年产三万吨合成氨厂变换工段工艺设计

1、毕业设计任务书一设计要求：1. 进行工段工艺流程设计，绘制带主要控制点的工艺流程图。2. 进行工段物料计算、热量计算，并绘制物料衡算表、热量衡算表 。3. 进行工段设备设计、选型，制备设备一览表。4. 编写工段工艺初步设计说明书。5. 绘制主要设备结构图和工艺流程图设计原始数据：以在某化工厂的实际数据为原始数据组 分CO2COH 2N2O2CH 4合计含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100目录4前言41.42.43. 54.55.6第一章物料与热量衡算7172CO8394.1051161771781992310.241129122913.30143115.34163

2、417.36第二章设备的计算371.372. 4264950第一章物料与热量衡算已知条件：组 分CO2COH 2N2O2CH 4合计含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100计算基准： 1 吨氨计算生产 1 吨氨需要的变换气量：（ 1000/17）× 22.4/（ 2× 22.56）=2920.31 M3(标 )因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取2962.5 M3(标)年产 3 万吨合成氨生产能力（一年连续生产330 天）：日生产量： 30000/330=90.9T/d=3.79T/h要求出中变炉的变换气干组分中CO小于 2。进中变炉的

3、变换气干组分：组 分CO2COH 2N2O2CH 4合计含量，9.611.4255.7122.560.330.38100M3(标)284.44338.321650.41668.349.7811.262962.50kmol12.69615.10373.67929.8370.4360.503132.25假设进中变炉的变换气温度为330，取变化气出炉与入炉的温差为35，出炉的变换气温度为365。进中变炉干气压力P中 =1.75Mpa.1水气比的确定 ：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） =3.5 V 水=1184.113m3(标) ，n(水 )=52.862k

4、mol因此进中变炉的变换气湿组分组分CO2COH2N 2O2CH 4H2 O合计含量6.868.1639.8016.120.240.2728.56100M3(标)284.42338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.122. 中变炉 CO的实际变换率的求取：假定湿转化气为 100mol，其中 CO 湿基含量为 8.16，要求变换气中 CO 含量为 2，故根据变换反应：CO+H2OH2 +CO2，则 CO 的实际变换率公式为：X p= YaYa × 100（2-1

5、）Ya 1Ya式中 Ya 、 Ya' 分别为原料及变换气中CO 的摩尔分率（湿基）所以： X p= 8.166.0410010028.16=74则反应掉的 CO 的量为：8.16×74 =6.04则反应后的各组分的量分别为：H2O=28.56-6.04 +0.48=23CO=8.16 -6.04=2.12H2 =39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86 +6.04=12.9中变炉出口的平衡常数：Kp= （ H2× CO2 ） /（H2O× CO） =12查 小合成氨厂工艺技术与设计手册可知 Kp=12 时温度为 397。中变的平均温距为39

6、7-365=32根据合成氨工艺与节能可知中温变换的平均温距为：30到 50，中变的平均温距合理，故取的H2O/CO 可用。3中变炉催化剂平衡曲线根据 H2O/CO=3.5，与文献小合成氨厂工艺技术与设计手册上的公式X P= Uq ×1002AWV=K PAB-CDq=U 24WVU=K P（ A+B ） +（ C+D）W=K P-1其中 A、B、C、D 分别代表 CO、H2O、CO2 及 H2 的起始浓度计算结果列于下表：t300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t42044

7、0460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：pX率化转OC1009080706050403020100300350400450500温 度（）4. 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 TmTe进行计算。RTelnE21E1E1E2查 3000 吨合成氨厂工艺和设备计算C6 型催化剂的正负反应活化能分别为E1=10000 千卡 /公斤分子， E2=19000 千卡 /公斤分子。最适宜温度计算结果列于下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581

8、.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：10.90.80.7pX0.6率化0.5转O0.4C0.30.20.10250270290310330350370390410430450温 度（）5中变炉一段催化床层的物料衡算已知条件：进中变炉一段催化床层的变换气的温度为330进中变炉一段催化

9、床层的变换气湿组分：组 分CO2COH2N2O2CH 4H 2O合计含量6.868.1639.816.120.270.2428.56100M3(标)284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.125.1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：60× 338.318=202.9908 M3(标)=9.062kmol出一段催化床层的CO

10、的量为：3338.318-202.9908=135.3272 M (标 )=6.0414kmol故在一段催化床层反应后剩余的H2 的量为：1650.409+202.9908-2×9.776=1833.8478 M3(标)=81.868kmol故在一段催化床层反应后剩余的CO2 的量为：284.4+202.9908=487.3908 M3(标)=21.758kmol故出中变炉一段催化床层的变换气干组分的体积：V 总（干） =135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258=3136.1638 M3 (标)故出中变炉一段催化床层的变换气干组分中CO 的含

11、量：135.3272CO =4.31%3136.1638同理得：487.3908CO2=15.54%1833.8478H2=58.47%487.3908CO2=15.54%668.34N2=21.13%3136.163811.258CH4=0.35%3136.1638所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH 2N2CH 4合计含量15.544.3158.4721.130.35100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.253136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的 H2O 的量为：1184.113-202

12、.9908+2×9.776=1000.6742 M3(标)=44.6729kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积：V 总（湿） =135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258+1000.6742=4136.838 M3(标)=184.68kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中H2O 的含量H2O= 1000.6742=24.19%4136.838故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2 的含量CO2 =15.54%1=11.780.1554同理可得：CO=0.0413=3.2710.0413H2=0.584710.5847

13、=44.33N=0.21132=16.1610.2131CH4=0.0035 =0.27100035所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（）：组 分CO 2COH2N2CH4H 2O合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2 对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行估算：已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（）组 分CO 2COH2N2CH4H 2O合计含量11.783.2

14、744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根据： Kp= （ H2× CO2 ） /（H2O× CO）计算得 K=6.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=6.6 时 t=445设平均温距为35，则出中变炉一段催化床层的变换气温度为：445 -35 =4155.3 中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：进中变炉一段催化床层的变换气温度：330出中变炉一段催化床层的变换气温度为：415可知反应放热

15、Q：在变化气中含有CO，H2O，O2，H2 这 4 种物质会发生以下2 种反应：CO +H O=CO +H2（ 1）22O2 + 2H2= 2 H2O（ 2）这 2 个反应都是放热反应。根据小合成氨厂工艺技术与设计手册可知为简化计算，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焓计算式为：HT= H0298=Cpdt式中：HTT 气体在在 TK 的统一基准焓， kcal/kmol(4.1868kJ/kmol) ；298 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，

16、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+A 1×T+A 2×T2+A 3×T3 +式中 A 0、 A 1、A 2、A 3 气体的特性常数将式代入式积分可得统一基准焓的计算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4(5-1)式中常数 a0、a1、 a2、a3、a4 与气体特性常数及标准生成热的关系为：a =A ,a =A1/2,a =A3/4,1023a4=A 3/400298.16a 1298.1623×a3298.1

17、64×a4298× a2298.16a =H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焓差，即得出该过程的总热效果。 H=（ ni×Hi ）始 （ ni ×Hi ）末(5-2)式中 : H 过程热效应， 其值为正数时为放热，为负数时系统为吸热，单位： kcal；（4.1868kJ）;ni 始态或末态气体的千摩尔数，kmol；Hi 始态温度下或末态温度下；Hi 气体的统一基准焓， kcal/kmol ，（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5-

18、1.1分 子a0a1a2a3a4式O235.80298 3 7 101.90318 × 102.15675 ×10- 7.40499 ×101.08808 ×10H 2- 2.11244 ×1037.20974 47 11-5.55838 × 104.8459×10-8.18957 × 10H 2O47.110923 7 11-6.0036 ×101.29319× 101.28506× 10-5.78039 × 10N 2-1.97673 × 1036.459034

19、 7 115.18164× 102.03296× 10-7.65632 × 10CO-2.83637 × 1046.266274 9 118.98694× 105.04519× 10-4.14272 × 10CO2-96377.888676.396 3 60.005.05× 10-1.135× 10计算 O2 的基准焓：根据基准焓的计算通式：Ht=a0+a1 ×T+a2×T2+a3×T3+a4× T4在 415时 T=415+273=683K将 O2 的常数带入上式

20、得：Ht=1.90318 × 103+5.80298×683+2.15675 ×10 3×6832 - 7.40499 ×107×6833 +1.08808 ×10 10×6834=6699.742kcal/kmo=28050.412 kJ/kmol同理根据以上方法计算可得变换气的各个组分的基准焓列于下表组分O2H 2H 2OCOCO2Ht （ kcal/kmol ）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.678Ht （ kJ/kmol ）28050.41211405.

21、772-228191.759-98953.987-376630.620放热：CO +H22+H2（ ）O=CO1 H1=（ Hi ）始 （ Hi）末 =-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/ kmolQ1= 9.062 ×（ -38079.10484 ）=-345072.8481kJO2 + 2H2= 2 H2O（2）Q2=H 2=（ ni× Hi ） 始（ ni × Hi ） 末=-221354.6179kJ气体反应共放热：Q=Q1+Q2 =345072.8481+221354.617

22、9=566427.4659kJ气体吸热 Q3根据物理化学教程知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.T ）表 5-1.2物质COH2H 2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87-34.13.2610.719.044.27b/10c/10 5-0.460.5020.33-8.53-23来计算热容 :CH4 可用公式： Cp=a+b+CT +dT表 5-1.3物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH 417.4560.461.117-7.2计算结果得：物质COCO2H 2H2 ON2CH4

23、Cp3148.229.637.230.756.1所以平均热容：Cpm= Yi*Cp=34.06KJ/（kmol.T ）所以气体吸热Q3=34.06×184.68×(415-330)=534667.068kJ假设热损失 Q4（一般热损失都小于总热量的10%）根据热量平衡的：Q= Q3 +Q4Q4=31760.979 kJ6 中变一段催化剂操作线的计算有中变一段催化剂变换率及热平衡计算结果知：中变炉入口气体温度330中变炉出口气体温度415中变炉入口 CO 变换率0中变炉出口 CO 变换率60%由此可作出中变炉催化剂反应的操作线如下：1009080p70X60率化 50转40O

24、C3020100300350400450温 度（）7中间冷凝过程的物料和热量计算：此过程采用水来对变换气进行降温。以知条件：变换气的流量： 184.68koml设冷凝水的流量： X kg变换气的温度： 415冷凝水的进口温度： 20进二段催化床层的温度：353操作压力： 1750kp冷凝水吸热Q1 ：据冷凝水的进口温度20查化工热力学可知h1=83.96kJ/kg根据化工热力学可知：T/KP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷凝水要升温到353，所以设在 353, 626K,1750kp 时的焓值为

25、 h对温度进行内查法：1600kpa 时(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09 kJ/kg1800kpa 时（ 626-600）/（h- 3691.7）=(700-626)/( 3918.5-h) h=3750.668 kJ/kg再对压力使用内查法得在353, 626K,1750kp 时的焓值 h 为：(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kJ/kgQ1= X( 3813.244875-83.96)变换气吸热 Q2根据表 5-1.2 和表 5-1.3

26、 得：物质COCO2H 2Cp3148.229.6所以 Cpm= Yi*Cp =33.92 kJ/（kmol.T ）H2ON2CH437.230.756.1Q2=184.68×33.92× (415-353)=388389.4272 kJ取热损失为 0.04 Q2根据热量平衡： 0.96 Q2= X(3751.0235-83.96)X=101.676kg=5.649 kmol3=126.53 M (标)3水的量为： 126.53+1000.6742=1127.2042M (标 )所以进二段催化床层的变换气组分：组 分CO 2COH2N 2CH 4H 2O合计含量11.432

27、3.1743.0115.680.2626.44100M3(标)487.39135.321833.84668.3411.261127.204263.37kmol21.766.04181.8729.830.5050.32190.338中变炉二段催化床层的物料与热量衡算已知条件：所以进中变炉二段催化床层的变换气干组分：组 分CO 2COH 2N2CH 4合计含量15.544.3158.4721.130.35100M3(标)487.39135.321833.84668.3411.263136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.018.1 中变炉二段催化床层的物料衡算：设

28、中变炉二段催化床层的转化率为0.74（总转化率）所以在 CO 的变化量为：338.318× 0.74=250.35532M 3(标)=11.7658 kmol在中变炉二段催化床层的转化的CO 的量为：135.3272-（ 338.318-250.35532）=47.36452M 3(标)=2.11 kmol出中变炉二段催化床层的CO 的量为：3135.3272-47.36452=87.96268 M (标 )=3.9269 kmol故在二段催化床层反应后剩余的CO2 的量为：3487.3908+47.364528= 534.75532M(标)=23.873 kmol故在二段催化床层反

29、应后剩余的H2 的量为：31833.8478+47.36452= 1881.21232M(标)=83.9826 kmol所以在二段催化床层反应后的变换气总量：V 总（干） =87.96268+534.75532+1881.21232+668.34+11.258=3183.528 M3 (标 )=142.1218 kmol所以出中变炉二段催化床层的变换气干组分：组 分CO 2COH 2N 2CH 4合计含量16.792.7659.0920.990.35100M3(标)534.7587.961881.21668.3411.263183.53kmol23.873.9383.9829.830.5014

30、2.12故在二段催化床层反应后剩余的H2O 的量为：31127.2042-47.36452= 1079.84M(标 )=48.207 kmol故出中变炉二段催化床层的变换气湿组分中CO 的含量：CO = 87.96264263.37=2.06%同理得：CO2= 534.755324263.37=12.54%H2= 1881.212324263.37=44.125%N2= 668.344263.37=15.67%CH4= 11.2584263.37=0.26%H2O= 1079.844263.37=25.33%所以出中变炉的湿组分：组 分CO 2COH 2N2CH 4H 2O合计含量12.542

31、.0644.12515.670.2625.33100M3(标)534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.32kmol23.873.9383.9829.830.5048.21190.33对出中变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：根据： Kp= （ H2× CO2 ） /（H2O× CO）计算得 Kp=10.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=10.6 时 t=409设平均温距为44，则出中变炉一段催化床层的变换气温度为：409 -44 =3658.2 中变炉二段催化床层的热量衡算：以知条件：进中变炉二段催化床层的变换气温度为：3

32、53出中变炉二段催化床层的变换气温度为：365变换气反应放热Q1:计算变换气中各组分的生成焓，原理与计算一段床层一样，使用公式5-1 及表5-1.1 计算平均温度为632K 时的生成焓。计算结果如下：组分H 2H2OCOCO2Ht （ kcal/kmol ）2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht （kJ/kmol ）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放热：CO +H222（ ）O=CO +H1 H1=（ Hi ）始 （ Hi ）末=-38553.74846 kJ/kg所以得：Q1=2.11*38553.74846=813

33、48.40955 kJ/kg气体吸热2Q ：根据物理化学教程知 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.T ）表 5-1.2物质COH 2H2 OCO2N 2a28.4127.283044.1427.87b/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 来计算热容 :物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH 417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH 2CO2H2ON 2CH 4Cp2

34、8.5629.2547.336.7830.3153.72所以得： Cpm= Yi*Cp=33.61 KJ/（kmol.T ）故： Q2=33.61×190.33×（ 365-353）=76763.46kJ热损失：Q3=Q1-Q2=4584.95 kJ9中变二段催化剂操作线计算由中变二段催化剂变换率及热平衡计算结果知：中变炉入口气体温度353中变炉出口气体温度365中变炉入口 CO 变换率60%中变炉出口 CO 变换率74%pX80706050率化 40转OC3020100352354356358360362364366温 度（）所以中变炉的操作线如图：pX100908070

35、60率化转OC50403020100300325350375400425温度（）中变换炉物料量平衡表组分进中变换炉的物料量/m 3出一段催化床层的物料量/m3CO2284.42487.39CO338.32135.33H21650.421833.84N2668.34668.34O29.77CH 411.2611.26H2 O1184.121000.67合计4146.614136.92组分进二段催化床层的物料量/m3出二段催化床层的物料量/m3CO2487.39534.76CO135.3287.96H21833.841881.21N2668.34668.34CH 411.2611.26H2 O11

36、27.201079.84合计4263.324263.32中变换炉一段热量平衡表反应放热 /kJ气体吸热 /kJ热量损失 /kJCO 反应： 345072.848O2 反应： 221354.6179534667.06831760.979总热量： 566427.4659中变换炉二段热量平衡表反应放热 /kJ气体吸热 /kJ热量损失 /kJ81348.4095576763.464584.9510. 低变炉的物料与热量衡算已知条件：进低变炉的湿组分：组 分CO 2COH 2N2CH 4H 2O合计含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(标)534.7687.96188

37、1.21668.3411.261079.844263.37kmol23.873.9383.9829.840.5048.21190.33所以进低变炉催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH 2N2CH 4合计含量16.792.7659.0920.990.35100M3(标)534.7687.961881.21668.3411.2583183.53kmol23.873.9383.9829.830.503142.1210.1 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 p = YaYa×100=90.11Ya 1Ya则反应掉的 CO 的量为：387.9

38、6268×90.11=79.264 M (标)=3.539 kmol出低温变换炉CO 的量：87.96268-79.264=8.69868 M3(标)=0.38833 kmol出低温变换炉H2 的量：31881.21232+79.264=1960.475 M(标 )=87.5213 kmol出低温变换炉H2O 的量：1079.84-79.264=1000.576 M3(标)=44.67 kmol出低温变换炉CO2 的量 :3534.75532 +79.264=614.019 M(标)=27.41 kmol出低变炉催化床层的变换气干组分的体积：V 总（干） =8.69868+1960.

39、475+614.019+668.34+11.258=3262.794 M3 (标 )=145.66 kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO 的含量：CO = 8.69868 =0.266%3262.794同理得：614.019CO2=18.82%1960.475H2=60.08%668.34N2=20.48%CH4= 11.258 =0.35%3262.794出低变炉的干组分：组 分CO 2COH2N 2CH 4合计含量18.820.2760.0820.480.35100M3(标)614.028.701960.48668.3411.263262.79kmol27.410.3987.52

40、29.830.50145.66出低变炉催化床层的变换气湿组分的体积：V 总（干） =8.69868+1960.475+614.019+668.34+11.258+1000.576=4263.37 M3(标)=190.33 kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO 的含量：CO = 8.69868100 =2.0%4263.37同理：CO2= 614.019100 =14.4%4263.37H2= 1960.475100 =45.98%4263.37N2= 668.34100 =15.68%4263.37CH4= 11.258100 =0.26%4263.37H2O= 1000.576 1

41、00 =23.47%4263.37所以出低变炉的湿组分：组 分CO 2COH 2N 2CH4H 2O合计含量14.40.245.9815.680.2623.47100M3(标)614.028.701960.48668.3411.261000.584263.37kmol27.410.3987.5229.830.5044.67190.33对出底变炉的变换气温度进行估算：根据： Kp= （H2× CO2） /（ H2O× CO）计算得 Kp=141.05查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=141.05 时 t=223设平均温距为20，则出中变炉一段催化床层的变换气温度为：t=223 20=20310.2 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，使用公式5-1 及表5-1.1 计算平均温度为476K 时的生成焓。计算结果如下：组分H22COCO2H OHt（kcal/kmol ） 1241.516-5634