學(xué)年產(chǎn)三萬噸合成氨廠變換工段工藝設(shè)計(jì)

1、計(jì)要求:1. 進(jìn)行工段工藝流程設(shè)計(jì)，繪制帶主要控制點(diǎn)的工藝流程 圖。2. 進(jìn)行工段物料計(jì)算、熱量計(jì)算，并繪制物料衡算表、熱 量衡算表。3. 進(jìn)行工段設(shè)備設(shè)計(jì)、選型，制備設(shè)備一覽表。4. 編寫工段工藝初步設(shè)計(jì)說明書。5. 繪制主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。二.設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)：以在自貢市鴻鶴化工廠的實(shí)際數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)組分CO2COH2N202CH4合計(jì)含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100目錄說明書4前言 41. 工藝原理 42. 工藝條件 43. 工藝流程的選擇 54. 主要設(shè)備的選擇說明 55. 工藝流程的說明 6第一章物料和熱量衡算 71 .水汽比的確定 72 .中變爐 CO的實(shí)

2、際變換率的求取 83. 中變爐催化劑平衡曲線 94. 最佳溫度曲線的計(jì)算 105. 中變爐一段催化床層的物料衡算 116. 中變一段催化劑操作線的計(jì)算 177 .中間冷淋過程的物料和熱量衡算 178.中變爐二段催化床層的物料和熱量衡算 199 .中變二段催化劑操作線計(jì)算 2310.低變爐的物料和熱量衡算 2411低變催化劑操作線計(jì)算 2912低變爐催化劑平衡曲線 2913.最佳溫度曲線的計(jì)算 3014廢熱鍋爐的物料和熱量衡算 3115.水蒸汽的加入 3416主換熱器的物料和熱量的衡算 3417.調(diào)溫水加熱器的物料和熱量衡算 36第二章設(shè)備的計(jì)算371. 中變爐的計(jì)算 372. 主換熱器的計(jì)算

3、42設(shè)計(jì)的綜述 6參考文獻(xiàn) 49致謝 50第一章物料和熱量衡算已知條件:組分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100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）X 22.4/ （2X 22.56） =2920.31 M3（標(biāo)標(biāo)）因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物料可能會(huì)有損失，因此變換氣量取2962.5 M3（標(biāo)）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CO2COH2N2O2CH 4合計(jì)含

4、量，9.611.4255.7122.560.330.38100M3（標(biāo)）284.44338.321650.41668.349.7811.262962.50kmol12.69615.10373.67929.8370.4360.503132.25假設(shè)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為 330C,取變化氣出爐和入爐的溫差為35C,出爐 的變換氣溫度為365 Eo進(jìn)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） =3.5 V 水=1184.113m3（標(biāo)）,n（水）=52.862kmol因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分組分CO2COH

5、2N2O2CH4H2O合計(jì)含量6.868.1639.8016.120.240.2728.56100M3（標(biāo)）284.42338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.122.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+H2O= H2+CO2,則CO的實(shí)際變換率公式為：Xp% = Ya Ya x 100(2-1)Ya (1 + Ya )式中Ya、Ya分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率

6、(濕基)所以：Xp-8.1604100(100 +2 ”8.16=74%則反應(yīng)掉的CO的量為：8.16X 74% =6.04則反應(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)：Kp= ( H2%x CO2%) / (H2O%X CO%) =12查小合成氨廠工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)手冊 可知Kp=12時(shí)溫度為397C。中變的平均溫距為 397E -365T =32T根據(jù)合成氨工藝和節(jié)能 可知中溫

7、變換的平均溫距為：30T到50T，中變 的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。3 .中變爐催化劑平衡曲線根據(jù)H2O/CO=3.5,和文獻(xiàn)小合成氨廠工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)手冊上的公式Xp=U q X 100%2AWV=K pAB-CDq= U2 _4WVU=Kp (A+B) + (C+D)W=Kp-1其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度計(jì)算結(jié)果列于下表：t300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5

8、963中變爐催化劑平衡曲線如下:溫度(C)4.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Tm 二Te1 壬 lnEE2 Ei Ei進(jìn)行計(jì)算查3000噸合成氨廠工藝和設(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=19000千卡/公斤分子。最適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中：溫度C)Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.466

9、0.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖:5.中變爐一段催化床層的物料衡算已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為 330 C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6.868.1639.816.120.270.2428.56100M3（標(biāo)）284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5

10、052.86185.125.1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(shí)際變換率為 60%假使。2和H2完全反應(yīng)，。2完全反應(yīng)掉 故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為:60%X 338.318=202.9908 M3（標(biāo)）=9.062kmol出一段催化床層的CO的量為:338.318-202.9908=135.3272 M（標(biāo)）=6.0414kmol故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 H2的量為:1650.409+202.9908-2X 9.776=1833.8478 M3（標(biāo)）=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

11、 S（標(biāo)）=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+1833.8478+668.34+11.2583=3136.1638 M （標(biāo)）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同理得:CO2% = 487.3908 =15.54%3136.16381833.8478H2% =58.47%3136.1638CO2% = 487.3908 =15.54%3136.1638N2% =668.343136.1638=21.13%CH4% hF35%所以出中變爐一

12、段催化床層的變換氣干組分:組分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量15.544.3158.4721.130.35100M3（標(biāo)）487.39135.331833.84668.3411.253136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的H20的量為:1184.113-202.9908+2X 9.776=1000.6742 M3（標(biāo)）=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+1000.67423=4136.838 M （標(biāo)）=184.68k

13、mol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中H2O的含量H2O% =1000.67424136.838=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CO2%=?55；=11.78%同理可得：CO% = 0.0413 =3.27% 1+0.04130.5847H2% =44.33%1 +0.58470 2113N2% = 0.2113 =16.16% 1+0.2131CH4% = 0.0035 =0.27%1 +00035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(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(

14、標(biāo))487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(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()組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M（標(biāo)）487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根據(jù)：Kp= ( H2%X CO2%) / (H20%X

15、 CO%)計(jì)算得 K=6.6 查小合成氨廠工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)手冊知當(dāng) Kp=6.6時(shí)t=445°C 設(shè)平均溫距為35C，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：445C -35C =415C5.3 .中變爐一段催化床層的熱量衡算以知條件：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為：415C可知反應(yīng)放熱Q:在變化氣中含有CO, H2O, O2, H2這4種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下 2種反應(yīng)：CO +H2O=CO2+H2(1)O2 + 2H2= 2 H2O(2)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)和設(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

16、。以P=1atm, t=25C為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計(jì)算 式為：Hr= H)298=Cpdt式中：Ht 氣體在 fT 在 TK 的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol);'298 b°298 該氣體在25C下的標(biāo)準(zhǔn)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.C) 4.1868kJ/(kmol. C)氣體等壓比熱容和溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式：23Cp=Ao+Ai XT+A2農(nóng) +A3農(nóng) +式中Ao、Ai、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：23十4Ht

17、=a0+a1 XT+a2>T +a3XT +a4X T(5-1)式中常數(shù)a。、a1、az、a3、a4和氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為：a1=A0,a2=Ai/2,a3=A3/4,a4=A 3/4ao=H°298 298.16a1 298.162x a2-298.16、as-298.164x a4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=(刀 ni x Hi)始一(刀 ni x Hi)末(5-2)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，單位：kcal; (4.1

18、868kJ);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；Hi 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 5-1.1分子aoa1a2a3a4式3-3-7-10021.90318 x 105.802982.15675 10-7.40499 x1.08808 x034711H2-2.11244 KO7.20974-5.55838 x 104.8459 x 10-8.18957 x 1043711H20-6.0036 x 107.110921.29319 x 101.28506 x 10-

19、5.78039 x 1034711N2-1.97673 x 106.459035.18164 x 102.03296 x 10-7.65632 x 1044911CO-2.83637 x 106.266278.98694 x 105.04519 x 10-4.14272 x 1036CO2-96377.888676.3965.05 x 10-1.135 x 100.00計(jì)算02的基準(zhǔn)焓：根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=ao+ai >T+a2 XT2+a3 >T3+a4 x T4在 415°C 時(shí) T=415+273=683K將02的常數(shù)帶入上式得：Ht=1.90318 x P

20、+5.80298X 683+2.15675 X0-3x 6832-7.40499 X0-7>6833-104+1.08808 X0 X583=6699.742kcal/kmo=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)焓列于下表組分O2H2H2OCOCO2Ht (kcal/kmol )6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.678Ht (kJ/kmol)28050.41211405.772-228191.759-98953.987-376630.620放熱：CO +H2O=CO2+H2(1) H1=(E

21、Hi)始(刀 Hi)末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/ kmolQ1= 9.062 X (-38079.10484 )=-345072.8481kJO2 + 2H2= 2 H2O(2)Q2=AH2=(刀 nix Hi)始(刀 ni x 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

22、/ (kmol.T)表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.873b/10-4.13.2610.719.044.275c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容：表 5-1.3物質(zhì)ab/10-3-6c/10-9d/10CH417.4560.461.117-7.2計(jì)算結(jié)果得:物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以平均熱容:Cpm=刀 Yi*Cp=34.06 KJ/ (kmol.T)所以氣體吸熱 Q3=34.06X 184.68X (415-330

23、) =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(jì)算有中變一段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:OX 率化1O30350004507 .中間冷凝過程的物料和熱量計(jì)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：184.68koml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

24、溫度：353C操作壓力：1750kp冷凝水吸熱 Qi :據(jù)冷凝水的進(jìn)口溫度20 C查化工熱力學(xué)可知hi=83.96kJ/kg根據(jù)化工熱力學(xué)可知:T/KP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷凝水要升溫到353E，所以設(shè)在353E , 626K,1750kp時(shí)的焓值為h對溫度進(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- 3691.7) =(700-626)/(

25、3918.5-h)h=3750.668 kJ/kg再對壓力使用內(nèi)查法得在 353E , 626K,1750kp時(shí)的焓值h為:(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kJ/kgQi = 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=刀Yi*Cp =33.92 kJ/ (kmol.T)Q2=184.68X 33.92X (415-353)=388389.4272 kJ取熱損失為0.

26、04 Q2根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2= X(3751.0235-83.96)X=101.676kg=5.649 kmol3=126.53M (標(biāo))水的量為：126.53+1000.6742=1127.2042M 3(標(biāo))=50.3261 kmol所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分:組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100m3（標(biāo)）487.39135.321833.84668.3411.261127.204263.37kmol21.766.04181.8729.830.5050.32190.33&中變爐二段催化床層的物料和熱

27、量衡算已知條件：所以進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣干組分:組分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量15.544.3158.4721.130.351003M （標(biāo)）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：338.318X 0.74=250.35532M3（標(biāo)）=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.

28、36452M （標(biāo)）=2.11 kmol出中變爐二段催化床層的CO的量為：135.3272- 47.36452=87.96268 皿（標(biāo)）=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?（標(biāo)）=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= 1881.21232（標(biāo)）=83.9826 kmol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(biāo)）

29、=142.1218 kmol所以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))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 H20的量為:1127.2042-47.36452= 1079.84(標(biāo))=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%H

30、2% =1881.212324263.37=44.125%N2% =668.344263.37=15.67%CH4% =11.2584263.37=0.26%H2O% =型9型4263.37=25.33%所以出中變爐的濕組分:組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量12.542.0644.12515.670.2625.331003M （標(biāo)）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(jìn)行估算：根據(jù)：Kp= ( H2%X CO2%) / (H2

31、O%X CO%)計(jì)算得Kp=10.6查小合成氨廠工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)手冊知當(dāng) Kp=10.6時(shí)t=409°C設(shè)平均溫距為44C，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：409C -44C =365C8.2 中變爐二段催化床層的熱量衡算：以知條件：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，原理和計(jì)算一段床層一樣，使用公式5-1及表5-1.1計(jì)算平均溫度為632K時(shí)的生成焓。計(jì)算結(jié)果如下：組分H2H2OCOCO2Ht （ kcal/kmol ）2373.4-54949.05-24005.565-9053

32、6.421Ht （kJ/kmol ）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放熱：CO +H2O=CO2+H2（ 1） H1=（刀 Hi）始一（刀 Hi）末=-38553.74846 kJ/kg所以得：Q1=2.11*38553.74846=81348.40955 kJ/kg氣體吸熱Q2：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.T)表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.873b/10-4.13.2610.719.044.

33、275c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容：物質(zhì)ab/10-3c/10-6-9d/10CH417.4560.461.117-7.2計(jì)算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72所以得：Cpm=刀 Yi*Cp=33.61 KJ/ (kmol.T)故：Q2=33.61 X 190.33X( 365-353)=76763.46kJ熱損失：Q3=Q1-Q2=4584.95 kJ9 .中變二段催化劑操作線計(jì)算由中變二段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353 C中

34、變爐出口氣體溫度365 C中變爐入口 CO變換率60%o o o o o o O8 7 6 5 4 3 2中變爐出口 CO變換率74%100352354356358360362364366溫度(C)所以中變爐的操作線如圖:1009080706050403030<p率化>O中變換爐物料量平衡表組分進(jìn)中變換爐的物料量/m3出一段催化床層的物料量 /mCO2284.42487.39CO338.32135.33H21650.421833.84N2668.34668.34O29.77CH411.2611.26H2O1184.121000.67合計(jì)4146.614136.92組分進(jìn)二段催化床層

35、的物料量/m3出二段催化床層的物料量 /m3CO2487.39534.76CO135.3287.96H21833.841881.21N2668.34668.34CH411.2611.26H2O1127.201079.84合計(jì)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)：345072.848534667.06831760.97902 反應(yīng)：221354.6179總熱量：566427.4659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/kJ81348.4095576763.464584.9510. 低變爐的物料和熱量衡算已知

36、條件：進(jìn)低變爐的濕組分：組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量12.542.0644.12515.670.2625.33100m3（標(biāo)）534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.37kmol23.873.9383.9829.840.5048.21190.33所以進(jìn)低變爐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)）534.7687.961881.21668.3411.2583183.53kmol23.873.9383.9829.830.503142.1210.1低變爐的物料衡

37、算要將CO%降到0.2%（濕基）以下，則CO的實(shí)際變換率為:X p% =Ya 7Ya 1 YaX 100=90.11%則反應(yīng)掉的CO的量為：387.96268X 90.11% =79.264 M （標(biāo)）=3.539 kmol出低溫變換爐CO的量：87.96268-79.264=8.69868 M3（標(biāo)）=0.38833 kmol出低溫變換爐H2的量：1881.21232+79.264=1960.475 M（標(biāo)）=87.5213 kmol出低溫變換爐H20的量:1079.84-79.264=1000.576 M3（標(biāo)）=44.67 kmol出低溫變換爐CO2的量：534.75532 +79.26

38、4=614.019 M （標(biāo)）=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(biāo)）=145.66 kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量:CO% =8.69868 =0.266%3262.794同理得:CO2% =614.019 =18.82%3262.794H2% =1960.475 “CCC/ =60.08% 3262.794N2% =668.34=20.48%3262.794CH4% =圧=°.35%出低變爐的干組分:組分CO2COH2N

39、2CH4合計(jì)含量18.820.2760.0820.480.351003M （標(biāo)）614.028.701960.48668.3411.263262.79kmol27.410.3987.5229.830.50145.66出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積:V 總（干）=8.69868+1960.475+614.019+668.34+11.258+1000.576=4263.37 M3（標(biāo)） =190.33 kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO的含量:8.69868CO% =100=2.0%426337同理:614.019 “CO2% =100=14.4%4263.371960.475

40、 彳H2% =100=45.98%4263.37N2% = 66834100=15.68%4263.3711 258CH4% = 100=0.26%4263.371000.576H2O% =100=23.47%4263.37所以出低變爐的濕組分:組分co2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量14.40.245.9815.680.2623.47100M3(標(biāo))614.028.701960.48668.3411.261000.584263.37kmol27.410.3987.5229.830.5044.67190.33對出底變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算:根據(jù)：Kp=( H2%X CO2%) / ( H2O

41、%X CO%)計(jì)算得Kp=141.05查小合成氨廠工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)手冊知當(dāng) Kp=141.05時(shí)t=223C設(shè)平均溫距為20C，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：t=223- 20=203°C10.2 .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 203C 時(shí)，T=476K,計(jì)算變換氣中各組分的生成焓原理和計(jì)算一段床層一樣，使用公式5-1及表5-1.1計(jì)算平均溫度為476K時(shí)的生成焓。計(jì)算結(jié)果如下：組分H2H2OCOCO2Ht(kcal/kmol)1241.516-56347.304-25178

42、.916-92311.594Ht (kJ/kmol)5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放熱：CO +H2O=CO2+H2（1） H1=（刀 Hi）始一（刀 Hi）末=-39958.286 kJ/kg所以：Q1=3.539X 39958.286=141412.3742 kJ/kg氣體吸熱Q2：氣體吸熱時(shí)的平均溫度：（181+203） /2=191 5C, T=464.5K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.T）表 5-1.2物質(zhì)COH2H2OCO

43、2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.275c/10-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容表 5-1.3物質(zhì)ab/10-3c/10-6-9b/10CH417.4560.461.117-7.2計(jì)算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.129.0344.3935.1329.8545.05所以得：Cpm=刀 Yi*Cp=32.86 kJ/ ( kmol.T )故：Q2=32.86X 190.33X( 203-181)=138401.9044kJ熱損失：Q3 = Q1-Q2=

44、141412.3742-138401.9044=3010.4698 kJ低變換爐物料量平衡表組分進(jìn)低溫變換爐的物料量/m3出低溫變換爐的物料量/m3CO2534.76614.02CO87.968.7H21881.211960.48N2668.34668.34CH411.2611.26H2O1079.841000.58合計(jì)4263.324263.32低變換爐熱量平衡表反應(yīng)放熱/kJ氣體吸熱/kJ熱量損失/kJ141412.3742138401.90443010.469811. 低變催化劑操作線計(jì)算有低變二段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181 r低變爐出口氣體溫度203 C低

45、變爐入口 co變換率74%低變爐出口 co變換率90.11%溫度（C）12. 低變爐催化劑平衡曲線根據(jù)公式Xp=U q x 100%2AWV=K pAB-CDq= .U2 _4WVU=Kp (A+B) + (C+D)W=Kp-1100150200250溫度（C）300其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2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:13. 最佳溫度曲線的計(jì)算由于低變爐選用B302型催化劑。查小合

46、成氨廠工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)手冊B302型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為Ei=43164kJ/ kmolCO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能E2為：E2- E1=r X (- 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°C, T=465KCO 的反應(yīng)式為：CO +H2O=CO2+H2由小合成氨廠工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)手冊可知反應(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 10 T2 0.9703 10<T3kcal/ kmol得： H=-9422.62 kcal/km

47、ol=-39450.653 kJ/kmolE2 =39450.653+43164=82614.653 kJ/kmol最適宜溫度曲線由式Tm=TeE2E進(jìn)行計(jì)算最適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中:Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229T402421440457475493t129148167184201220Xp0.76T510t237將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖:100150200250溫度C)14 .廢熱鍋爐的熱量和物料衡算以知條件：進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份：組份CO2COH2N2CH 4O2H2O合計(jì)%7.548.9743.7617.720.290.2621.7100M3（標(biāo)）284.42338.321650.41668.3411.2589.78818.733771.45kmol12.7015.1073.6829.840.500.4436.55168.37進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：920C出廢熱鍋爐的溫度為：330C進(jìn)出設(shè)備的水溫：20C出設(shè)備的水溫：330C進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣(濕)：168.3 kmol進(jìn)出設(shè)備的水量：X kmol在設(shè)備里無物料的變化。熱量衡算：(1)入熱：水的帶入熱Qi水在 20T 時(shí) Cp=33.52 kJ/ (kmol.T)所以：Q仁X X( 20+