15萬噸合成氨一氧化碳變換工段設(shè)計(jì)[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(shè)備的選擇說明 66. 對(duì)本設(shè)計(jì)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(jì)算 147. 操作線計(jì)算158. 中間冷淋過程的物料和熱量計(jì)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(jì)算 19第三節(jié)廢熱鍋爐的熱量和物料計(jì)算 24第四節(jié) 主換熱器

2、的物料與熱量的計(jì)算 26第五節(jié)調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計(jì)算 28第二章設(shè)備的計(jì)算 291低溫變換爐計(jì)算 29312. 中變廢熱鍋爐35參考文獻(xiàn)及致謝、八 、，前言氨是一種重要的化工產(chǎn)品， 主要用于化學(xué)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?。辉蠚獾膬艋c合成。粗原料氣中常含有大量的C,因?yàn)閏o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(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。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?yàn)閷捵兇呋瘎┑拇耄?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?yàn)橹凶兒蟠藢捵兇呋瘎?，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(yīng)式為：CO+H2O=CO2+

4、H2+Q（1-1）CO+H2=C+H2O（1-2）其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（ 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)（ 11）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+Q=H0+Q工藝條件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。因?yàn)楦稍蠚饽枖?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

5、， 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1.21.8Mpa。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.1.溫度：變化反應(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CQ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 而存在著最佳反應(yīng)溫對(duì)一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為Tm 1TeRTeET7!

6、In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。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(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。因?yàn)檫^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(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

7、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。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(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，以后再進(jìn)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(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。主要設(shè)備的選擇說明 中低變串聯(lián)流程中，

8、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C6型催化劑，計(jì)算得低變催化劑實(shí)際用量 10.59m3。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。對(duì)本設(shè)計(jì)評(píng)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(guān)鍵的一步， 因?yàn)?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(yùn)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(shè)計(jì)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(duì)中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù) 計(jì)算結(jié)果對(duì)主要設(shè)備

9、選型，最終完成了本設(shè)計(jì)的宗旨。設(shè)計(jì)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(gè)主要設(shè)備。因?yàn)樘烊粴庾儞Q工段工序是成熟工藝， 參考文獻(xiàn)資料較多， 在本設(shè)計(jì)中， 主 要參考了小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) 和合成氨工藝學(xué) 這兩本書。 因?yàn)闀r(shí)間有限，設(shè)計(jì)可能不完善，請(qǐng)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(jìn)口氣體組成組分CO2COH2N2CH4O2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/（2 X 22.5

10、6） =2920.31M3（標(biāo)）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2962.5M3（標(biāo)）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(jìn)中變爐的變換氣干組分：組分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)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(biāo)）n（水）=88.1kmol因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分：組分CQCON2O2CHHO合計(jì)含量6.868.1639.816.120.240.2728.56100M（標(biāo)）474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53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

12、+H= H+CO,則CO的實(shí)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(yīng)掉的CO的量為：8.16 X 74% =6.04則反應(yīng)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(shù)

13、與設(shè)計(jì)手冊(cè)可知K=12時(shí)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(shè)CO在一段催化床層的實(shí)際變換率為 60%。因?yàn)檫M(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分COCOHN2O2CHHO合計(jì)含量，%6.868.1639.816.120.240.2728.56100M（標(biāo)）474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53假使Q與完全反應(yīng)，Q完全反應(yīng)掉故在一段催化床層

14、反應(yīng)掉的CO的量為:360%X 563.86=338.318M（標(biāo)）=15.1koml出一段催化床層的CO的量為:563.86-338.318=225.545M 3（標(biāo)）=10.069koml故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 H的量為：2750.68+338.318-2 X 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：474+338.318=812.318Mf（標(biāo)）=36.26koml出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：組分CQCOHN2CH合計(jì)含量15.5443.158.4721.130.35100M（標(biāo)）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(biāo)）=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(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M（標(biāo)）812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對(duì)出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計(jì)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(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M（標(biāo)）812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對(duì)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%x CO%）/ （HO%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(cè)知當(dāng)K=6.6時(shí)t=445 °C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：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(jìn)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(yīng)放熱Q:在變化氣中含有CO HO, O2, H這4種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下2種反應(yīng):CO+2O=C2+H (1-1 )Q+2H=2HO (1-2)這2個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。為簡(jiǎn)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：H0298=CpdtT式中HT氣體在298在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol) ； *298 該氣體在 25 C下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱， kcal/kmol(4.1868kJ/kmol

18、) ；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：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(zhǔn)焓的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)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(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平

19、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=(刀 ni X Hi)始一(刀 ni X Hi)末式中 H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；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(jì)算常數(shù)列于下表中氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)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(jì)算Q的基準(zhǔn)焓：根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=ao+ai x T+a2XT2+a3XT3+a4X T4在 415C 時(shí) T=415+273=683K查表可得變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)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(xué)知 CO,H2,HQC02,N2,可用公式：Cp=a+b+C2來計(jì)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(shè)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(jì)算因?yàn)橹凶儬t選用C6型催化劑,最適宜溫度曲線

24、由式TeRTeInE2E進(jìn)行計(jì)算查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jì)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(jì)算有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(yīng)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(duì)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

26、量：Xkg變換氣的溫度：415C冷淋水的進(jìn)口溫度：20 C進(jìn)二段催化床層的溫度：353 C操作壓力：1750kp熱量計(jì)算：冷淋水吸熱Q1：據(jù)冷淋水的進(jìn)口溫度20 C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/kP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷淋水要升溫到353C，所以設(shè)在353C ,615K,1750kp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=3752.09kJ/kg1800kpa

27、時(shí)(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)h=3750.668kJ/kg對(duì)壓力用內(nèi)差法得353E, 615K, 1750Kp時(shí)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(jì)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(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))組分COCOFb2CHHO合計(jì)含 量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M（標(biāo)）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(shè)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(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 ） =78.94Mf（標(biāo)）=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(biāo)）故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 CO的量為：3812.318+78.94=891.26M （標(biāo)）故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：33056.413+78.94=3135.353M （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=1799.73M

30、 3（標(biāo)）所以出中變爐的濕組分：組分COCO2CHHO合計(jì)含 量12.542.0644.12515.670.2625.33100M（標(biāo)）891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22對(duì)出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：K= （CO%） / （CC）計(jì)算得K=10.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)知當(dāng) K=10.6時(shí)t=409 C設(shè)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(jìn)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(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，平均溫度為：632K,計(jì)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(xué)知 CO,H2,H2O,CO2,N,可用公式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)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(jì)算熱容:物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計(jì)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(jì)算1.已知條件：進(jìn)低變爐的濕組分組分COCOCH"0合計(jì)含 量12.542.0644.12515.670.2625.33100M（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:組分COCOH2N2CH合計(jì)含量16.792.7659.0920.99

34、0.35100M（標(biāo)）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(shí)際變換率為:Y _Y"X %X 100=90.11 %Ya（1+YaJ則反應(yīng)掉的 CO的量為：146.605 X 90.11 % =132.11詠標(biāo)）=5.898koml 出低溫變換爐 CO的量：146.605-132.1 仁14.495M 3（標(biāo)）=0.64722koml 出低溫變換爐 H2 的量：3135.353+132.11=3267.

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

36、計(jì)含量18.820.2760.0820.480.35100M（標(biāo)）1023.3714.4953267.4631113.918.765437.99koml45.680.64722145.86949.720.838242.767對(duì)出低變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算:計(jì)算得K=141.05查小合成氨廠工藝與設(shè)計(jì)手冊(cè)知當(dāng) K=141.05時(shí)t=223 C設(shè)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(jìn)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(yīng)放熱Q1：在 203 C 時(shí)，T=476

37、K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，平均溫度為：476K,計(jì)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(shí)的平均溫度：(181+203) /2=191.5 C，T=464.5K根據(jù)物理化

38、學(xué)知 CO,H2,H2O,CO2,N可用公式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)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(jì)算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計(jì)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(jì)算因?yàn)榈妥儬t選用B302型催化劑。查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)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-E仁r*(- H)對(duì)于CC變換反應(yīng)r=1，貝U E2=(- HJ+EI H為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：(181+203) /2=192 C, T=465KCO的反應(yīng)式為：CO+2O=C2+H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(jì)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(jìn)行計(jì)算lnXp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229T402421440457475493t129148167184201220E1最適宜溫度計(jì)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(jì)算1 已知條件：進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份:組份CO2COH2N2CH4O2H2O合計(jì)%7.548.9743.

42、7617.720.290.2621.7100M(標(biāo))474563.872750.681113.918.7616.291364.556285.75koml21.16125.173122.79849.730.8380.72860.917280.614進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：925C出廢熱鍋爐的溫度為：335C進(jìn)出設(shè)備的水溫：20C出設(shè)備的水溫：335C進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣(濕)：168.3koml進(jìn)出設(shè)備的水量：Xkoml物量在設(shè)備里無物量的變化。2.熱量計(jì)算：(1)入熱：水的帶入熱Q水在 20C時(shí) 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(shí)T=1193K根據(jù)物理化學(xué)知 CO,H,H2O,CO,N2，可用公式：Cp=a+b+cT來計(jì)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(jì)算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計(jì)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(shí)T=608K根據(jù)物理化學(xué)知 CO,H,H2O,CO,N2，可用公式：Cp=a+b+cT來計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算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：365C變換氣出設(shè)備的溫度：250 E水進(jìn)設(shè)備的溫度：20 E水出設(shè)備的溫度：90r2. 熱量計(jì)算：(1)入熱：變換氣帶入熱：Qi變換氣在365E時(shí)根據(jù)物理化學(xué)知CO,H,H2O,CQ,N2,可用公式：Cp=a+b+CT來計(jì)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(jì)算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH17.4560.461.17-7.2計(jì)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(shí) 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(shí)根據(jù)物理化學(xué)知 CO,HI,H2O,C(O,N2,可用公式：Cp=a+b+cT來計(jì)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(jì)算熱容:表 5-1.3物質(zhì)abcdCH17.4560.461.17-7.2計(jì)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(shí) 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=