萬噸合成氨一氧化碳變換工段設(shè)計方案

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其次節(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其次章設(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)過多年的進展,現(xiàn)已進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,又是原料氣造氣的連續(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格外重要的作用.目前，變換工段主要接受中變串低變的工藝流程,這是從8０年月中期進展起來的。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)，為了掌握反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進行，工業(yè)上接受對式反應(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.但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(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)，所以,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。簡略操作壓力的數(shù)值，應(yīng)依據(jù)中小型氨廠的特點，格外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?。?。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，溫度上升,反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(yīng)速率有利,但平衡常數(shù)隨溫度的上升而變小,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)溫對肯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.轉(zhuǎn)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.但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標，盡量削減其用量對過程的經(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，所以，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意低溫變換的要求。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。再通過換熱器將轉(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，由于能否正常生產(chǎn)出合格的壓縮氣,是后面的全部工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。因此,必須掌握肯定的工藝條件,使轉(zhuǎn)化氣的組成,滿意的工藝生產(chǎn)的要求。在本設(shè)計中，依據(jù)已知的天然氣組成,操作條件,接受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，依據(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.感謝！?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：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）由于在生產(chǎn)過程中物量可能會有消耗，因此變化氣量取２９62.5M３（標）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)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，所以取H２O/ＣＯ＝３。5故V（水）=197３。52ｍ３（標）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)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%,故依據(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％。由于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）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)＝１5。1kｏmｌ出一段催化床層的ＣO的量為：563．86—３38．318＝２25.５４５Ｍ３（標)＝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）＝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）＝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）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)=74.４5ｋｏmｌ所以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)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）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:依據(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，擬接受統(tǒng)一基準焓（或稱生成焓）計算。以P＝1atm，ｔ=2５℃為基準的氣體的統(tǒng)一基準焓計算式為:HT=△H0298=Cpdt式中HＴ——氣體在在TK的統(tǒng)一基準焓，kcａl／kｍol(４．1８68kＪ/kmｏl）;△Ｈ0２98-—該氣體在2５℃下的標準生成熱,kcaｌ/kmoｌ（４.186８kＪ/ｋmｏl）;T——肯定溫度，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)系有以下閱歷式：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)及標準生成熱的關(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接受氣體的統(tǒng)一基準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的基準焓：依據(jù)基準焓的計算通式：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：依據(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?！妫┧詺怏w吸熱Q3=34．06＊30７．8*(４15-330)＝８911１1．7８kJ假設(shè)熱損失Ｑ4依據(jù)熱量平衡的：Q=Ｑ３+Q４Q4＝５2９3４.9６5kＪ5．中變爐催化劑平衡曲線依據(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：此過程接受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依據(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℃,所以設(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(huán)）h＝37５1．023５ｋJ/kgQ１=X(3813.２4４875-８3．96）變換氣吸熱Q2依據(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所以Cpｍ=∑Ｙi*Cp=３3．９２ｋJ／（ｋmol.℃）Ｑ２=308.５3＊3３。９2*（41５-35３）取熱損失為0．04Q2依據(jù)熱量平衡：0。9６Ｑ2＝Ｘ（３751．0２３５-83.96）Ｘ＝１６9。４６kｇ=9。４15ｋoml＝２１0。８8M3(標)所以進二段催化床層的變換氣組分：水的量為:210.8８＋1667。79＝１８７8。6７Ｍ3(標）組分ＣO2COH2Ｎ2ＣＨ4H2O合計含量％１1．4３2３．174３。０１15。６８0.2626。４４１00M３(標)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）?所以在二段CＯ的變化量5６3。86*０．74＝4１7。2６M3(標)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)=3。52ｋoｍl出中變爐二段催化床層的ＣO的量為:225．5４５-78.94=１46．60５M3(標）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)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）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)所以出中變爐的濕組分：組分CO2COH2N２CH4H2Ｏ合計含量%12.54２．0644.12515.670.２6２5．３3100M3(標）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：依據(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：依據(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

其次節(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)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）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)=５。8９8koml出低溫變換爐CＯ的量：１4６.605－132．11=１4.495M3(標）=0。64722kｏｍl出低溫變換爐H2的量：3１３5。3５3+１3２．1１＝3２67。4６3M3(標)=1４5.869koｍl出低溫變換爐H2Ｏ的量:1７９9．7３-１３2。11=1667.6２Ｍ３(標）＝７４。4５kｏｍl出低溫變換爐CO2的量：8９１.26+132.1１=1023．３7Ｍ３(標)=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）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）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：依據(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依據(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依據(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)熱可以用以下公式計算:△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)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?！妫?=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依據(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依據(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?zé)釗p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℃時依據(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時依據(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?zé)釗p失Q5:取0.0４Ｑ依據(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時依據(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?。?．04Ｑ1變換氣放出的熱量：Q＝Ｑ１—Q２-Q3=３316１２.8３kJ

其次章設(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）１8。９４×3５５6。2８８=67３56。０９Nｍ3/h濕氣流量１8。9４×４７07．６6＝８９163．0８Nm３/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-）依據(jù)低變催化劑的選用原則，故選B302型國產(chǎn)低變催化劑，當變換氣中ＣO(干）為0.２7％時,計算得催化劑床層空速為2120（標)/（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低在接受中變串低變的流程中，低變催化劑條件較好，故可以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），催化劑層阻力降接受式(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4。0m,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＝=３519。3Kｇ／(ｍ2．ｈ）1.3．2催化劑層高L==2.５3m所以:Δ