年產(chǎn)五萬噸合成氨變換工段工藝初步模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。一、設(shè)計(論文)的要求:1、說明書包括前言,合成氨變換工段工序原理,工藝條件及工藝流程確定,以及主要設(shè)備的選擇說明,對本設(shè)計的評述。2、計算部分包括物料衡算,熱量衡算,有效能利用率計算,主要設(shè)備計算。3、圖紙帶控制點的工藝流程圖。二、設(shè)計(論文)的原始數(shù)據(jù):天然氣成分:以鴻化廠的實際工作數(shù)據(jù)為依據(jù)來進行。年工作日330天,其余數(shù)據(jù)自定。三、參考資料及說明:《化工工藝設(shè)計手冊》(上、下冊)、《氮肥工藝設(shè)計手冊》理化數(shù)據(jù)、《化肥企業(yè)產(chǎn)品能平衡》、《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》、《合成氨工學(xué)》、《化工制圖》、《化工原理》、《化學(xué)工程》、《化工設(shè)計概論》以及關(guān)于氮肥的其它相關(guān)雜志。

目錄前言………………4工藝原理…………4工藝條件…………5工藝流程的確定…………………6主要設(shè)備的選擇說明……………6對本設(shè)計的綜述…………………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衡算………………94．中變爐一段催化床層的熱量衡算………………115．中變爐催化劑平衡曲線…………136.最佳溫度曲線的計算……………147．操作線計算……………………158．中間冷淋過程的物料和熱量計算……………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算………………19第三節(jié)廢熱鍋爐的熱量和物料計算……………24主換熱器的物料與熱量的計算…………26第五節(jié)調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算……28第二章設(shè)備的計算………………291.低溫變換爐計算………………292.中變廢熱鍋爐…………………31TOC\o"1-4"\h\z參考文獻及致謝…………………35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,因此必須進行凈化處理,一般,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。當(dāng)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,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。工藝原理: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)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+Q工藝條件1.壓力:壓力對變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響?？墒翘岣邏毫⑹刮鎏亢蜕杉淄榈雀狈磻?yīng)易于進行。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),因此,先壓縮原料氣后再進行變換的能耗,比常壓變換再進行壓縮的能耗底。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.1.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。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?？墒?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,因此,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。工藝流程確定當(dāng)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到3到5之間,以后再進入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再經(jīng)過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180℃左右,進入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到0.3%以下,再進入甲烷化工段。主要設(shè)備的選擇說明中低變串聯(lián)流程中,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,計算得低變催化劑實際用量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。對本設(shè)計評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,因為能否正常生產(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。首先對中,低變進行了物料和熱量衡算,在計算的基礎(chǔ)上,根據(jù)計算結(jié)果對主要設(shè)備選型,最終完成了本設(shè)計的宗旨。設(shè)計中一共有中溫廢熱鍋爐,中變爐,主換熱器,調(diào)溫水換熱器,低變爐幾個主要設(shè)備。由于天然氣變換工段工序是成熟工藝,參考文獻資料較多,在本設(shè)計中,主要參考了《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》和《合成氨工藝學(xué)》這兩本書。由于時間有限,設(shè)計可能不完善,請各位老師指出。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:已知條件中變爐進口氣體組成: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)過程中物量可能回有消耗,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:50000/330=151.52T/d=6.31T/h要求出中變爐的變換氣干組分中CO％小于2％進中變爐的變換氣干組分: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。進中變爐干氣壓力=1.75Mpa.2．水汽比的確定:考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣,因此取H2O/CO=3.5故V(水)=1973.52m3(標(biāo))n(水)=88.1kmol因此進中變爐的變換氣濕組分:組分CO2COH2N2O2CH4H2O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的實際變換率的求取:假定濕轉(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的實際變換率為:％=×100=74％式中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:8.16×74％=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):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H2O/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際變換率為60％。因為進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分:組分CO2COH2N2O2CH4H2O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假使O2與H2完全反應(yīng),O2完全反應(yīng)掉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H2的量為:2750.68+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CO2的量為:474+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: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H2O的量為:1973.52-338.318+2×16.29=1667.79M3(標(biāo))=74.45koml因此出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分: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(％):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．中變爐一段催化床層的熱量衡算以知條件:進中變爐溫度: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,H2O,O2,H2這4種物質(zhì)會發(fā)生以下2種反應(yīng):CO+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HT——氣體在在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓,kcal/kmol(4.1868kJ/kmol);△H0298——該氣體在25℃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.℃)[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)a0、a1、a2、a3、a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為:a1=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)焓進行熱量平衡計算,不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進行,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。△H=(∑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)列于下表中氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓(通式)常數(shù)表分子式a0a1a2a3a4O21.90318×1035.802982.15675×10–3-7.40499×10–71.08808×10–10H2-2.11244×1037.20974-5.5584×10－44.8459×10－7-8.18957×10－11H2O-6.0036×1047.110921.2932×10－31.28506×10－7-5.78039×10－11N2-1.97673×1036.459035.18164×10－42.03296×10－7-7.65632×10－11CO-2.83637×1046.266278.98694×10－45.04519×10－9-4.14272×10－11CO2-96377.888676.3965.05×10－3-1.135×10－60.00計算O2的基準(zhǔn)焓:根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式:Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4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+H2O=CO2+H2(1)△H1=(∑Hi)始-(∑Hi)末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/komlQ1=15.1×(-38079.10484)=-575121.414kJO2+2H2=2H2O(2)Q2=△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: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.℃)因此氣體吸熱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)H2O/CO=3.5,與公式XP=×100％V=KPAB-CDq=U=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t300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中變爐催化劑平衡曲線如下:6.最佳溫度曲線的計算由于中變爐選用C6型催化劑,最適宜溫度曲線由式進行計算。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:Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t253273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖: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: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℃冷淋水的進口溫度:20℃進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/kP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷淋水要升溫到353℃,因此設(shè)在353℃,615K,1750kp時的焓值為h對溫度進行內(nèi)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對壓力用內(nèi)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)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1因此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))因此進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))812.318225.5453056.4131113.918.761878.677105.61koml36.26510.068136.4549.730.83883.87317.229．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)化率為0.74(總轉(zhuǎn)化率)

因此在二段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CO2的量為:812.318+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))因此出中變爐的濕組分: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行估算:根據(jù):K=(H2％×CO2％)/(H2O％×CO％)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℃10.中變爐二段催化床層的熱量衡算:以知條件:進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H2H2OCOCO2Ht(kcal/kmol)2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht(kJ/kmol)9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放熱:CO+H2O=CO2+H2(1)△H1=(∑Hi)始－(∑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,N2,可用公式:Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/(kmol.℃)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-----------CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容:物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72Cpm=∑Yi*Cp=33.61KJ/(kmol.℃)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算1.已知條件:進低變爐的濕組分: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進低變爐的干組分:組分CO2COH2N2CH4合計含量％16.792.7659.0920.990.35100M3(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CO％降到0.2％(濕基)以下,則CO的實際變換率為: ％=×100=90.11％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:組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％14.40.245.9815.680.2623.47100M3(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CO2COH2N2CH4合計含量％18.820.2760.0820.480.35100M3(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℃3．低變爐的熱量衡算:以知條件:進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H2H2OCOCO2Ht(kcal/kmol)1241.516-56347.304-25178.916-92311.594Ht(kJ/kmol)5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放熱:CO+H2O=CO2+H2(1)△H1=(∑Hi)始－(∑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,N2,可用公式:Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/(kmol.℃)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-----------CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容:表5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.129.0344.3935.1329.8545.05Cpm=∑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．低變爐催化劑平衡曲線根據(jù)公式XP=×100％V=KPAB-CDq=U=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t160180200220240260T433453473493513533Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229t280T553Xp0.76低變爐催化劑平衡曲線如下: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)熱能夠用以下公式計算:△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/kmol6．最適宜溫度曲線由式Tm=進行計算最適宜溫度計算列于下表中: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:

第三節(jié)．廢熱鍋爐的熱量和物料計算1．已知條件:進廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份:組份CO2COH2N2CH4O2H2O合計％7.548.9743.7617.720.290.2621.7100M3(標(biāo))474563.872750.681113.918.7616.291364.556285.75koml21.16125.173122.79849.730.8380.72860.917280.614進廢熱鍋爐的溫度為:925℃出廢熱鍋爐的溫度為:335℃進出設(shè)備的水溫:20℃出設(shè)備的水溫:335℃進出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣(濕):168.3koml進出設(shè)備的水量:Xkoml物量在設(shè)備里無物量的變化。2.熱量計算:入熱:水的帶入熱Q1水在20℃時Cp=33.52kJ/(kmol.℃)Q1=X*(20+273)*33.52=9821.36X轉(zhuǎn)化氣的帶入熱Q2:轉(zhuǎn)化氣在925℃時T=1193K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.℃)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-----------CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容:表5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi*Cp=36.4kJ/(kmol.℃)Q2=36.4*280.62*(920+273)=12185577.7kJ(2)出熱:轉(zhuǎn)化氣的帶出熱:Q3=32.66×280.62×(330+273)=5526711.3KJ轉(zhuǎn)化氣在335℃時T=608K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.℃)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-----------計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.7629.3847.2536.5530.4452.73Cpm=∑Yi*Cp=32.66kJ/(kmol.℃)Q3=32.66*280.62*(330+273)=5526711.265kJ水的帶出熱Q4:水在335℃,T=603K時的熱容為:Cp=36.55kJ/(kmol.℃)Q4=X*36.55*(330+273)=22039.65X熱損失Q5:Q5=0.04*(Q1+Q2)熱量平衡:0.96*(Q1+Q2)=Q3+Q40.96(9821.36X+12185577.7)=22039.65X+5526711.265X=489.365koml3.水蒸汽的加入:要使H2O/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算1.已知條件:進出設(shè)備的變換氣的量:190.33koml進出設(shè)備的水的量:Xkoml物料的量在設(shè)備中無變化。溫度:變換氣進設(shè)備的溫度:365℃變換氣出設(shè)備的溫度:250℃水進設(shè)備的溫度:20℃水出設(shè)備的溫度:90℃2.熱量計算: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,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.℃)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-----------CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容:表5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi*Cp=33.94kJ/(kmol.℃)Q1=317.22*33.94*(365+273)=6868920.88kJ水的帶入熱Q2:水在20℃時Cp=33.52kJ/(kmol.℃)Q2=X*(20+273)*33.52=9821.36*X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,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.℃)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-----------CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容:表5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi*Cp=33.14kJ/(kmol.℃)Q3=33.14*523*317.22=5498069.055kJ水的帶出熱Q4:水在90℃時Cp=34.14kJ/(kmol.℃)Q4=X*34.14*(90+273)=12392.82*X熱損失Q5:取0.04Q根據(jù)熱量平衡:0.96*(Q1+Q2)=Q3+Q4X=371.93koml

第五節(jié)調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算1.已知條件:入設(shè)備的變換氣溫度:250℃出設(shè)備的變換氣溫度:181℃進設(shè)備的濕變換氣的量:190.33koml變換氣帶入的熱量:Q1=3298841.433kJ變換氣帶出的熱Q2:變換氣在181℃時T=454K時根據(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.℃)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-----------CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容:表5-1.3物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果:組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi*Cp=32.62kJ/(kmol.℃)Q2=190.33*32.62*454=2835274.946kJ設(shè)備及管道損失取:0.04Q1變換氣放出的熱量:Q=Q1-Q2-Q3=331612.83kJ

第二章設(shè)備的計算1.低溫變換爐計算1.1已知條件:平均操作壓力0.83Mpa.氣體進口溫度180℃氣體出口溫度220℃氣體流量(干)6.313×3556.288=22450.85Nm3/h濕氣流量6.313×4707.66=29719.45Nm3/h進低變爐催化劑氣體(干)組分組分CO2COH2N2CH4合計含量％16.792.7659.0920.990.35100低變爐出口干氣中CO含量:CO%=0.27%入催化劑蒸汽比R=0.24451.2催化劑用量計算B302型低變催化劑的宏觀動力學(xué)方程為:r=1822exp(1-)根據(jù)低變催化劑的選用原則,故選B302型國產(chǎn)低變催化劑,當(dāng)變換氣中CO(干)為0.27%時,計算得催化劑床層空速為2120(標(biāo))/(m3.．h)．對于B204因動力學(xué)方程式中催化劑按體積計,計算出的催化劑床層空速是以體積為單位的”空速”.因此,催化劑理論用量:V低=在采用中變串低變的流程中,低變催化劑條件較好,故能夠不考慮催化劑備用系數(shù)。1.3催化劑床層直徑計算設(shè)計要求催化劑層總阻力＜690Kpa(即700mmH2O),催化劑層阻力降采用式(4-6-16)試算ΔP=2.1×B302為非球形催化劑,粒度為5×4.5±0.5,取其平均值為5×4.25=21.25,即轉(zhuǎn)化為球形粒徑,即φ4.6mm,dp=4.6mm=0.0046m設(shè)催化劑床層直徑為2.5m,則:E=0.378+0.3081.31催化劑床層阻力氣體平均分子量M=14.7氣體在進入低變催化劑層中的重度γγ==2.968Kg/m3式中:200為氣體的平均溫度值氣體質(zhì)量流量G==3001.45Kg/(m2.h)1.3.2催化劑層高L==2.16m因此:ΔP==396Kgf/m2=3.96Kpa(396mmH2O)計算結(jié)果符合要求ΔP＜6.90KPa,故取催化劑直徑2.5m2.中變廢熱鍋爐取中變廢熱鍋爐入口熱水溫度為80℃,假定出口熱水溫度為150℃,查