年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计

1、本文由guowei07198513贡献doc 文档可能在WA嘲浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。一、设计（论文）的要求：1、说明书 包括前言，合成氨变换工段工序原理，工艺条件 及工艺流程确定，以及主要设备的选择说明， 对本设计的评述。2、计算部分 计算。3、图纸带 控制点的工艺流程图。包括物料衡算，热量衡算，有效能利用率计算，主要设备二、设计（论文）的原始数据：天然气成分：以鸿化厂的实际工作数据为依据来进行。年工作日330天，其余数据自定。三、参考资料及说明：化工工艺设计手册（上、下册）氮肥工艺设计手册理化数据、化肥企业产品能平衡小合成氨厂工艺技术与设计手册合成氨工学

2、、化工制图化工原理化学工程化工设计概论 以及关于氮肥、的其他相关杂志。1 目1.录前言2. 工艺原理6.工艺条件确定明述第一章变换工段物料及热量衡算 第一节中变物料及热量衡算转化气组成3 .中变炉一段催化床层的物料衡算4 .中变炉一段催化床层的热量衡算炉催化剂平衡曲线6 .最佳温度曲线的计算7 .操作线计算44 3. 4. 5.5工艺流程的6主要设备的选择说 6对本设计的综 68 81 .确定 8 2 .水汽比的确89 11 5.中变1314 158.中间冷2淋过程的物料和热量计算 169 .中变炉二段催化床层的物料衡算 17 10.中变炉二段催化床层的热量衡算18第二节 低变炉的物料与热量计

3、算19第三节 废热锅炉的热量和物料计算24第四节主换热器的物料与热量的计算26第五节调温水加热器的物料与热量计算 28第二章设备的计算 291.低温变换炉计算29 2.中变废热锅炉31参考文献及致谢 35氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。合成氨的生产主要分为：原 料气的制取；原料气的净化与合成。粗原料气中常含有大量的C， 由于 CO 是合 成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过CO 变换反应，使其转化为易于清除的CO2 和氨合成所需要的H2。因此， CO 变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。最

4、后，少量的CO 用液氨洗涤法，或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。变换工段是指CO 与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程，这是从80 年代中期发展起来的。所谓中变串低变流程，就是在B107 等 Fe-Cr 系催化剂之后串入Co-Mo 系宽温变换催化剂。在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的 CO 含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性 大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。工艺原理：一氧化碳变

5、换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q CO+H2 = C+H2O （1-1） （1-2）其中反应（1 ）是主反应，反应（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行， 工业上采用对式反应（ 1 1 ） 具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。变换过程中还包括下列反应式：H2+O2=H2O+Q3工艺条件1. 压力： 压力对变换反应的平衡几乎没有影响。但是提高压力将使析炭和生成甲 烷等副反应易于进行。单就平衡而言，加压并无好处。但从动力学角度，加压可提高反应速率。从能量消耗上看，加压也是有利。由于干原料气摩尔数小于

6、干变换气的摩尔数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定。一般小型氨厂操作压力为0.7-1.2MPa, 中型氨厂为1.21.8Mpa 。 本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取1.7MPa. 1. 温度： 变化反应是可逆放热反应。从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO 平衡含量增大， 反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的。因而存在着最佳反应温对一定催化剂及气相组

7、成，从动力学角度推导的计算式为Tm= Te RTe E 1+ ln 2 E 2 ? E1 E1式中Tm、Te一分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。1 汽气比：水蒸汽比例一般指H2O/CO 比值或水蒸汽/干原料气. 改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡变换率， 从而有利于降低CO 残余含量，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分 Fe3O4 的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。但是， 水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽

8、比例如果过高，将造 成催化剂床层阻力增加；CO 停留时间缩短，余热回收设备附和加重等，所 以，中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：H2O/CO=A5,经反应后，4中变气中H2O/CO 可达 15 以上， 不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求。工艺流程确定 目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低4 种工艺。本设计参考四川省自贡市鸿鹤化工厂的生产工艺，选用中串低工艺。转化气从转化炉进入废热锅炉，在废热锅炉中变换气从920 降到 330 ，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3 到 5 之间，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。再通过换热器将转换气的温度降到 180 左右

9、，进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到0.3% 以下， 再进入甲烷化工段。主要设备的选择说明中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。低 变炉选用C6 型催化剂，计算得低变催化剂实际用量10.59m3 。以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的CO浓度。 对本设计评述天然气变换工段工序是合成氨生产中的第一步，也是较为关键的一步，因为 能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。 在本设计中，根据已知的天然气组成，操作条件，采用了中

10、变串低变的工艺流程路线。首先对中，低变进行了物料和热量衡算，在计算的基础上，根据计算结果对主要设备选型，最终完成了本设计的宗旨。设计中一共有中温废热锅炉， 中变炉，主换热器，调温水换热器，低变炉几个主要设备。由于天然气变换工段工序是成熟工艺，参考文献资料较多，在本设计中，主要参考了小合成氨厂工艺技术与设计手册和 合成氨工艺学这两本 书。 由于时间有限，设计可能不完善，请各位老师指出。谢谢！5第一章第一节 第一节 1 确定转化气组成：变换工段物料及热量衡算中温变换物料衡算及热量衡算中温变换物料衡算及热量衡算物料已知条件中变炉进口气体组成：组分 % CO29.6 CO11.42 H2 55.71

11、N2 22.56 CH40.38O2 0.33 合计 100计算基准：1吨氨 计算生产1吨氨需要的变化气量：1000/17 ） （ X 22.4/ （2X22.56 ） =2920.31 M3（标）因为在生产过程中物量可能回有消耗，因此变化气量取 2962.5 M3（标）年 产 5 万吨合成氨生产能力：日生产量：50000/330=151.52T/d=6.31T/h 要求出中变炉的变换气干组分中 CO%小于2%进中变炉的变换气干组分：组 分 含量，% M3（标）合CO29.6 474 6 68 9 CO 11.42 563.8 H2 55.71 2750. N2 22.56 1113. 16.

12、29 3 7.5 O2 0.33 CH4 0.38 18.76 计 100 493假设入中变炉气体温度为335 摄氏度，取出炉与入炉的温差为30 摄氏度，则出炉温度为 365 摄氏度。进中变炉干气压力P 中 =1.75Mpa. 2 水汽比的确定：考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取 H2O/CO=3.5故V （水）=1973.52m3（标）n（水）=88.1kmol 因此进中变炉的变换气湿组分:6组 分 含量 M （ 标 ） koml 3CO2 6.86 474 21.16CO 8.16 563.86 25.172 H2 39.8 2750.68 122.798 N2 16.12 1113

13、.9 49.73 O2 0.24 16.29 0.727CH4 0.27 18.763 0.838H 2O 28.56 1973.52 88.1合计 100 6911.02 308.53中变炉 CO 的实际变换率的求取：假定湿转化气为100mol ， 其中 CO 基含量为8.16 ，要求变换气中CO含量为2 %,故根据变换反应：CO+H28 H2+CO2则CO的实际变换率为： X =Ya ? Ya ' x 100=74% Ya （1 + Ya '）式中 Ya 、 Ya' 分别为原料及变换气中CO 的摩尔分率（湿基）则反应掉的CO 的量为：8.16 X 74% =6.04

14、 则反应后的各组分的量分别为：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 % 中变炉出口 的平衡常数： K= （H2% X CO%） / （ H2C X CC） =12 查小 合成氨厂工艺技术与设计手册可知K=12 时温度为397 。 中变的平均温距为397 -365 =32中变的平均温距合理，故取的 H2O/CO 可用。 3. 中变炉一段催化床层的物料衡算 假设 CO 在一段催化床层的实际变换率为60 。 因为进中变炉一段催化床

15、层的变换气湿组分：组 分 含量，M （ 标 ） koml3CO2 6.86 474 21.16CO 8.16 563.86 25.172H2 39.8 2750.68 122.798N2 16.12 1113.9 49.73O2 0.24 16.29 0.727CH4 0.27 18.763 0.838H 2O 28.56 1973.52 88.1合计 100 6911.02 308.53假使 O2 与 H2 完全反应，O2 完全反应掉故在一段催化床层反应掉的CO 的量为：760% X 563.86=338.318M3（标）=15.1koml 出一段催化 床层的 CO 的 量为：563.86-

16、338.318=225.545 M （ 标 ）=10.069koml 故在一段催化床层反应后剩余的H2 的量为 :2750.68+338.318-2 X 16.29=3056.41 M （ 标）=136.447koml 故在一段催化床层反应后剩余的 CO2的量为：474+338.318=812.318 M3（ 标）=36.26koml 出中变炉一段催化床层的变换气干 组分：组 分 含量 M （ 标 ） koml 3 3 3CO2 15.54 812.318 36.26CO 43.1 225.545 10.069H2 58.47 3056.41 136.447N2 21.13 1113.9 49

17、.73CH4 0.35 18.76 0.838合计 100 5226.94 233.35剩余的 H2O 的量为：1973.52-338.318+2 X 16.29=1667.79M3（标）=74.45koml 所以出中 变炉一段催化床层的变换气湿组分：组 分 含量 M （ 标 ） koml 3CO2 11.78 812.318 36.26CO 3.27 225.545 10.069H2 44.33 3056.41 136.447N2 16.16 1113.9 49.73CH4 0.27 18.76 0.838H 2O 24.19 1667.79 74.45合计 100 6894.73 307.

18、8对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行计算：已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（）：组 分 含量 M （ 标 ） koml3CO2 11.78 812.318 36.26CO 3.27 225.545 10.069H2 44.33 3056.41 136.447N2 16.16 1113.9 49.73CH4 0.27 18.76 0.838H 2O 24.19 1667.79 74.45合计 100 6894.73 307.8对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：根据：K=（H2% X CO薪）/ （ H2O X CC）计算得 K=6.6 查 小合成氨厂工艺技术与设计手册知

19、当 K=6.6 时 t=445 设平均温距为30，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：445 -30 =415 4 中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：进中变炉温度：3358出变炉一段催化床层的变换气温度为：415 c反应放热Q:在变化气中含有 CO, H2QO2， H2 这 4 种物质会发生以下2 种反应：CO +H2O=CO2+H2 O2 + 2H2= 2 H2O 这 2 个反应都是放热反应。为简化计算，拟采用统一基准焓（或称生成焓）计算。 以 P=1atm， t=25 为基准的气体的统一基准烙计算式为：HT=AH 298=Cpdt式中HT气体在0（ 1-1 ）（ 1-2 ）/T在 TK

20、 的 统 一 基 准 焓 ，298kcal/kmol（4.1868kJ/kmol） ； H0298 该 气 体 在 25 下 的 标 准 生 成热，kcal/kmol（4.1868kJ/kmol） ； T 绝对温度，K；Cp 气 体 的 等 压 比 热容 ， kcal/ （ kmol. ） 4.1868kJ/（ kmol. ） 气体等压比热容与温度的关系有以下经验式：Cp=A0+A1 X T+A2X T2+A3X T3+ 式中A0、A1、A2、A3气体的特性常数将式代入式积分可得统一基准给的计算通式：Ht=a0+a1 x T+a2X T2+a3X T3+a4X T4式中常数a0、 a1、 a2

21、、 a3、 a4 与气体特性常数及标准生成热的关系为：a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4,a4=A3/4a0= H0298 298.16a1 298.162 Xa2298.163 x a3298.164 x a4 采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算，不必考虑系统中反应如何进行，步骤有多少，只要计算出过程始态和末态烙差，即得出该过程的总热效果。HK汇ni xHi）始一（汇ni xHi）末 式中 H 一过程热效应，其值为正数时为放热，为负数时系统为吸热，kcal ；（ 4.1868kJ ） ; ni 始态或末态气体的千摩尔数，kmol；9气 体 的 统 一 基 准 焓 ， kcal/

22、kmolHi 始 态 温 度 下 或 末 态 温 度 下 ； I 4.1868kJ/kmol )现将有关气体的计算常数列于下表中气体统一基准焓(通式)常数表分子式 O2 H2 H2O N2 CO CO2 a0 1.90318 X 10a1 5.802983a2 2.15675-3a3 -7.40499-7-7a4 1.08808310X 10 4.8459 X 101010-2.11244 X 10 -6.0036 X 107.20974 7.11092-5.5584 X 10 1.2932 X 104-8.18957 X 10 -5.78039 X 10 -7.65632 X 10 -4.1

23、4272 X 10 0.00 1131.28506 X 10 2.03296 X 10 5.04519 X10 -1.135 X 107 11-1.97673 X 10 -2.83637 X 10 -96377.888676.45903 6.26627 6.3965.18164 X 10 8.98694 X 10 5.05 X 1037 11449 116计算O2的基准次含：根据基准给的计算通式：Ht=a0+a1 x T+a2XT2+a3XT3+a4XT4在415时T=415+273=683K 查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表：组分 Ht ( kcal/kmol ) Ht ( kJ/k

24、mol ) O2 6699.742 28050.412 H2 2724.221 11405.77H2O -54502.665 -228191.759 CO -23634.754 -98953.987 CO2 -89956.67833 -376630.6208放热：CO +H2O=CO2+H21) H1=（汇 Hi）始-（汇 Hi ） 末 =-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759 =-38079.10484kJ/koml Q1=15.1 X （-38079.10484 ） =-575121.414kJ O2 + 2H2= 2 H2O（2）Q2= H2

25、=（汇 ni x Hi ）始（汇 ni x Hi ）末=-368924.3632kJ 气体共放热： Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ 气体吸热Q3：根据 物理化学知 CO,H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热容。热容的单位为kJ/ （ kmol. ）查表可得：10物质 a b/10 c/10-3CO 28.41 4.1 -0.46H2 27.28 3.26 0.502H 2O 30 10.71 0.33CO2 44.14 9.04 -8.53N2 27.87 4.27 -5Cpm= 汇 Yi*Cp

26、=34.06 KJ/ （ kmol. C ） 所以 气体吸热 Q3=34.06*307.8*（415-330）=891111.78kJ 假设热损失Q4 根据热量平衡的：Q= Q3 +Q4Q4=52934.965 kJ 5.中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.5 ,与公式 XP= V=KPAB-CDq= U2 ? 4WVU=KP（ A+B） +（ C+D） ， W=KP-1 其中A、 B、 C、 D 分别代表CO、 CO2、 CO2 及 H2 的起始浓度t 300 320 340 360 380 T 573 593 613 633 653 Xp 0.9012 0.8737 0.8424 0

27、.80740.7687 t T Xp 420 693 0.6859 440 713 0.6416 460 733 0.5963U ?q X 100% 2 AW400 673 0.7058中变炉催化剂平衡曲线如下： 11 1 0.8 转化率 Xp 0.6 中变炉平衡曲线0.4 0.2 0 250 300 320 340 360 380 400 420 440 460温度 （）6 . 最佳温度曲线的计算由于中变炉选用C6 型催化剂，最适宜温度曲线由式Te 进行计算。 RTe E2 1+ ln E 2 ? E1 E1查小合成氨厂工艺技术与设计手册C6 型催化剂的正负反应活化能分别为E1=10000千

28、卡/公斤分子，E2=19000 千卡 /公斤分子。最适宜温度计算列于下表中：Xp T t Xp T t XpT t 0.9012 526 253 0.67 638.2 365.2 0.49 702.6 429.6 0.8737 546.8 273.8 0.64 649.4 376.4 0.45 716.6 443.6 0.8424 564.2 291.2 0.61 660.7 387.3 0.8074 581.5 308.5 0.58 671 398 0.7687 598.8 325.8 0.55 681.6 408.6 0.7058 624.5 351.5 0.52 692.6 419.6将

29、以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图： 12 1 0.9 0.8转化率 Xp 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 253 274 291 309 326 352 365 376 387 398 409 420 430 444 最适宜温度线温度（）7 操作线计算有中变催化剂变换率及热平衡计算结果知：中变炉人口气体温度中变炉出口气体温度中变炉入口CO 变换率 中变炉出口CO 变换率 335 415 0 60%由此可作出中变炉催化剂反应的操作线如下：70 60 50 40 30 20 10 0 330 415温度 ()转化率 Xp操作线8 中间冷淋过程的物料和热量衡算：此过程

30、采用水来对变换气进行降温。13以知条件：变换气的流量：307.8koml 设冷淋水的流量：X kg 变换气的温度：415冷淋水的进口温度：20 进二段催化床层的温度：353操作压力：1750kp 热量计算：冷淋水吸 热 Q1 ： 据 冷淋水的进口温 度 20 查 化工热 力学 可知 h1 =83.96kJ/kg 根据化工热力学可知T/k 600 600 700 700 P/kPa 1600 1800 1600 1800 H/(kJ/kg) 3693.23691.7 3919.7 3918.5冷淋水要升温到353 ， 所以设在353 , 615K,1750kp 时的焓值为h 对温度进行内查法：

31、1600kpa 时 (626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09 kJ/kg 1800kpa时 (626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h) h=3750.668 kJ/kg对压力用内差法得353，615K， 1750Kp 时的焓值h 为： (1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kJ/kg Q1= X( 3813.244875-83.96) 变换气吸热Q2 根据表 5-1.2 和表 5-1.3的计算方法得：物质 CO

32、CO2 H2 H 2O N2 CH414Cp 31 48.2 29.6 37.2 30.7 56.1所以 Cpm=汇 Yi*Cp =33.92 kJ/ (kmol. C) Q2=308.53*33.92*(415-353)取热损失为0.04 Q2 根据热量平衡：0.96 Q2=X(3751.0235-83.96)X=169.46kg=9.415kom1=210.88 M3(标)所以进二段催化床层的变换气组分：水的量为：210.88+1667.79=1878.67 M( 标 ) 组 分 含量 M3( 标 ) koml CO211.432 812.318 36.265 CO3.17 225.545

33、 10.068 H2 43.01 3056.413 136.45 N2 15.68 1113. 9 49.73 CH40.26 18.76 0.838 H 2O 26.44 1878.67 83.87 合计 100 7105. 61 317.2 239 中变炉二段催化床层的物料衡算：设中变炉二段催化床层的转化率为0.74 (总转化率)所以在二段CO 的变化量563.86*0.74=417.26 M3(标 ) 在中变炉二段催化床层的转化的 CO 的量为：225.545-(563.86-417.26 )=78.94M3(标)=3.52koml 出中变炉二段催化床层的CO 的量为：225.545-7

34、8.94=146.605 M3( 标 ) 故在二段催化床层反应后剩余的CO2 的量为： 812.318+78.94= 891.26M3( 标 ) 故在二段催化床层反应后剩余的H2 的量为：3056.413+78.94= 3135.353M3( 标 ) 故 在 二 段 催 化 床 层 反 应 后 剩 余 的 H2O 的 量 为 ： 1878.67-78.94= 1799.73M3(标)所以出中变炉的湿组分：组分含 量% M3(标)CO212.54891.26 CO 2.06 146.605 H2 44.125 3135.353 N2 15.67 1113. CH4 0.26 18.76 H 2O

35、 25.33 1799.73 合计 100 7105.159 koml 39.788 6.545 139.971 49.73 0.838 80.3456 317.2 2对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算： 根据：K= (H2% X CO薪)/ (H2%X CO)计算得 K=10.6 查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当K=10.6 时 t=409 设平均温距为48 ，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：409 -44 =365 10. 中变炉二段催化床层的热量衡算：以知条件：进变炉二段催化床层的变换气温度为：353出变炉二段催化床层的变换气温度为：365变换气反应放热Q1: 计算变换气中各

36、组分的生成焓，原理与计算一段床层一样，平均温度为：632K, 计算结果如下：H2 组分 Ht ( kcal/kmol )2373.4 H(t kJ/kmol ) 9936.95 放热： H2O -54949.05 -230060.69 ( 1) =-38553.74846 kJ/kg CO -24005.565 -100506.5 CO2 -90536.421 -379057.89CO +H2O=CO2+H2 H1=(汇 Hi)始一(汇 Hi)末Q1=3.52*38553.74846=135580.683 kJ/kg 气体吸热Q2： 根据物理化学知CO, H2,H2O, CO2, N2 ，可用

37、公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热容。 热容的单位为kJ/ ( kmol. ) 表5-1.2 物质 a b/10-3 c/10-5 CO 28.41 4.1 -0.46H2 H2O CO2N2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04 -8.53 CH4 可用公式Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：16物质 CH4 计算结果：组分 CO Cp 28.56a 17.45 H2 29.25b 60.46 CO2 47.3 H2O 36.78c 1.17 N2 30.31d -7.2 CH4 53.72Cpm=汇Yi*Cp=3

38、3.61KJ/ (kmol. C) Q2=33.61*317.22*(365-353 ) =12789.1kJ 热损失：Q3=Q1-Q2=7641.6 kJ17第二节1 . 已知条件：进低变炉的湿组分: 组 分 含 量 3 M ( 标 ) koml CO2 12.54 891.2639.788 CO 2.06 146.605 6.545低变炉的物料与热量计算H2 44.125 3135.353 139.971N2 15.67 1113. 9 49.73CH4 0.26 18.76 0.838H 2O 25.33 1799.73 80.345合计 100 7105. 6 317.2 2进低变炉的

39、干组分：组 分 含量 M ( 标 ) koml 3CO2 16.79 891.26 39.788CO 2.76 146.605 6.545 H2 59.09 3135.353 139.971 N2 20.99 1113.9 49.72CH4 0.35 18.76 0.838合计 100 5305.91 236.872 .低变炉的物料衡算：要将CO%降到0.2 % （湿基）以下，则 CO的实际变换率为：X =Ya ? Ya ' x 100=90.11 % Ya （1 + Ya '）3则反应掉的 CO的量为：146.605 X 90.11 %=132.11 M （标）=5.898

40、koml出低温变换炉CO 的量：146.605-132.11=14.495M3（标）=0.64722koml 出低温变换炉 H2 的量：3135.353+132.11=3267.463M3（ 标 ）=145.869 koml 出 低 温 变 换 炉 H2O 的 量 ：1799.73-132.11=1667.62M3（ 标 ）=74.45koml 出 低 温 变 换 炉 CO2 的 量 : 891.26+132.11=1023.37 M3（ 标 ）=45.68koml 出低变炉的湿组分：组 分 含量 M （ 标 ） koml 3CO2 14.4 1023.37 45.68CO 0.2 14.49

41、5 0.64722H2 45.98 3267.463 145.869N2 15.68 1113.9 49.72CH4 0.26 18.76 0.838H 2O 23.47 1667.62 74.45合计 100 7105.62 317.22出低变炉的干组分：组 分 含量 M （ 标 ） 3CO2 18.82 1023.37CO 0.27 14.495 0.64722H2 60.08 3267.463N2 20.48 1113.9CH4 0.35 18.76合计 100 5437.99 koml 45.68145.86949.720.838242.767对出低变炉的变换气温度进行估算：18根据：

42、K= （H2%XCO薪）/ （H2% XCO0 计算得K=141.05 查小合成氨厂工艺与设计手册知当K=141.05 时 t=223 设平均温距为20 ，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：t=223-20=203 3 低变炉的热量衡算：以知条件：进低变炉催化床层的变换气温度为：181 出低变炉催化床层的变换气温度为：203 变换气反应放热Q1: 在 203 时， T=476K 计算变换气中各组分的生成焓，原理与计算一段床层一样，平均温度为：476K, 计算结果如下：组分 H2 Ht kcal/kmol ）1241.516 （ Ht （ kJ/kmol ） 5197.977 放热： H2OC

43、O CO2 -56347.304 -25178.916 -92311.594 -2359149.084 -105419.084 -386490.181（ 1）=-39958.286 kJ/kg CO +H2O=CO2+H2 H1=（汇 Hi）始一（汇 Hi）末Q1=5.898*39958.286=235687.29 kJ/kg 气 体吸热Q2：气 体吸热 时的平 均温 度：（ 181+203） /2=191.5 ，T=464.5K 根据物理化学知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT-2 来计算热容。 热容的单位为kJ/ （ kmol. ） 表 5-1.2

44、物质 a b/10-3c/10-5 CO 28.41 4.1 -0.46H2 H2O CO2N2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04 -8.53 CH4 可用公式Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：19表 5-1.3 物质 CH4 计算结果：组分 Cp CO 30.1 H2 29.03 CO2 44.39 H 2O 35.13 N229.85 CH4 45.05 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d -7.2Cpm=汇Yi*Cp=32.86kJ/ （kmol. C） Q2=33.61*317.22*（203

45、-181 ） =230669.84kJ 热损失 Q3=Q1-Q2=235687.29-230669.84=5017.45 kJ 4 低变炉催化剂平衡曲线根据公式XP=V=KPAB-CD q= U 2 ? 4WV U=KP（A+B）+ （ C+D W=KP-1 U ?q X 100% 2 AW其中 A、 B、 C、 D 分别代表CO、 CO2、 CO2 及 H2 的起始浓度t T Xp t T Xp 160 433 0.9769280 553 0.76 180 453 0.9623 200 473 0.9389 220 493 0.9121 240 513 0.8732 260 533 0.82

46、29 低变炉催化剂平衡曲线如下：1.2 1 转化率 Xp 0.8 0.6 0.4 0.2 0 160 180 200 220 240温度 （）260 280 低变炉平衡曲线205. 最佳温度曲线的计算由于低变炉选用B302 型催化剂。查小合成氨厂工艺技术与设计手册B302型催化剂的正反应活化能分别为E1=43164kJ/koml CO变化反应的逆反应活化能 E2 为： E2- E1=r*（- H） 对于 CO 变换反应r=1 ， 则 E2=（- H） + E1 H 为反应热，取其平均温度下的值， 即：（181+203） /2=192 C, T=465K CO的反应式为：CO +H2O=CO2+

47、H2反应热是温度的函数，不同温度下的反应热可以用以下公式计算： H=-1000-0.291*T+2.845 X10-3叮2-0.97.3X 10-3T3 得 ： H=-9422.62kcal/kmol=-39450.653 kJ/kmol E2 =39450.653+43164=82614.653 kJ/kmol 6最适宜温度曲线 由式 Tm= Te 进行计算RTe E2 1+ ln E 2 ? E1 E1最适宜温度计算列于下表中：Xp T t Xp T t 0.9769 402 129 0.76 510 237 0.9623 421148 0.9389 440 167 0.9121 457

48、184 0.8732 475 201 0.8229 493 220将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图： 211.2 1 转化率 Xp 0.8 0.6 0.4 0.2 0 129 148 167 184 201 220 237温度 （） 最适宜温度曲线22 第三节废热锅炉的热量和物料计算1 已知条件：进废热锅炉的转化气组份：组份 M （ 标 ） koml3CO2 7.54 474CO 8.97 H2 43.76 N2 17.72 CH4 0.29 O2 0.26 H2O 21.7 合计 100 563.87 2750.68 1113.9 18.76 16.29 1364.55 6285.75

49、 0.838 0.728 60.917 280.614 21.161 25.173 122.798 49.73进废热锅炉的温度为：925出废热锅炉的温度为：335 进出设备的水温：20 出设备的水温：335进出设备的转化气(湿)： 168.3koml 进出设备的水量：X koml 物量在设备里无物量的变化。2. 热量计算：( 1 ) 入热： 水的带入热Q1 水在 20 时 Cp=33.52kJ/ ( kmol. )Q1=X*( 20+273) *33.52 =9821.36X 转化气的带入热Q2： 转化气在925 时 T=1193K 根据物理化学知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可

50、用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热容。 热容的单位为kJ/ ( kmol. ) 表 5-1.2 物质 a b/10-3 c/10-5 CO28.41 4.1 -0.46H2 H2O CO2 N2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04 -8.53 23CH4 可用公式Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：表 5-1.3 物质 CH4 计算结果：组分 CpCO 33.27 H2 31.2 CO2 54.33 H2O 42.8 N2 32.96 CH4 78.94 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d -7.2

51、Cpm=汇Yi*Cp=36.4kJ/(kmol. C) Q2=36.4*280.62*(920+273) =12185577.7kJ(2)出热： 转化气的带出热： Q3=32.66 X 280.62 X (330+273) =5526711.3KJ 转化气在 335 c 时 T=608K-2 根据物理化学知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ,可用公式：Cp=a+b+CT来计算热 容。 热容的单位为kJ/ ( kmol. ) 表 5-1.2 物质 a b/10-3 c/10-5 计算结果：组分 Cp CO 30.76 H2 29.38 CO2 47.25 H 2O 36.55 N2 3

52、0.44 CH4 52.73 CO 28.41 4.1 -0.46H2 H2O CO2 N2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04 -8.53 Cpm=汇Yi*Cp=32.66kJ/(kmol. C) Q3=32.66*280.62*(330+273) =5526711.265kJ 水的带出热Q4: 水在 335 ，T=603K 时的热容为：Cp=36.55 kJ/ ( kmol. )Q4=X*36.55*( 330+273) =22039.65X 热损失 Q5: Q5=0.04*(Q1+ Q2) 热量平衡：240.96*(Q

53、1+Q2)= Q3+ Q4 0.96 ( 9821.36X +12185577.7 ) =22039.65X+5526711.265X=489.365koml 3. 水 蒸 汽 的 加 入 ： 要 使 H2O/CO=3.5 还 要 加 入 的 水 量 为 ： (1973.52-1364.55 ) + 22.4=27.187koml 25第四节1. 已知条件：主换热器的物料与热量的计算进出设备的变换气的量：190.33koml 进出设备的水的量：Xkoml 物料的量在设备中无变化。 温度： 变换气进设备的温度：365 变换气出设备的温度：250水进设备的温度：水出设备的温度：2. 热量计算：(

54、1) 入热： 变换气带入热:Q1 变换气在365 时根据物理化学CO, H2, H2O, CO2, N2 ， 知 可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热容。热容的单位为 kJ/ ( kmol. ) 表 5-1.2 物质 a b/10-3 c/10-5 CO 28.41 4.1 -0.46H2 H2O CO220 90 N2 27.87 4.2727.28 3.26 0.50230 10.71 0.3344.14 9.04 -8.53CH4 可用公式Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：表 5-1.3 物质 CH4 计算结果：组分 CpCO 33.27 H2 31.2 CO254.33 H 2O 42.8 N2 32.96 CH478.94 a 17.45 b 60.46 c 1.17 d -7.2Cpm=汇 Yi*Cp=33.94kJ/(kmol. C) Q1=317.22*33.94*(365+273) =6868920.88kJ26水 的 带 入 热 Q2: 水 在 20 时 Cp=33.52 kJ/ ( kmol. )Q2=X*(20+273)*33.52=98