 做處理，盡量避免重大事故的發(fā)生。1.4原料與產(chǎn)品規(guī)格1.4.1原料規(guī)格表1-1原料氣組分組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)%9.611.4255.7122.560.380.331001.4.2產(chǎn)品規(guī)格經(jīng)過變換反應(yīng)后，氣體中CO含量應(yīng)低于2%第二章工藝原理和流程2.1工藝原理一氧化碳變換反應(yīng)式為:CO+H2O=CO

17、2+H2+Q（2-1）CO+H2 = C+H2O（2-2）其中反應(yīng)（2-1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2-2）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(duì)式反應(yīng)（2-1 ）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。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應(yīng)式：H2+O2=H2O+Q2.2工藝流程目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低 4種工藝。本設(shè)計(jì)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(jìn)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(dá)到3到5之間，

18、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180C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。L膜熱鍋圳2中吏爐,3主換熱禍4 禺溫水加熱塞f 5底吏爐圖2-1工藝流程圖12.3工藝參數(shù)231原料氣體組分表1-1原料氣組分組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)%9.611.4255.7122.560.380.331002.3.2工作溫度進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣溫度：330 r 出中變爐一段催化床層的變換氣溫度：415C 進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣溫度：353 r 出中變爐二段催化床層的變換氣溫度：365 r 進(jìn)低變爐

19、催化床層的變換氣溫度：181 r 出低變爐催化床層的變換氣溫度：203 r 出系統(tǒng)變換氣（干基）中CO含量：低于2%6。2.4工藝條件2.4.1壓力壓力對(duì)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(dòng)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。一般小型氨廠操作壓力為0.7-1.2MPa,中型氨廠為1.21

20、.8Mpa。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1.7MPa。2.4.2溫度變換反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率 常數(shù)增大對(duì)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(dòng)力變小，對(duì)反應(yīng)速率不利，可見溫度對(duì)兩者的影響是相反的。因 而對(duì)一定催化劑及氣相組成存在著最佳反應(yīng)溫度，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為Tm=TeRTeInE2 _ E1E2E1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。243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

21、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(duì)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(shí)間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時(shí)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。第三章工藝計(jì)算3.1中變爐一段催化床層的物料和熱量

22、衡算3.1.1確定轉(zhuǎn)化氣組成已知條件中變爐進(jìn)口氣體組成：表3-1原料氣組成組分CO2COH2N2CH402合計(jì)%9.611.4255.7122.560.380.33100計(jì)算基準(zhǔn)：1噸氨計(jì)算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）x 22.4/（2X22.56） =2920.31 Nm3因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物量可能會(huì)有消耗，因此變化氣量取2962.5 Nm3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%表3-2進(jìn)中變爐的變換氣干組分組分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)含量，9.6011.4255.712

23、2.560.330.38100M3284.44338.321650.41668.349.7811.262962.50kmol12.69815.10473.67929.8370.4370.503132.258假設(shè)入中變爐氣體溫度為330r，取出爐與入爐的溫差為35r，則出爐溫度 為 365 Eo進(jìn)中變爐干氣壓力P中 =1.75Mpa.3.1.2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H2O/CO=3.5故 V （水） =1973.52Nm3 n（水）=88.1kmol因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分：表3-3進(jìn)中變爐的變換氣濕組分組分CO2COH2n2O2CH4H2O合計(jì)含量6.868.1

24、639.8016.120.240.2728.56100M3284.42338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61kmol12.7015.1073.6829.840.440.5052.86185.12中變爐CO的實(shí)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+H2O= H2+CO2，則CO的實(shí)際變換率為：Y _YX % 二-X 100=74% Ya (1 + 丫)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(yīng)掉的CO的量為：8.16%X 74% =6.04%則反

25、應(yīng)后的各組分的量分別為：H2O% =28.56% -6.04% +0.48% =23%CO% =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)：K= (H2%X CO2%) / ( H2O%X CO %) =12查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊可知 K=12時(shí)溫度為397C。中變的平均溫距為 397E -365T =32T中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO可用。3.1.3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(shí)際變換率為 60%。因?yàn)檫M(jìn)中變爐一段催化床

26、層的變換氣濕組分：表3-4進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計(jì)含量6.868.1639.816.120.270.2428.56100M3284.42338.181650.41668.349.7711.261184.114146.61kmol12.7015.1073.6829.840.440.5052.86185.12假使02與出完全反應(yīng)，02完全反應(yīng)掉 故在一段催化床層反應(yīng)掉的C0的量為：360% 338.318=202.9908 Nm = 9.062kmol出一段催化床層的CO的量為：338.318-202.9908=135.3272 Nn3 =6.0

27、414kmol故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 H2的量為：1650.409+202.9908-2 9.7=1833.8478Nm5 =81.868kmol故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 CO2的量為：3 284.4+202.9908=487.3908 Nmi=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）=VcO+VcO2+Vh2+Vn2+VcH4=135.3272+487.3908 +1833.8478+668.34+11.263=3136.1658 Nm3故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中 C0的含量:C0% = 135.3272 =4.32%3136.165

28、8同理得：487.3908C02% =15.54%3136.16581833.8478H2 % =58.47%3136.1658668.34N2 % =21.31%3136.1658CH4% = 11.258=0.36%3136.1658所以出中變爐一段催化床層的變換氣干組分如下表:表3-5出中變爐一段催化床層的變換氣干組分組分C02coH2N2CH4合計(jì)含量15.544.3258.4721.310.36100M3487.39135.331833.84668.3411.253136.17kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的H20的量為：31184.113-2

29、02.9908+2 9.77=1000.6622 Nm3 = 44.6724kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的總體積：V 總（濕）=VcO+VCO2+VH2+VN2+VCH4+VH2O135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258+1000.67223=4136.838Nm3 =184.68kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中H2O的含量我0% =1000.67224136.838=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487 39CO2% =. X100=11.78%4136.838同理可得：CO% = 135

30、.33 X100=3.27%4136.838H2% = 1833.84 X00=44.33%4136.838N2 % = 668.34 X00=16.16%4136.83811 25 CH4% =:X00=0.27%4136.838所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量如下表:表3-6出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分組分C02COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.84koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68對(duì)

31、出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(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如下表:表3-7出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分組分C02COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.84koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根據(jù)：K=(H2%x C02%)/ (H2O%X co%)計(jì)算得 K=6.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊知當(dāng)K=6.6時(shí)t=445C設(shè)平均溫距為30C，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：44

32、5C -30 C =415 C3.1.4中變爐一段催化床層的熱量衡算已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣溫度：330 C出中變爐一段催化床層的變換氣溫度：415C可知反應(yīng)放熱Q:在變換氣中含有CO,出0, O2, H2這4種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下2 種反應(yīng)：CO + H20 = C02 + H2(3-1)02 + 2H2 = 2 H20(3 2)以上這2個(gè)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(jì)手冊可知為簡化計(jì)算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn) 焓(或稱生成焓)計(jì)算。以 P=1atm, t=25 C為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計(jì)算式 為：HT=AH298=Cpdt式中：Ht 氣體在 8在T (K)的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，k

33、cal/kmol(4.1868kJ/kmol); ?298 該氣體在25E下的標(biāo)準(zhǔn)生成焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol); T 絕對(duì)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(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式：23Cp=A 0+A1XT+A 2 T +A 3T +式中Ao、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(jì)算通式：Ht =a0+a1 XT+a2 XT2+a3 XT3+a4XT4式中常數(shù)戌、寵、氏、a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為：ai=A0, a2=A1/2, a3=A 3/4

34、, a4=A”4S0=AH0298- 298.15a 298.152 冶2 298.153 滋一298.154念采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計(jì)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(jì)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= (Xn Hi)始一(XnM!)末式中!過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時(shí)為放熱，為負(fù)數(shù)時(shí)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(jì)算常數(shù)列于氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓(通式)常數(shù)表表3-8氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）

35、常數(shù)表分子式a0aia2a3a4O21.90318 X035.80298-32.15675 10 3-7.40499 10-01.08808 海03一 4一 7一 11H2-2.112447.20974-5.55838 10 44.8459 10-8.18957 10H2O-6.0036 1047.11092一 31.29319 10 31.28506 海0一 7一 11-5.78039 10 11N2-1.976736.45903一 45.18164 10 42.03296 和一7一 11-7.65632 10 11CO-2.83637 1046.26627一 48.98694 10 4一

36、95.04519 和一 11-4.14272 10 11CO2-96377.888676.396一 35.05 10 一-1.135 10 一 60.00計(jì)算02的基準(zhǔn)焓：234根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：HT=ao+ai T+a2T +a3T +a4T在 415C 時(shí) T=415+273=688K將02的常數(shù)帶入上式得：Ht=1.90318 X03+5.80298 688+2.15675 槍-0882-7.40499 W- 6883 +1.08808 10-0 6884=6699.742kcal/kmol=28050.412 kJ/kmol同理根據(jù)以上方法計(jì)算可得變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓列于下表：

37、表3-9變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓組分O2H2H2OCOCO2Ht (kcal/kmol)6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.678Ht (kJ/kmol)28050.48011405.768-228191.758-98953.988-376630.620放熱：CO +H2O=CO2+H2(3 )Hl=(Hi)始一(Hi)末=(-376630.620+11405.768 - (-98953.987-228191.759 =-38079.106kJ/kmolQi= ncoXAH1=9.062 x(-38079.106) =-345072.859kJ

38、O2 + 2H2= 2 H2O(3)同理：H2= ( Hi)始一(Hi)末=2 (-228191.758) ( 11405.768 2+28050.480=-523890.244 kJ/kmolQ2= nO2H2=0.44 (-507245.532)=-230511.707kJ氣體反應(yīng)共放熱:Q=Qi+Q2=345072.859+230511.707=575584.566kJ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(jì)算 熱容，熱容的單位為kJ/(kmol.K)。結(jié)果表3-10各組分熱容常數(shù)物質(zhì)COH2H2OCO2n2a28.41

39、27.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cpra+b+c+dT3來計(jì)算熱容，結(jié)果表3-11熱容常數(shù)物質(zhì)ab/10-3-6c/10-9d/10CH417.4560.461.117-7.2則在415C時(shí)T=688K時(shí)計(jì)算結(jié)果如下表:表3-12各組分熱容物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以平均熱容：Cpm=E (Yi*Cp) =0.0327 31+0.1178 48.2+0.4433 29.6+0.2419 37.2+0.1616 .7+0.

40、0027 56.1=33.92 KJ/ (kmol.K)所以氣體吸熱 Q3=33.92 184.68 (415-330) =532469.376kJ假設(shè)熱損失Q4 (一般熱損失都小于總熱量的10%) 根據(jù)熱量平衡得：Q= Q3 +Q4Q4=43115.190 kJ3.1.5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(jì)手冊上的公式U -qXp=-X100%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、H2O、CO2及H2的起始濃度將、式代入式并查的不同溫度下的Kp值便可計(jì)算出

41、Xp值計(jì)算結(jié)果列于下表：中變爐催化劑平衡曲線如下:1009080504030O3 o o O2 1503o .I.40度504O50表3-13不同溫度下的Xpt300320340360380400420440460T573593613633653673693713733Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.70580.68590.64160.59633.1.6最佳溫度曲線的計(jì)算由于中變爐選用C6型催化劑，最適宜溫度曲線由式Tme進(jìn)行計(jì)算。In空E2 - E1 E1查合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算 C6型催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能分別為 Ei=10000 千卡/公斤分子，E2=

42、19000千卡/公斤分子。在中變爐催化劑平衡曲線上查的 Te值，根據(jù)最適溫度計(jì)算式可算出最適溫度。 最適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中表3-14最適宜溫度Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.70580.67Te573593613633653673699T427.7438.7449.6460.3470.7481.0494.2t154.7165.7176.6187.3197.7208.0221.2Xp0.640.610.580.550.520.490.45Te714727739751760770805T501.6508.0513.8519.6523.9528.6544.9

43、t228.6235.0240.8246.9250.9255.6271.9將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖:CO?；蔢p3.1.7操作線計(jì)算由中變催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知:中變爐人口氣體溫度330 C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(yīng)的操作線如下70X率化轉(zhuǎn)60403020100330415一1操作線/50溫度C)3.2中間冷淋過程的物料和熱量衡算此過程采用水來對(duì)變換氣進(jìn)行降溫。已知條件：變換氣的流量：184.68kmol設(shè)冷凝水的流量：X kg變換氣的溫度：415C 冷凝水的進(jìn)口溫度：20 C進(jìn)二段催化床層的溫

44、度：353 C操作壓力：1.75MPa冷凝水吸熱 Q1 :據(jù)冷凝水的進(jìn)口溫度20C查化工熱力學(xué)可知 h1=83.96kJ/kg根據(jù)化工熱力學(xué)可知：表3-15各溫度下的焓T/KP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷凝水要升溫到353C，所以設(shè)在353C , 626K,1750kPa時(shí)的焓值為H對(duì)溫度進(jìn)行內(nèi)查法：1600kPa時(shí)：(626-600 )/ (H-3693.2)=(700-626)/(3919.7-H)H=3752.09 kJ/kg1800kPa時(shí)：(626-600) / (H- 3691.

45、7) =(700-626)/( 3918.5-H)H=3750.67 kJ/kg再對(duì)壓力使用內(nèi)查法得在 353E , 626K,1750kPa時(shí)的焓值H為:(1750-1600)/(H-3752.09)=(1800-1750)/(3750.67-H)故：H=3751.02 kJ/kgQi= X( 3751.02-83.96)變換氣吸熱Q2根據(jù)表3 0和表3 1得：表3-16各組分的Cp物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以 Cpm= XYCp =33.92 kJ/ (kmolK)Q2=184.68 33.92 (415-353)=388389.4

46、272 kJ取熱損失為0.04 Q2根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2= X(3751.02-83.96)X=101.677kg = 5.649 kmol=126.54M3(標(biāo))水的量為：126.54+1000.6742=1127.2142Nm3= 50.3220 kmol所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分如下表：表3-17進(jìn)二段催化床層的變換氣組分組分CO2COH2N2CH 4H2O合計(jì)含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3（標(biāo)）487.39135.321833.84668.3411.261127.204263.37kmol21.766.04181.8729.830.

47、5050.32190.333.3中變爐二段催化床層的物料和熱量衡算3.3.1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：338.318 %.74=253.7385Nm3=11.3276 kmol在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的 CO的量為：3135.32- （338.318-253.7385 =50.7405 Nm3=2.27 kmol出中變爐二段催化床層的CO的量為：3135.32- 50.7405=84.58667Nmi=3.7762 kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 CO2的量為：3487.39+50.7405= 538.1

48、313Nni=24.0237 kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 H2的量為：31833.84+50.7405= 1884.5883Nmi=84.1334 kmol所以在二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量：3V 總（干）=84.58667+538.1313+1884.5883+668.34+11.26=3186.906Nm（標(biāo)） =142.2726 kmol所以出中變爐二段催化床層的變換氣干組分如下表：表3-18出中變爐二段催化床層的變換氣干組分組分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量16.792.7659.0920.990.35100M3（標(biāo)）538.1384.591884.59668.3411.

49、263186.91kmol24.023.7884.1329.830.50142.12故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為:1127.2042-50.7405 = 1076.464M?CO的含量:=48.056 kmol故出中變爐二段催化床層的變換氣濕組分中CO% =84.594263.37=2.01%同理得:CO2% =538.134263.37=12.62%H2 % =1884.594263.37=44.20%N2 % =668.344263.37=15.68%CH4% =11.264263.37=0.26%H2O% =1076.4644263.37=25.25所以出中變爐的濕組分如下表

50、:表3-19出中變爐的濕組分組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量12.622.0144.2015.680.2625.25100M3(標(biāo))538.1384.591884.59668.3411.261076.464263.37kmol24.023.7884.1329.830.5048.21190.33對(duì)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=（出兀02%） / （出0%兀0%）計(jì)算得Kp=10.9查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊知當(dāng)Kp=10.9時(shí)，t=409C設(shè)平均溫距為44C，則出中變爐二段催化床層的變換氣溫度為：409C -44 C =365 C3.3.2中變爐二段催化床層的熱量衡算已知條件：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 C變換氣反應(yīng)放熱Q1：計(jì)算變換氣中各組分的生成焓，原理與計(jì)算一段床層一樣，使用公式3-3及表3-14計(jì)算平均溫度為632K時(shí)的生成焓。計(jì)算結(jié)果如下如下：表3-20變換氣中各組分的生成焓組分H2H2OCOCO2Ht （kcal/kmol ）2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht (kJ/kmol)9936.95-230060.69-100506.5-