年产三万吨合成氨厂变换工段工艺设计

/毕业设计任务书设计要求：进行工段工艺流程设计，绘制带主要限制点的工艺流程图。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。进行工段设备设计、选型，制备设备一览表。编写工段工艺初步设计说明书。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CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.6011.4255.7122.560.330.38100书目说明书………………………4前言…………………41.工艺原理…………42.工艺条件…………43.工艺流程的选择…………………54.主要设备的选择说明…………55.工艺流程的说明………………6第一章物料和热量衡算…………………71．水汽比的确定…………………72．中变炉CO的实际变换率的求取………………83．中变炉催化剂平衡曲线………94.最佳温度曲线的计算…………105．中变炉一段催化床层的物料衡算……………116．中变一段催化剂操作线的计算………………177．中间冷淋过程的物料和热量衡算……………178．中变炉二段催化床层的物料和热量衡算……199．中变二段催化剂操作线计算………………2310.低变炉的物料和热量衡算……………………2411低变催化剂操作线计算………2912低变炉催化剂平衡曲线………2913.最佳温度曲线的计算…………3014废热锅炉的物料和热量衡算…………………3115.水蒸汽的加入………………3416主换热器的物料和热量的衡算………………3417.调温水加热器的物料和热量衡算……………36其次章设备的计算……………371.中变炉的计算…………………372.主换热器的计算…………………42设计的综述……………6参考文献……………49致谢…………………50第一章物料和热量衡算已知条件：组分CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.6011.4255.7122.560.330.38100计算基准：1吨氨 计算生产1吨氨须要的变换气量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31M3(标)因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取2962.5M3(标)年产3万吨合成氨生产实力（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％。进中变炉的变换气干组分：组分CO2COH2N2O2CH4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℃，取变更气出炉和入炉的温差为35℃，出炉的变换气温度为365℃。进中变炉干气压力=1.75Mpa.1．水气比的确定：考虑到是自然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=3.5V水=1184.113m3(标)，n(水)=52.862kmol因此进中变炉的变换气湿组分组分CO2COH2N2O2CH4H2O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％，故依据变换反应：CO+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率公式为：Xp％=×100（2-1）式中、分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）所以：Xp==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％=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：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12查《小合成氨厂工艺技术和设计手册》可知Kp=12时温度为397℃。中变的平均温距为397℃-365℃=32℃依据《合成氨工艺和节能》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依据H2O/CO=3.5，和文献《小合成氨厂工艺技术和设计手册》上的公式XP=×100％V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-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：t300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：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进行计算。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：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：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℃进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：组分CO2COH2N2O2CH4H2O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和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=202.9908M3(标)=9.062kmol出一段催化床层的CO的量为：338.318-202.9908=135.3272M3(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=1833.8478M3(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=487.3908M3(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=3136.1638M3(标)故出中变炉一段催化床层的变换气干组分中CO的含量：CO％==4.31%同理得：CO2％==15.54%H2％==58.47%CO2％==15.54%N2％==21.13%CH4％==0.35%所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：组分CO2COH2N2CH4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：1184.113-202.9908+2×9.776=1000.6742M3(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=4136.838M3(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％==24.19%故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的含量CO2％==11.78％同理可得：CO％==3.27％H2％==44.33％N2％==16.16％CH4％==0.27％所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）：组分CO2COH2N2CH4H2O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CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68依据：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）计算得K=6.6查《小合成氨厂工艺技术和设计手册》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℃=415℃5.3．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Q：在变更气中含有CO，H2O，O2，H2这4种物质会发生以下2种反应：CO+H2O=CO2+H2（1）O2+2H2=2H2O（2）这2个反应都是放热反应。依据《小合成氨厂工艺技术和设计手册》可知为简化计算，拟接受统一基准焓（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：HT——气体在在TK的统一基准焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；△H0298——该气体在25℃下的标准生成热，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；T——确定温度，K；Cp——气体的等压比热容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/（kmol.℃）]气体等压比热容和温度的关系有以下阅历式：Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×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和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×a2－298.163×a3－298.164×a4接受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5-1.1分子式a0a1a2a3a4O21.90318×1035.802982.15675×10–3-7.40499×10–71.08808×10–10H2-2.11244×1037.20974-5.55838×10－44.8459×10－7-8.18957×10－11H2O-6.0036×1047.110921.29319×10－31.28506×10－7-5.78039×10－11N2-1.97673×1036.459035.18164×10－42.03296×10－7-7.65632×10－11CO-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计算O2的基准焓：依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的常数带入上式得：Ht=1.90318×103+5.80298×683+2.15675×10–3×6832-7.40499×10–7×6833+1.08808×10–10×6834=6699.742kcal/kmo=28050.412kJ/kmol同理依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O2H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.678Ht（kJ/kmol）28050.41211405.772-228191.759-98953.987-376630.620放热：CO+H2O=CO2+H2（1）△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/kmolQ1=9.062×（-38079.10484）=-345072.8481kJO2+2H2=2H2O（2）Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-221354.6179kJ气体反应共放热：Q=Q1+Q2=345072.8481+221354.6179=566427.4659kJ气体吸热Q3依据《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COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果得：物质COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1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%）依据热量平衡的：Q=Q3+Q4Q4=31760.979kJ6．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：7．中间冷凝过程的物料和热量计算：此过程接受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：Xkg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依据《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h对温度进行内查法：1600kpa时(626-600)/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09kJ/kg1800kpa时（626-600）/（h-3691.7）=(700-626)/(3918.5-h)h=3750.668kJ/kg再对压力运用内查法得在353℃,626K,1750kp时的焓值h为：(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235kJ/kgQ1=X(3813.244875-83.96)变换气吸热Q2依据表5-1.2和表5-1.3得：物质COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以Cpm=∑Yi*Cp=33.92kJ/（kmol.T）Q2=184.68×33.92×(415-353)=388389.4272kJ取热损失为0.04Q2依据热量平衡：0.96Q2=X(3751.0235-83.96)X=101.676kg=5.649kmol=126.53M3(标)水的量为：126.53+1000.6742=1127.2042M3(标)=50.3261kmol所以进二段催化床层的变换气组分：组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3(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和热量衡算已知条件：所以进中变炉二段催化床层的变换气干组分：组分CO2COH2N2CH4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的变更量为：338.318×0.74=250.35532M3(标)=11.7658kmol在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为：135.3272-（338.318-250.35532）=47.36452M3(标)=2.11kmol出中变炉二段催化床层的CO的量为：135.3272-47.36452=87.96268M3(标)=3.9269kmol故在二段催化床层反应后剩余的CO2的量为：487.3908+47.364528=534.75532M3(标)=23.873kmol故在二段催化床层反应后剩余的H2的量为：1833.8478+47.36452=1881.21232M3(标)=83.9826kmol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=3183.528M3(标)=142.1218kmol所以出中变炉二段催化床层的变换气干组分：组分CO2COH2N2CH4合计含量％16.792.7659.0920.990.35100M3(标)534.7587.961881.21668.3411.263183.53kmol23.873.9383.9829.830.50142.12故在二段催化床层反应后剩余的H2O的量为：1127.2042-47.36452=1079.84M3(标)=48.207kmol故出中变炉二段催化床层的变换气湿组分中CO的含量：CO％= =2.06%同理得：CO2％==12.54%H2％==44.125%N2％==15.67%CH4％==0.26%H2O％==25.33%所以出中变炉的湿组分：组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(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：依据：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）计算得Kp=10.6查《小合成氨厂工艺技术和设计手册》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℃=365℃8.2．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：353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，原理和计算一段床层一样，运用公式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H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht（kJ/kmol）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放热：CO+H2O=CO2+H2（1）△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末=-38553.74846kJ/kg所以得：Q1=2.11*38553.74846=81348.40955kJ/kg气体吸热Q2：依据《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COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72所以得：Cpm=∑Yi*Cp=33.61KJ/（kmol.T）故：Q2=33.61×190.33×（365-353）=76763.46kJ热损失：Q3=Q1-Q2=4584.95kJ9．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%所以中变炉的操作线如图：]中变换炉物料量平衡表组分进中变换炉的物料量/m3出一段催化床层的物料量/m3CO2284.42487.39CO338.32135.33H21650.421833.84N2668.34668.34O29.77——————————CH411.2611.26H2O1184.121000.67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/m3CO2487.39534.76CO135.3287.96H21833.841881.21N2668.34668.34CH411.2611.26H2O1127.201079.84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：345072.848534667.06831760.979O2反应：221354.6179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.低变炉的物料和热量衡算已知条件：进低变炉的湿组分：组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(标)534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.37kmol23.873.9383.9829.840.5048.21190.33所以进低变炉催化床层的变换气干组分：组分CO2COH2N2CH4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：p ％=×100=90.11％则反应掉的CO的量为：87.96268×90.11％=79.264M3(标)=3.539kmol出低温变换炉CO的量：87.96268-79.264=8.69868M3(标)=0.38833kmol出低温变换炉H2的量：1881.21232+79.264=1960.475M3(标)=87.5213kmol出低温变换炉H2O的量：=1000.576M3(标)=44.67kmol出低温变换炉CO2的量:534.75532+79.264=614.019M3(标)=27.41kmol出低变炉催化床层的变换气干组分的体积：V总（干）=8.69868+1960.475+614.019+668.34+11.258=3262.794M3(标)=145.66kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO的含量：CO％==0.266%同理得：CO2％==18.82%H2％==60.08%N2％==20.48%CH4％==0.35%出低变炉的干组分：组分CO2COH2N2CH4合计含量％18.820.2760.0820.480.35100M3(标)614.028.701960.48668.3411.263262.79kmol27.410.3987.5229.830.50145.66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=4263.37M3(标)=190.33kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO的含量：CO％==2.0%同理：CO2％==14.4%H2％==45.98%N2％==15.68%CH4％==0.26%H2O％==23.47%所以出低变炉的湿组分：组分CO2COH2N2CH4H2O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：依据：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）计算得Kp=141.05查《小合成氨厂工艺技术和设计手册》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=203℃10.2．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和计算一段床层一样，运用公式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H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）1241.516-56347.304-25178.916-92311.594Ht（kJ/kmol）5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放热：CO+H2O=CO2+H2（1）△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末=-39958.286kJ/kg所以：Q1=3.539×39958.286=141412.3742kJ/kg气体吸热Q2：气体吸热时的平均温度：（181+203）/2=191.5℃，T=464.5K依据《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COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容表5-1.3物质ab/10-3c/10-6b/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.129.0344.3935.1329.8545.05所以得：Cpm=∑Yi*Cp=32.86kJ/（kmol.T）故：Q2=32.86×190.33×（203-181）=138401.9044kJ热损失：Q3=Q1-Q2=141412.3742-138401.9044=3010.4698kJ低变换炉物料量平衡表组分进低温变换炉的物料量/m3出低温变换炉的物料量/m3CO2534.76614.02CO87.968.7H21881.211960.48N2668.34668.34CH411.2611.26H2O1079.841000.58合计4263.324263.32低变换炉热量平衡表反应放热/kJ气体吸热/kJ热量损失/kJ141412.3742138401.90443010.469811．低变催化剂操作线计算有低变二段催化剂变换率及热平衡计算结果知：低变炉入口气体温度181℃低变炉出口气体温度203℃低变炉入口CO变换率74%低变炉出口CO变换率90.11%12．低变炉催化剂平衡曲线依据公式XP=×100％V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、H2O、CO2及H2的起始浓度t160180200220240260T433453473493513533Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229t280T553Xp0.76低变炉催化剂平衡曲线如下：13.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和设计手册》B302型催化剂的正反应活化能分别为E1=43164kJ/kmolCO变更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℃，T=465KCO的反应式为：CO+H2O=CO2+H2由《小合成氨厂工艺技术和设计手册》可知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=kcal/kmol得：△H=-9422.62kcal/kmol=-39450.653kJ/kmolE2=39450.653+43164=82614.653kJ/kmol最适宜温度曲线由式Tm=进行计算最适宜温度计算结果列于下表中：Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229T402421440457475493t129148167184201220Xp0.76T510t237将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：14．废热锅炉的热量和物料衡算以知条件：进废热锅炉的转化气组份：组份CO2COH2N2CH4O2H2O合计％7.548.9743.7617.720.290.2621.7100M3(标)284.42338.321650.41668.3411.2589.78818.733771.45kmol12.7015.1073.6829.840.500.4436.55168.37进废热锅炉的温度为：920℃出废热锅炉的温度为：330℃进出设备的水温：20℃出设备的水温：330℃进出设备的转化气（湿）：168.3kmol进出设备的水量：Xkmol在设备里无物料的变更。热量衡算：入热：水的带入热Q1水在20℃时Cp=33.52kJ/（kmol.T）所以：Q1=X×（20+273）×33.52=9821.36X转化气的带入热Q2：转化气在920℃时T=1193K依据《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.T）表5-1.2物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94故Cpm=∑Yi*Cp=36.4kJ/（kmol.T）所以：Q2=36.4×168.37×（920+273）=7311346.618kJ（2）出热：转化气的带出热Q3：转化气在330℃时T=603K依据《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COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.7629.3847.2536.5530.4452.73所以：Cpm=∑Yi*Cp=32.66kJ/（kmol.T）因此：Q3=32.66×168.37×（330+273）=3316026.759kJ水的带出热Q4:水在330℃，T=603K时的热容为：Cp=36.55kJ/（kmol.T）所以得：Q4=X×36.55×（330+273）=22039.65X热损失Q5:Q5=0.04×(Q1+Q2)热量平衡：0.96×(Q1+Q2)=Q3+Q40.96（9821.36X+7311346.618）=22039.65X+3316026.759X=293.619koml废热锅炉热量平衡表带入热/kJ带出热/kJ热损失/kJ转换气7311346.6183316056.759————————水2883737.9026471259.993————————∑Q10195084.529787316.752407767.767715.水蒸汽的加入要使H2O/CO=3.5还要加入的水量为：（1184.113-818.73）÷22.4=16.312kmol16．主换热器的物料和热量的衡算已知条件：进出设备的变换气的量：190.33kmol进出设备的水的量：Xkmol物料的量在设备中无变更。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：20℃水出设备的温度：90℃热量计算：入热：变换气带入热:Q1变换气在365℃时依据《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COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.9129.4847.8136.9130.5954.61故：Cpm=∑Yi*Cp=33.94kJ/（kmol.T）所以：Q1=190.33×33.94×（365+273）=4121352.528kJ水的带入热Q2:水在20℃时Cp=33.52kJ/（kmol.T）所以得：Q2=X*(20+273)*33.52=9821.36*X出热：变换气在出口温度为250℃，T=523K时依据《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COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.3929.1745.7535.7230.148.35故：Cpm=∑Yi*Cp=33.14kJ/（kmol.T）所以得：Q3=33.14×523×190.33=3298841.433kJ水的带出热Q4:水在90℃时Cp=34.14kJ/（kmol.T）得：Q4=X*34.14*(90+273)=12392.82*X热损失Q5:取0.04Q依据热量平衡：0.96*（Q1+Q2）=Q3+Q4X=223.16kmol主换热器热量平衡表带入热/kJ带出热/kJ热损失/kJ转换气4121352.5283298841.433————————水2191734.6982765581.711————————∑Q6313087.2266064423.144248664.08217.调温水加热器的物料和热量衡算以知条件：入设备的变换气温度：250℃出设备的变换气温度：181℃进设备的湿变换气的量：190.33kmol变换气带入的热量：Q1=3298841.433kJ变换气带出的热Q2：变换气在181℃时T=454K时依据《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.T）表5-1.2物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.052944.135.0229.8144.46Cpm=∑Yi*Cp=32.62kJ/（kmol.T）得：Q2=190.33×32.62×454=2835274.946kJ设备及管道损失取：0.04Q1变换气放出的热量：Q=Q1-Q2-Q3=331612.83kJ其次章设备的计算2-1中变炉的计算2-1.1．触媒用量的计算依据文献《3000吨型合成氨厂工艺和设备计算》可知：Vr=T0*V0式中Vr——触媒体积，M3(标)T0——标准接触时间，h*m3/M3(标)V0——通过触媒的气体体积，M3(标)/h标准接触时间的计算公式如下：式中：W=Kp-1;U=Kp(A+B)+(C+D);V=KPAB-CD;q=Kp——反应平衡常数；k1——反应速度常数；n——变换的CO的量，分子分率；其中A、B、C、D分别代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度2-1.2．第一段床层触媒用量计算基准：3.79T/h已知条件：第一段床层变换气进口温度为：330℃，第一段床层变换气出口温度为：415℃平均温度为：（330℃+415℃）/2=372.5℃由《3000吨型合成氨厂工艺和设备计算》得到在372.5℃时反应速度常数k1=4600，加压时取校正系数：2.8，则：k1=4600*2.8=12880.进第一段床层变换气中N2%=16.12%则：V0=（3790÷17）×22.4÷（0.1612×2）=15489.7M3(标)/h出第一段床层变换气中CO%=3.27%进第一段床层的变换气湿组分：组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.331833.85668.3411.261000.674136.84koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68n=8.16%-3.27%=4.89%在372.5℃时，查《小合成氨厂工艺技术和设计手册》Kp=16.030631则：W=16.030631-1=15.030631U=16.030631×(0.0816+0.2856)+(0.0686+0.398)=6.353V=16.030631×0.0816××0.398=0.3463q==4.6713=0.000514h所以：V01=T0*V0=0.000514×15489.7=7M3备用系数取：1.1所以：V01=7×1.1=7.7M32-1.3其次段床层触媒用量已知条件：其次段床层变换气进口温度为：353℃，其次段床层变换气出口温度为：365℃平均温度为：（353℃+365℃）/2=359℃由《3000吨型合成氨厂工艺和设备计算》得到在375℃时反应速度常数k1=4600，在317℃时反应速度常数k2=2130。运用内插法：（375-359）/（4600-k）=（353.5-317）/（k-2130）k=3684加压时取校正系数：2.8，则：k1=3684*2.8=10315进中变炉二段床层的组分：组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3(标)487.39135.331833.85668.3411.261127.204263.37koml21.766.0481.8729.800.5050.32190.33出中变炉二段床层的CO组分：2.06%n=3.17%-2.06%=1.11%由《小合成氨厂工艺技术和设计手册》得到在359℃时反应平衡常数Kp=18.17则：W=18.17-1=17.17U=18.17×(0.0317+0.2644)+(0.4301+0.11432=5.925V=18.17×0.0317××0.11432=0.1031q==4.86=0.00015h所以：V02=T0*V0=0.00015×15489.7=2.323M3备用系数取：1.1所以：V02=2.323×1.1=2.6M3中温变换炉触媒用量:V=V01+V02=2.6+7.7=10.3M3C6型触媒堆重度:1.45kg/L触媒堆重量:3790/17×22.4÷(22.56%×2)=11038.8Nm3/h空速=11038.8÷12.5=883.1Nm3干气/(h*m3触媒)2-1.4触媒直径的计算（1）假设触媒直径为2.5m计算触媒直径的公式:催化剂床层阻力降:△P=△P——气体通过触媒床的压力降;f——摩擦系数,一般取1.5;G——气体重量流速,公斤/(米3*小时);r——气体在操作状态下的重度,公斤/米3;dp——颗粒直径,米;L——触媒床高度,米;E=0.378+0.308dp/DtDt——触媒层直径,米;C6型触媒外型尺寸为￠9×8毫米圆柱体dp=(6×Vp)÷SpVp=3.14/4×(0.009)2×0.008=5.0868×10-7Sp=2×3.14/4×(0.009)2+3.14×0.009×0.008=3.5325×10-4则:dp=8.64×10-3所以:E=0.378+0.308×8.64×10-3÷2.5=0.379（2）中变炉第一段催化床层的阻力降:第一段催化床层变换气的平均温度：372.5℃第一段催化床层变换气的压力:1750kp第一段催化床层变换气的平均分子量：M=∑YiMi=15.8736kg/koml第一段催化床层变换气的重度：r==5.176kg/m3气体重度流量(湿)G：G==2237.282kg/m3*h第一段催化床层的高度:L==1.57m第一段催化剂床层阻力降:△P==46.613kgf/m3（3）中变炉其次段催化床层的阻力降:其次段催化床层变换气的平均温度359℃其次段催化床层变换气的平均分子量:M=∑YiMi=15.98346kg/kmol其次段催化床层变换气的重度:r==5.37kg/m3气体重度流量(湿)GG==2252.76kg/m3*h其次段催化床层的高度:L==0.979m其次段催化剂床层阻力降:△P==28.386kgf/m3中变炉催化剂的总阻降：△P总=28.386+46.613=74.999kgf/m3=735.28Kp所以计算得中变炉催化剂的总阻降符合要求，中变炉催化剂床层直径2.5m可用.(4)中变炉进口直径的计算：查《化工原理》得到气体的组分在0℃，101.33kP时的密度如下表组分O2N2H2COCO2CH4密度（kg/m3）1.4291.2510.08991.2501.9760.717kg/m3对密度进行校核得在330℃，1750kP时密度为：0.4779605kg/m3查《化工原理》得到H2O的组分在330℃，12879.6kP时的密度为640.2kg/m3对水的密度进行校核得在330℃，1750kP时密度为：kg/m3所以气体密度为：19.29+727.186kg/m3 Vs===16.7m/s取气体流速为50m/s d==0.652m中变炉出口直径的计算查《化工原理》得到气体的组分在0℃，101.33kP时的密度如下表组分N2H2COCO2CH4密度（kg/m3）1.2510.08991.2501.9760.717kg/m3对密度进行校核得在365℃，1015kP时密度为：0.3424069kg/m3查《化工原理》得到H2O的组分在365℃，12879.6kP时的密度为489.25kg/m3对水的密度进行校核得在365℃，1015kP时密度为：kg/m3所以气体密度为：8.81345+527.806kg/m3 Vs===26.6m/s取气体流速为50m/s d==0.820m中间冷凝水进口直径：查《化工原理》得到H2O的组分在20℃，1750kP时的密度为998kg/m3此时压力对水的影响不大，不须要校核Vs===0.1019m/s取气体流速为5m/s d==0.1611m2-2.主换热器的计算已知条件：水进主换热器的温度：20℃水出主换热器的温度：90℃变换气进主换热器的温度：365℃变换气进主换热器的温度：250℃2-2.1传热面积的计算以水的吸热来计算从前面主换热器的计算中可知水吸热为：Q4-Q2则实际转热量为：Q=(Q4-Q2)*3.79=2174880.182kJ/h平均温差：tm==90.65℃取K=250kJ/(m2*h*℃)传热面积：S=Q/(K*tm)=95.96m3设富有传热面积为：30%S实=95.96*1.2=115.152m2选择固定管板式换热器：公称直径：600mm,公称面积：120M2,管子总数：254，管长：6m管程数：2，壳程数：1，管子：￠252.5，管子排列方式：三角形2-2.2设备直径和管板的确定管板直径的计算公式：D=1.05t(n/)0.5n——管数——管板填充系数，取0.9t——管子中心距，取0.032m所以D==0.56官板直径选用￠0.75m，设备外径为￠1.0m2-2.3传热系数的验算管内给热系数的计算公式如下：a内=0.023Re0.3Pr0.4Re=G*d/uPr=u*Cm/u=粘度的计算：查《化工原理》在307.5℃时，各气体的u值如下：组分CO2COH2CH4N2H2Ou(mp*s