化工工藝課程設(shè)計---填料式飽和熱水塔工藝設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　中文摘要…………………………………………………………………………………1</p><p>　　英文摘要…………………………………………………………………………………2</p><p>　　1 緒論……………………………………………………………………………………3</p

2、><p>　　1.1 中串低變換系統(tǒng)概述……………………………………………………………3</p><p>　　1.2 飽和熱水塔的作用………………………………………………………………5</p><p>　　1.3 濕氣體的熱力學(xué)性質(zhì)……………………………………………………………5</p><p>　　1.4 飽和熱水塔的平衡曲線與操作線……………

3、…………………………………7</p><p>　　1.5 循環(huán)水量…………………………………………………………………………8</p><p>　　2本論……………………………………………………………………………………10</p><p>　　2.1 變換系統(tǒng)基本工藝計算……………………………………………………… 10</p><p>　　2.

4、2 系統(tǒng)內(nèi)部分溫度估計………………………………………………………… 12</p><p>　　2.3 水加熱器的物料、熱量衡算…………………………………………………14</p><p>　　2.4 飽和塔的物料、熱量衡算………………………………………………………15</p><p>　　2.5 熱水塔的物料、熱量衡算………………………………………………………16&l

5、t;/p><p>　　2.6 飽和熱水塔平衡線與操作線………………………………………………… 17</p><p>　　2.7 理論板數(shù)計算 …………………………………………………………………24</p><p>　　3心得體會 …………………………………………………………………………26</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………

6、………………………………………………27</p><p>　　附錄………………………………………………………………………………………28</p><p>　　填料式飽和熱水塔工藝設(shè)計</p><p>　　摘 要:本設(shè)計為年產(chǎn)三萬噸合成氨廠變換工段飽和熱水塔工藝設(shè)計，采用能耗較低的中串低流程。飽和熱水塔是變換工段的主要熱能回收設(shè)備。設(shè)計中對水加熱器、飽和塔和熱水塔進(jìn)

7、行物料衡算，能量衡算，計算了飽和塔和熱水塔的平衡曲線和操作線。經(jīng)反復(fù)試算調(diào)整，確定適宜的循環(huán)水量和兩塔理論塔板數(shù)。繪制了中串低變換系統(tǒng)工藝管道與儀表流程圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：中串低流程 飽和熱水塔設(shè)計</p><p>　　Abstract: This design is a project for the technological procedure of the gas

8、saturator/water heater column of the middle-string-low shift system, which running in ammonia plant of 30 000 t annually. Middle-string-low flow technological procedure is known for its lower energy costs. Gas saturator/

9、water heater column is major equipment for heat recovery and comprehensive utilization in the shifting system. This design and operation directly affect the consumption of the system, which in the botto</p><p&

10、gt;　　Keywords: middle-string-low temperature shifting flow process; gas saturator/water heater column design </p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 中串低變換系統(tǒng)概述[1][2]</p><p>

11、;　　1.1.1 變換系統(tǒng)在合成氨生產(chǎn)中的意義</p><p>　　氨是一種重要的化工產(chǎn)品。在合成氨的流程中，氫氣是一種十分重要的原料，氫氣的生產(chǎn)在本流程中使用的是一氧化碳的中串低流程，一氧化碳和水在變換反應(yīng)爐中充分催化反應(yīng)后，絕大部分一氧化碳可以被轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?，并且產(chǎn)生原料氣氫氣。</p><p>　　變換反應(yīng)為： </p><p>　　在中變爐中反應(yīng)結(jié)束

12、后，與換熱器換熱后一次變換氣進(jìn)入串聯(lián)的低變爐，繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)過程與中變爐中一樣。反應(yīng)后的二次變換氣通過管道進(jìn)入水加熱器，與熱水塔來水進(jìn)行換熱。這樣，通過一氧化碳變換反應(yīng)就能把CO變?yōu)橐子诔サ腃O2,而且CO2又是工業(yè)上生產(chǎn)碳酸氫銨、純堿、尿素等化工產(chǎn)品的重要原料，同時又可制得與反應(yīng)掉的CO等摩爾的H2，所消耗的只是廉價的水蒸汽。一氧化碳變換過程,既是原料氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)，在合成氨生產(chǎn)流程中是非常重要的一個環(huán)節(jié)。 &l

13、t;/p><p>　　1.1.2中串低變換系統(tǒng)流程及其特點</p><p>　　圖1.1 中串低系統(tǒng)流程示意圖</p><p>　　中串低系統(tǒng)中氣體的流程為：半水煤氣進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過油水分離器，除去原料氣中的油脂和部分水之后進(jìn)入過濾器，除去半水煤氣中的結(jié)焦碳，除去油分、雜質(zhì)后，進(jìn)入飽和塔，在塔內(nèi)氣體與從塔上流下的熱水逆流換熱，進(jìn)行熱量和物質(zhì)的交換，半水煤氣溫度升高

14、，濕度加大。出飽和塔的半水煤氣進(jìn)入預(yù)混器，同時補充過熱蒸汽，使半水煤氣的汽氣比達(dá)到設(shè)計要求值，然后進(jìn)入汽水分離預(yù)熱器，半水煤氣經(jīng)預(yù)熱后，再進(jìn)入熱交換器,與變換氣換熱，溫度升高。進(jìn)入中變爐進(jìn)行三段中變反應(yīng)，從中變爐出來的變換氣進(jìn)入蒸汽過熱器，用變換氣加熱飽和蒸汽為過熱蒸汽，變換氣降溫。 </p><p>　　一次變換氣從蒸汽過熱器流向熱交換器，在熱交換器中一次變換氣與半水煤氣進(jìn)行換熱。換熱后的一次變換氣進(jìn)入低變爐進(jìn)

15、行一氧化碳變換反應(yīng)，氣體出來后，進(jìn)入水加熱器，給循環(huán)水加熱，變換氣自身降溫，再進(jìn)入熱水塔繼續(xù)與循環(huán)水換熱、降溫，氣體再進(jìn)入第二熱水塔換熱，出來的變換氣再進(jìn)入水冷器，經(jīng)過水冷卻后進(jìn)入汽水分離器，分離出氣體與液態(tài)水，最后變換氣去碳化或壓縮。</p><p>　　中串低流程中的水的流程為：熱水從飽和塔塔頂進(jìn)入與半水煤氣換熱，半水煤氣升溫、增濕，熱水降溫，熱水從飽和塔塔底出來。經(jīng)過一個U型管進(jìn)入熱水塔，在熱水塔中與變換氣

16、進(jìn)行熱量交換，變換氣降溫，熱水升溫，熱水從熱水塔塔底出來。經(jīng)過水加熱器，與變換氣換熱，升到一定溫度再進(jìn)入飽和塔進(jìn)行循環(huán)。這過程中會損失少量水，在熱水塔中補充一部分，保持恒定的循環(huán)水量，如此不斷循環(huán)下去。</p><p>　　中串低與單一中變流程相比，既可降低汽氣比和變換氣中的CO含量，從而降低蒸汽消耗和減輕精煉工段的負(fù)荷，并且提高原料氣的利用率，又可提高變換系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，取得較好的效果。但中串低流程存在某些不足

17、，主要是由于中變二、三段使用的仍是鐵鉻系催化劑，要求在較高的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，因而造成該催化劑的利用率較低，而且中變二、三段氣體中的CO含量已較低，離反應(yīng)平衡較近，降低了反應(yīng)的推動力。為了保證二、三段的平衡溫距，反應(yīng)速率不致于太慢，還需維持較高的汽氣比，這也不利于進(jìn)一步降低汽耗。</p><p>　　1.1.3中串低變換系統(tǒng)催化劑的選擇</p><p>　　在中串低系統(tǒng)中使用的變換催化劑有中

18、溫變換催化劑和鈷鉬耐硫?qū)挏刈儞Q催化劑兩種。</p><p>　　中溫變換催化劑的主體為氧化鐵氧化鉻催化劑。在我國中、小型化肥廠普遍采用，如B302Q、B303Q(EB-4)等催化劑。鈷鉬耐硫?qū)挏刈儞Q催化劑的優(yōu)點有低溫活性好，活性溫度范圍寬；耐硫和抗毒性好；強度高，遇水不粉化，使用壽命長；可再硫化，不含鉀的Co-Mo系催化劑部分失活后，可通過再硫化使活性大部分獲得恢復(fù)。</p><p>　　

19、1.2 飽和熱水塔的作用[3]</p><p>　　目前，大多數(shù)中小型氮肥廠變換系統(tǒng)采用的都是帶有飽和熱水塔工藝流程。</p><p>　　飽和熱水塔的作用是：（1）提高半水煤氣溫度；（2）增加半水煤氣中水蒸汽含量，以節(jié)省補充蒸汽量；（3）清洗有害氣體和灰塵。</p><p>　　飽和塔、熱水塔和水加熱器是變換系統(tǒng)中回收熱量的主要設(shè)備，變換氣經(jīng)過一系列與水的熱量交

20、換，可以將變換過程中的熱量傳遞給水。出塔半水煤氣溫度愈高，則其夾帶的蒸汽亦愈多，也就是回收的蒸汽量愈多，則外供蒸汽量就愈少，能耗越低，經(jīng)濟(jì)效益越好。 </p><p>　　總結(jié)而言，飽和熱水塔的作用就是將熱量在熱水與氣體間進(jìn)行交換，回收變換反應(yīng)中的熱量。</p><p>　　1.3 濕氣體的熱力學(xué)性質(zhì)[4]</p><p><b>　　飽和度φ</b

21、></p><p>　　氣體中水蒸汽分壓PH2O與同一溫度下水的飽和蒸汽壓PH之比，稱為氣體中水蒸汽飽和度，即 </p><p>　　飽和塔出口氣體中的水蒸汽含量，最大達(dá)到出口溫度下的飽和濕含量，即φ＝100％，實際生產(chǎn)中是達(dá)不到飽和的，一般φ＝90～95％。</p><p><b>　　濕含量m</b></p>

22、<p>　　指1kg干氣體中所含有的水蒸汽質(zhì)量kg/kg(干氣)</p><p>　　M干——干氣體分子量  P――氣體總壓，絕對壓力</p><p><b>　　1.3.2熱含量I</b></p><p>　　即單位質(zhì)量氣體所含有的熱量。一種物質(zhì)在某一狀態(tài)下的熱含量是從某一基準(zhǔn)狀態(tài)變化到該狀態(tài)時所吸收的熱量?；鶞?zhǔn)

23、狀態(tài)是人為選定的，一般為0℃。對于濕氣體它的熱含量應(yīng)是干氣體的顯熱與所包含的水蒸汽的顯熱與潛熱之和，以1 kg干氣體為基準(zhǔn)的濕氣體的熱含量為</p><p>　　――干氣體的平均比熱容，kJ/kg?℃ </p><p>　?、瘿D―水蒸汽在t℃時的焓，kJ/kg</p><p><b>　　露點溫度td</b></p><p

24、>　　濕氣體在濕含量不變的條件下冷卻到飽和時的溫度，稱為露點溫度，達(dá)到露點時φ＝100％。</p><p>　　欲求某一氣體的露點只需從飽和蒸汽表中查出與該氣體的水蒸汽分壓相應(yīng)的飽和溫度即是該氣體的露點溫度。水加熱器出氣溫度應(yīng)比露點溫度高10℃左右。</p><p><b>　　絕熱飽和溫度ts</b></p><p>　　當(dāng)不飽和的氣體

25、與足夠量的水在絕熱情況下相接觸時，水含量逐漸增加，當(dāng)水汽含量達(dá)到飽和時，氣體溫度將不再因蒸發(fā)水份而降低，這時的溫度稱為氣體的絕熱飽和溫度。</p><p>　　絕熱飽和溫度是氣、水直接接觸時，水能被加熱或冷卻的極限溫度。在變換系統(tǒng)中，出熱水塔的熱水溫度，取決于入塔變換氣的絕熱飽和溫度。故在變換系統(tǒng)的設(shè)計計算中，必須首先計算入熱水塔變換氣的絕熱飽和溫度，而后才能進(jìn)一步確定出系統(tǒng)的溫度分布。出熱水塔的熱水溫度，應(yīng)比絕

26、熱飽和溫度低1.0～1.5℃。</p><p>　　氣體的絕熱飽和溫度決定于它的最初溫度和濕含量。由熱平衡可知,若以1 kg干氣體為計算基準(zhǔn)，則    當(dāng)達(dá)到絕熱飽和溫度時，氣體的最終熱含量將等于它的初始熱含量加上以水蒸汽狀態(tài)而進(jìn)入到氣體中的水的熱含量。式中下標(biāo)s的各項為絕熱飽和溫度下的值，下標(biāo)1的各項為氣體起始狀態(tài)的值。絕熱飽和溫度可用試算法求解，其步驟為：

27、 （1） 先假定一個絕熱飽和溫度ts，這個溫度可參考?xì)怏w的露點溫度來假定 如氣體溫度較露點溫度高得不多，試算可在露點溫度附近假設(shè)。 （2） 計算出在假定的絕熱飽和溫度時的飽和濕含量ms和入熱水塔變換氣的濕含量m1。 （3）分別查出蒸汽在假定的絕熱飽和溫度下和進(jìn)氣溫度下的焓is和i1 。 （4）分別計算式等式兩邊，看計算結(jié)果是否相等，如相等則說明假定值正 確

28、，否則需重新假定溫度再進(jìn)行計算，直到相等為止。</p><p>　　1.4 飽和熱水塔的平衡曲線與操作線[5]</p><p>　　飽和塔平衡曲線是指在不同溫度下氣體與水達(dá)到平衡狀態(tài)，也就是氣體中水汽含量達(dá)到飽和狀態(tài)時的熱含量與水溫的關(guān)系曲線。一般以水溫t為橫坐標(biāo)，飽和濕氣體的熱含量I為縱坐標(biāo)來繪制的。操作線是在塔內(nèi)實際操作過程中，氣體的熱含量與水溫的關(guān)系線。 設(shè)進(jìn)、出塔的干氣體

29、重量為 G，進(jìn)塔氣的熱含量為I1，出塔氣的熱含量為I2，進(jìn)塔水重量為L1、溫度為t1，出塔水重量為L2，溫度為t2，根據(jù)熱平衡得： 因氣相中濕含量的變化而造成的水量變化與循環(huán)水量相比是很小的，如略去其影響則水量可視為不變，則 ： 上式即為操作線方程式。從式中可看出操作線是一條直線，其斜率為L/G。一般在設(shè)計飽和熱水塔時，首先要進(jìn)行物料衡算

30、和能量衡算，通過計算求出I1、I2、t1、t2，這時只要以I1、t2為一點， I2、t1為另一點，相連的直線即為操作線。</p><p>　　繪出平衡曲線和操作線后就能清楚地看出塔內(nèi)推動力的狀況。</p><p>　　從平衡曲線也能看出熱量能夠回收的程度。熱水塔平衡線表示了得到某溫度的水時需要從變換氣中吸收的最低限度（即達(dá)到平衡時）的熱量；飽和塔平衡曲線則表示了某溫度的水能傳給半水煤氣的最

31、高限度（達(dá)到平衡狀態(tài)時）的熱量。由于熱水塔的壓力低于飽和塔，而飽和蒸汽壓是溫度的函數(shù)，當(dāng)溫度一定時其值也一定，所以變換氣的飽和濕含量要高于同溫度半水煤氣的飽和濕含量，從而使變換氣熱含量高于同溫度的半水煤氣熱含量，因此熱水塔的平衡曲線總處于飽和塔平衡曲線之上。</p><p>　　兩平衡曲線之間的間距越小則能回收的熱量就越多，反之就越少。因此減少系統(tǒng)阻力對加強熱回收也有積極意義。加壓流程中兩塔平衡曲線間的間距小于常

32、壓流程，這就是加壓流程的熱回收優(yōu)于常壓流程的原因。</p><p>　　1.5 循環(huán)水量[6]</p><p>　　飽和熱水塔中，回收變換氣的余熱傳遞給半水煤氣是靠水為媒介來完成的。循環(huán)于飽和熱水塔中的水量必須滿足于以下幾個基本條件： </p><p>　　（1）水量必須保證完成最大限度的傳遞熱量。</p><p>　　（2）必須滿足噴淋密度

33、的要求。</p><p>　　例如，對于填料塔，水量必須保證全塔在適宜的潤濕率下操作。</p><p>　?。?）必須使設(shè)備結(jié)構(gòu)和經(jīng)常運行費用經(jīng)濟(jì)合理。</p><p>　　循環(huán)水量的大小基本上是由變換系統(tǒng)的汽氣比決定的。當(dāng)氣體成分一定時，汽氣比的大小決定了出變換爐變換氣中的蒸汽含量。過去單一中變流程中，汽氣比大，變換氣中蒸汽含量高，循環(huán)水量就大；現(xiàn)在采用的帶有低變

34、的流程中，汽氣比小，變換氣中蒸汽含低，因此露點溫度低，絕熱飽和溫度低，循環(huán)水量就應(yīng)該小。在汽氣比很小的情況下，若循環(huán)水量過大，會使水加熱器溫升小，使飽和塔入塔熱水溫度低，造成出塔半水煤氣溫度偏低，濕含量低，使外供蒸汽量增加。</p><p>　　在飽和熱水塔系統(tǒng)中的循環(huán)水量（L）與氣量（G）之比為飽和熱水塔的操作線斜率。這一比值有一極值（L/G）opt,當(dāng)L/G為這一極值時，回收的蒸氣量越多，也就是氣體離開熱水塔

35、時帶出的水蒸汽量為最少。一般用熱水塔出口溫度來判斷水蒸汽回收的好壞比用飽和塔出口的溫度來判斷更準(zhǔn)確，當(dāng)循環(huán)水量大時，操作線的斜率就大，對于飽和塔來說，操作線與平衡線距離增大，推動力較大，傳熱效果好，對飽和塔是有利的；但對熱水塔則相反。同理，循環(huán)水量小對熱水塔有利，對飽和塔不利。因此，必須選擇一個合適的循環(huán)水量，使兩者都處在合理范圍內(nèi)，使熱量回收達(dá)到最佳程度。一般汽氣比為0.5時循環(huán)水量為8～9 tH2O/tNH3。帶有低變流程的循環(huán)水量

36、一般為6～15噸/噸氨。</p><p>　　選擇循環(huán)熱水量的步驟如下：</p><p>　?。?）根據(jù)初始?xì)怏w成分、最終變換率，計算變換后氣體成分，變換氣露點，變換氣絕熱飽和溫度。</p><p>　?。?）初定循環(huán)熱水量，進(jìn)行水加熱器、飽和塔、熱水塔物料衡算，能量衡算。</p><p>　　（3）計算飽和塔、熱水塔平衡線，操作線，據(jù)此繪制

37、I～t 圖，求出飽和塔、熱水塔理論塔板數(shù)。</p><p>　?。?）檢視兩塔推動力是否合理，若不合理，則調(diào)整循環(huán)熱水量，從第二步開始重新計算，直至合理為止。</p><p><b>　　2 本 論</b></p><p>　　2.1 變換系統(tǒng)基本工藝計算</p><p>　　2.1.1 已知條件</p>

38、<p>　　干半水煤氣成分如下表所示,計算基準(zhǔn)：100kmol干半水煤氣</p><p>　　表2.1 干半水煤氣成分</p><p><b>　　汽氣比0.55</b></p><p>　　每噸氨耗用干半水煤氣量3400NM3</p><p>　　半水煤氣進(jìn)口溫度35℃</p><p&

39、gt;　　催化劑型號：中變B113，低變B303Q（EB-4）</p><p><b>　　最終變換率95%</b></p><p>　　生產(chǎn)能力 3萬噸合成氨/年</p><p>　　2.1.2 變換爐出氣的氣體總量：</p><p><b>　　變換爐內(nèi)的反應(yīng)：</b></p>&

40、lt;p><b>　?。ㄖ鳎?lt;/b></p><p><b>　　（副）</b></p><p>　　對于第一個反應(yīng)（a），設(shè)參與反應(yīng)的CO量為nkmol,又因為最終轉(zhuǎn)化率為95%。則有： </p><p>　　所以n=27.91kmol。</p><p>　　對于第二個反應(yīng)（b）因O2=0.

41、3kmol，則依據(jù)O2的量計算：</p><p>　　最終消耗了H2的量為：2×0.3=0.6kmol。</p><p>　　則變換后的氣體組成為：</p><p>　　H2：39.67+27.91-0.6=66.98kmol</p><p>　　CO：29.38-27.91=1.47kmol</p><p>

42、;　　CO2：8.35+27.91=36.26kmol</p><p>　　O2：0.3-0.3=0 kmol</p><p>　　N2：21.3kmol</p><p>　　CH4：1.0kmol </p><p>　　H2O：55-27.91+0.6=27.68kmol</p><p>　　所以變換后氣體總

43、摩爾數(shù)為：</p><p>　　66.98+1.47+36.26+0+27.68=154.7kmol</p><p>　　則可知干基總摩爾數(shù)為：157.7-29.74=127.01kmol</p><p>　　表2.2 變換氣成分</p><p>　　2.1.3 變換爐出氣的組成：</p><p>　　合計：154.7

44、kmol</p><p>　　2.2 系統(tǒng)內(nèi)部分溫度估計[7][8]</p><p>　　2.2.1 水加熱器出口變換氣溫度</p><p>　　查取水蒸汽表得到相關(guān)數(shù)據(jù)。</p><p>　　水加熱器出口變換氣壓力為0.705MPa，水氣分壓為0.705MPa×0.1789=0.1261845MPa（絕壓），由水蒸汽圖查圖法得低

45、變氣露點溫度=106.5℃，通常情況下，水加熱器出口變換氣溫度應(yīng)比露點溫度高10℃左右，選為116.5℃。</p><p>　　2.2.2 熱水塔的排出水溫度計算</p><p>　　出水加熱器的變換氣經(jīng)過管道，熱損失取為1℃，于是進(jìn)熱水塔的變換氣溫度為115.5℃，在熱水塔中，熱水被變換氣加熱的極限溫度是變換氣的絕熱飽和溫度，因此，應(yīng)首先計算變換氣的絕熱飽和溫度。</p>

46、<p>　　M干—干氣體分子量 P―氣體總壓，絕對壓力</p><p>　　其中干=0.5273×2+0.0115×28+0.2885×44+0.1677×28+0.0079×16=18.7619kg/kmol，則</p><p>　　由《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》查得各組分在較低壓力下</p><p&

47、gt;　　0~100℃時的平均恒壓摩爾熱容：</p><p>　　0~100℃的平均干變換氣的平均恒壓摩爾熱容Cp100=31.8901kJ/</p><p>　　0~203℃時的平均恒壓摩爾熱容：</p><p>　　0~203℃的平均干變換氣的平均恒壓摩爾熱容Cp200=32.4089kJ/ </p><p>　　使用水蒸汽的焓值可得到特

48、定溫度下水蒸汽的焓值</p><p><b>　　濕含量為</b></p><p>　　因為在飽和狀態(tài)下=1</p><p>　　所以絕熱飽和狀態(tài)下濕含量為</p><p>　　將干變換氣比熱容、濕含量和水的焓值帶入飽和絕熱公式，使用試差法，進(jìn)行試差計算</p><p><b>　　試差

49、計算過程：</b></p><p><b>　　當(dāng)t=106℃</b></p><p>　　等式左邊=4234.653kJ</p><p>　　等式右邊=4263.123kJ</p><p><b>　　當(dāng)t=107℃</b></p><p>　　等式左邊=429

50、7.113kJ</p><p>　　等式右邊=4268.522kJ</p><p>　　所以絕熱飽和溫度應(yīng)該在106～107℃之間</p><p><b>　　試用106.5℃</b></p><p>　　等式左邊=4265.709kJ</p><p>　　等式右邊=4265.781kJ</

51、p><p>　　可以的到，在106.5℃是，進(jìn)入和離開水加熱器的熱量幾乎相同，故求得絕熱飽和溫度為106.5℃。</p><p>　　因為熱水塔出水溫度比絕熱飽和溫度低1.5℃，所以熱水塔的出水溫度為105℃，在輸送熱水的過程中有1℃的溫度損失，故進(jìn)入水加熱器的熱水溫度為104℃</p><p>　　低變爐變換氣出口溫度為205℃，由于變換氣輸送過程中有2℃的溫度損失，

52、則水加熱器變換氣入口溫度為203℃。水加熱器變換氣出口溫度為116.5℃。</p><p>　　2.3 水加熱器的物料衡算、熱量衡算[10] </p><p>　　假設(shè)取循環(huán)水流量為：11.5噸/噸氨，即：</p><p>　　則水加熱器中：進(jìn)入的熱量為：</p><p>　　熱水帶入的熱量：（75.7647×100×1

53、04×1×4.22319）kJ =3327674.98kJ</p><p>　　水蒸汽帶入的熱量：（27.68×18×2796.72）kJ =1393891kJ</p><p>　　干變換氣帶入的熱：（127.011×31.43667461×203）kJ =810539.1kJ</p><p>　　則總帶入

54、熱為：（3327674.98+1393891+810539.1）=5532104 kJ</p><p>　　同理計算帶出的熱：假設(shè)水加熱器出口溫度為t</p><p>　　則總帶出熱為：出水加熱器熱+出水加熱器干變換氣熱+水蒸汽熱</p><p>　　根據(jù)熱平衡：總?cè)鐭?總出熱</p><p>　　即：5532104 kJ =（出水加熱器熱

55、+出水加熱器干變換氣熱+水蒸汽熱）kJ</p><p>　　經(jīng)過試差計算得到出水加熱器的水溫為</p><p>　　得：t =115℃ </p><p>　　熱水升溫：115-105=10℃ </p><p>　　2.3.1飽和塔出口半水煤氣溫度的估計[11]</p><p>　　從熱水塔流出的熱水進(jìn)入水加熱器后，

56、溫度可升為115℃左右，若熱水在水加熱器和飽和塔間的的管道中有0.5℃的溫度損失，則熱水進(jìn)入飽和塔的溫度取114.5℃，飽和塔出口半水煤氣與進(jìn)水溫度差可取為3℃，取飽和塔半水煤氣出氣溫度為111.5℃，水蒸汽飽和度為91%，查115.5℃時水的飽和蒸汽壓PH=150.71333kPa。出口半水煤氣的壓力為0.75MPa，出口半水煤氣中水蒸汽含量：</p><p>　　2.4 飽和塔的物料衡算、熱量衡算</p

57、><p>　　2.4.1 物料衡算</p><p><b>　　進(jìn)塔物料：</b></p><p>　　干半水煤氣100kmol，半水煤氣帶入水汽的飽和蒸汽壓按35℃時計算，為5.8048kPa</p><p><b>　　半水煤氣帶入水汽：</b></p><p>　　進(jìn)塔熱水

58、=11.5×100018=638.8889kmol</p><p><b>　　出塔物料：</b></p><p>　　干半水煤氣100kmol</p><p>　　出塔半水煤氣帶出水氣22.3789kmol</p><p>　　剩余熱水進(jìn)入熱水塔：638.8889-22.3789+0.83201 =617.3

59、402 kmol</p><p>　　2.4.2 熱量衡算</p><p><b>　　進(jìn)出物料溫度：</b></p><p>　　半水煤氣進(jìn)口35℃，半水煤氣出口111.5℃，熱水進(jìn)口114.5℃</p><p>　　進(jìn)入飽和塔的熱量為：</p><p>　　由《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》查得各組

60、分在較低壓力下</p><p>　　0~100℃時的平均恒壓摩爾熱容：</p><p>　　0~100℃的平均干半水煤氣的平均恒壓摩爾熱容Cp100=29.7931kJ/</p><p>　　0~200℃時的平均恒壓摩爾熱容：</p><p>　　0~200℃的平均干半水煤氣的平均恒壓摩爾熱容Cp200=30.1500kJ/ </p&g

61、t;<p>　　使用這兩點作干半水煤氣的平均恒壓摩爾熱容與溫度的圖，使用擬合曲線的方法可以得到干變換氣的平均恒壓摩爾熱容與溫度的函數(shù)關(guān)系 </p><p><b>　　的單位為kJ/</b></p><p>　　干半水煤氣帶入熱：（100×35×29.56119）kJ =103464.165kJ</p><p>

62、;　　水蒸汽帶入熱（0.83201×18×2558.8501）kJ =38238.8929kJ </p><p>　　熱水帶入熱量為（75.76471×100×4.23926×114.5）=3677583.187</p><p>　　合計：3819285 kJ</p><p><b>　　離開飽和塔熱量為:

63、</b></p><p>　　干半水煤氣帶出熱：100×29.83241×111.5=356251.9775</p><p>　　水蒸汽帶出熱：水蒸汽出22.3789×18×2695.63026=1085854.32</p><p><b>　　進(jìn)行試差計算</b></p>&l

64、t;p>　　可以得到離開飽和塔熱水的溫度</p><p>　　離開飽和塔熱水水溫為t=74.5</p><p>　　飽和塔熱損失為0.2%</p><p>　　由于管道有1.5℃的溫度損失，故進(jìn)入熱水塔的熱水溫度為73℃，進(jìn)入量為617.3402 kmol</p><p>　　2.5 熱水塔物料衡算、熱量衡算</p>&

65、lt;p>　　2.5.1 物料衡算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　操作壓力為：0.705MPa</p><p>　　變換氣入塔溫度115.5℃</p><p>　　熱水入塔溫度73℃、出塔溫度105℃</p><p>　　變換氣流量：進(jìn)塔干氣127.01

66、1kmol，水氣27.68kmol</p><p>　　熱水流量：進(jìn)塔617.3402kmol</p><p>　　出塔638.8889kmol</p><p>　　物料、熱量衡算，假定出塔變換氣溫度為t℃，則出塔氣中的水的飽和壓力可以求得為</p><p>　　假設(shè)出塔變換氣帶出的水汽為xkmol</p><p>　

67、　需補充水量：（638.8889-617.3402-27.689+x） kmol</p><p>　　2.5.2 熱量衡算</p><p><b>　　進(jìn)入熱水塔熱量為</b></p><p>　　熱水帶入熱617.3402×18×4.18845×73=3397607.91kJ</p><p&

68、gt;　　干變換氣帶入熱127.011×31.96884×115=466945.35kJ</p><p>　　水蒸汽帶入熱27.689×18×2701.1394=1346253.28kJ</p><p>　　補充軟水帶入熱 (638.8889-617.3402-27.689+x ) ×18×4.19488×80 <

69、/p><p>　　總進(jìn)入熱水塔熱量=3397607.91kJ +466945.35kJ +1346253.28kJ +補充軟水帶入熱</p><p><b>　　出熱水塔熱量為</b></p><p>　　熱水帶出熱638.8889×18×4.22461×105=5101216.66kJ</p><

70、p>　　干變換氣帶出熱127.011××t</p><p>　　水蒸汽帶出熱x×18× </p><p><b>　　進(jìn)行試差計算：</b></p><p>　　當(dāng)出熱水塔變換氣溫度t=72℃時</p><p>　　總進(jìn)入熱水塔的熱量為5413012kJ</p>

71、<p>　　總離開熱水塔的熱量為5575361kJ</p><p>　　當(dāng)出熱水塔變換氣溫度t=70℃時</p><p>　　總進(jìn)入熱水塔的熱量為5389698kJ</p><p>　　總離開熱水塔的熱量為5215687kJ</p><p>　　所以出熱水塔變化氣溫度應(yīng)為71℃</p><p>　　當(dāng)出熱水

72、塔變換氣溫度t=71℃時</p><p>　　總進(jìn)入熱水塔的熱量為5396825kJ</p><p>　　總離開熱水塔的熱量為5467907kJ</p><p>　　可以得到出熱水塔變化氣的溫度為71℃，補充水量為0.0827kmol，熱損為1.3%</p><p>　　2.6 飽和熱水塔平衡線與操作線[12]</p><

73、;p>　　飽和塔平衡線和操作線</p><p>　　塔型：填料塔（矩鞍環(huán)或階梯環(huán)）</p><p>　　2.6.1 已知條件：</p><p>　　干半水煤氣的成分如下表：</p><p>　　表2.2 干半水煤氣成分</p><p>　　系統(tǒng)壓力：0.75MPa</p><p>　　進(jìn)氣

74、溫度：35℃ ，出氣溫度：111.5℃</p><p>　　進(jìn)水溫度：114.5℃，出水溫度：74.5℃</p><p>　　進(jìn)氣的平均分子量為：</p><p>　　M=18.9138kg/kmol</p><p>　　計算1kg干氣中所含有的水蒸汽質(zhì)量為：</p><p><b>　　進(jìn)氣的濕含量為：&l

75、t;/b></p><p>　　m1=0.007901</p><p><b>　　出氣的濕含量為：</b></p><p><b>　　m2=0.2252</b></p><p>　　2.6.2飽和塔平衡線</p><p><b>　　平衡曲線的計算<

76、/b></p><p><b>　　由熱含量公式</b></p><p>　?。ㄆ渲衜為氣體的濕含量）</p><p>　　首先先計算出對應(yīng)溫度下氣體的平均比熱容，然后計算出在對應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓，之后計算氣體的濕含量，計算水蒸汽的焓值，最后可以計算氣體在不同溫度下的熱含量。將每一個熱含量點依次使用曲線連接，可以得到氣體熱含量對溫度的曲

77、線，即是平衡線。</p><p>　　本次課程設(shè)計中的平衡線采用了計算機(jī)作圖的方法，同樣可以得到平衡曲線。</p><p><b>　　示例計算：</b></p><p>　　以t=30℃，飽和塔內(nèi)平衡的線上的一點計算</p><p><b>　　t=30℃</b></p><p

78、>　　半水煤氣的干氣平均比熱容為=1.5620kJ/(kg℃)</p><p>　　水的飽和蒸氣壓P=1.6668kPa</p><p>　　飽和塔內(nèi)的濕含量m=0.00212kg/kg</p><p>　　水蒸汽的焓值i=2549.241kJ/kg</p><p><b>　　熱含量</b></p>

79、<p>　　通過計算可以得到平衡曲線數(shù)據(jù)點</p><p>　　表2.3飽和塔平衡線數(shù)據(jù)表</p><p>　　塔操作線的計算與畫法</p><p>　　進(jìn)塔氣焓I=1.562946×35+0.007901009×2558.85=65.94297</p><p>　　排水溫度：t2=74.5℃</p>

80、;<p>　　出塔氣焓I111=1.577291×111+0.225195721×2694.836=781.9448</p><p>　　進(jìn)水溫度：t1=114.5℃</p><p>　　以點A（74.5 65.94297），點B（114.5 781.9448）兩點為端點在上面I~t圖上畫出線段即為飽和塔操作線。</p><p&

81、gt;　　熱水塔平衡線和操作線</p><p>　　塔型：填料塔（矩鞍環(huán)或階梯環(huán)）</p><p>　　2.6.3 已知條件：</p><p>　　干半水煤氣的成分如下表：</p><p>　　表2.2 轉(zhuǎn)換氣成分</p><p>　　系統(tǒng)壓力：0.705MPa</p><p>　　進(jìn)氣溫度：1

82、15.5℃ ，出氣溫度：71℃</p><p>　　進(jìn)水溫度：73℃，出水溫度：105℃</p><p>　　進(jìn)氣的平均分子量為：</p><p>　　M=18.7619kg/kmol</p><p>　　計算1kg干氣中所含有的水蒸汽質(zhì)量為：</p><p><b>　　進(jìn)氣的濕含量為：</b>

83、</p><p><b>　　m1=0.2609</b></p><p><b>　　出氣的濕含量為：</b></p><p>　　m2=0.04695</p><p>　　2.6.4熱水塔平衡線</p><p><b>　　平衡曲線的計算</b><

84、;/p><p><b>　　由熱含量公式</b></p><p>　?。ㄆ渲衜為氣體的濕含量）</p><p>　　首先先計算出對應(yīng)溫度下氣體的平均比熱容，然后計算出在對應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓，之后計算氣體的濕含量，計算水蒸汽的焓值，最后可以計算氣體在不同溫度下的熱含量。將每一個熱含量點依次使用曲線連接，可以得到氣體熱含量對溫度的曲線，即是平衡線。&

85、lt;/p><p>　　本次課程設(shè)計中的平衡線采用了計算機(jī)作圖的方法，同樣可以得到平衡曲線。</p><p><b>　　示例計算：</b></p><p>　　以t=30℃，飽和塔內(nèi)平衡的線上的一點計算</p><p><b>　　t=30℃</b></p><p>　　變換氣

86、的干氣平均比熱容為=1.680631kJ/(kg℃)</p><p>　　水的飽和蒸氣壓P=1.6668kPa</p><p>　　飽和塔內(nèi)的濕含量m=0.002255kg/kg</p><p>　　水蒸汽的焓值i=2549.241kJ/kg</p><p><b>　　熱含量</b></p><p&

87、gt;　　通過計算可以得到平衡曲線數(shù)據(jù)點</p><p>　　表2.4熱水塔平衡線數(shù)據(jù)表</p><p>　　塔操作線的計算與畫法</p><p>　　進(jìn)熱水塔氣焓I=756.7704</p><p>　　排水溫度：t2=105℃</p><p>　　出熱水塔氣焓I=275.1645</p><p&

88、gt;　　進(jìn)水溫度：t1=73℃</p><p>　　以點C（105 756.7704），點D（73 275.1645）兩點為端點在上面I~t圖上畫出線段即為飽和塔操作線。</p><p>　　2.7 塔理論塔板數(shù)計算</p><p>　　將平衡曲線和操作線的數(shù)據(jù)標(biāo)在飽和熱水塔I-t圖上，可以使用畫正三角階梯的方法圖算得到理論塔板數(shù)。</p>

89、<p>　　圖2.2飽和熱水塔I-t圖</p><p>　　由圖算法可以得到飽和塔的理論塔板數(shù)為12.5塊，熱水塔的理論塔板數(shù)為5.9塊。</p><p><b>　　3 心得體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計，我學(xué)到了很多的知識，了解了化工設(shè)計的一小部分內(nèi)容，對整個的設(shè)計過程有了一個初步的了解。開始時課程設(shè)計進(jìn)行過程十分

90、不順利，我覺得，我的壓力很大，全部的設(shè)計任務(wù)都壓在了我的肩上。在設(shè)計過程中，遇到了很多問題，這些問題來源很多，但是在包晗和馬國瑾的幫助下，我們一同克服了設(shè)計中的諸多問題，共同完成了本次設(shè)計。</p><p>　　在本次設(shè)計過程中我組遇到重重的困難，此時高老師總能及時指導(dǎo)我們，為我們解決在課程設(shè)計中我們遇到的各種問題，高老師對我們的問題給出詳細(xì)的解答，并且耐心的指導(dǎo)我們。沒有高老師的幫助我無法完成本次的課程設(shè)計，高

91、老師是一個值得尊敬的老師，我十分感激高老師對我的指導(dǎo)，愿長生天保佑她！</p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]</b></p><p>　　[1] 陳五平主編.《無機(jī)化工工藝學(xué)?合成氨》（第三版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.58-75.</p><p>　　[2] 石油化學(xué)工業(yè)部化工設(shè)計院主編.《氮肥工藝設(shè)計手冊?理化數(shù)據(jù)》[M]

92、.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1977.719-725，728-730.</p><p>　　[3] Luyben.W L、Wenzel L A. Chemical Process Analysis:Mass and Energy Balance[M].EnglwoodCliffs,NewJersey:PrenticeHall.1988.75-121,353-382.</p><p>　　[4]

93、 林玉波主編.《合成氨生產(chǎn)工藝》[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.147-163.</p><p>　　[5] D. Nikolova、R. Edreva-kardjieva、M. Giurginca et al.The effect of potassium addition on the state of the components in the oxide precursor of the (Ni)

94、(Mo)/g-Al2O3 water-gas shift catalysts:FT-IR, diffuse reflectance and Raman spectroscopic studies[J].ScienceDirect,2007, Vibrational Spectroscopy 44：343－350.</p><p>　　[6] 崔鵬、魏鳳玉主編.《化工原理》[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2003

95、.152-163. </p><p>　　[7] 梅安華主編.《小氮肥廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》（上冊）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1994.569-612.</p><p>　　[8] 金錫祥、劉金成著.一氧化碳變換技術(shù)及進(jìn)展[J].小氮肥，1998，第8期：1－21.</p><p>　　[9] 趙興華、郭雅紅、屈曉榮等著.耐硫變換催化劑若干問題的討論[J].中

96、氮肥,2005,第6期：16-18.</p><p>　　[10] 龔世斌、魏士新著.一氧化碳耐硫變換催化劑技術(shù)進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2002，第23卷第6期：33－35.</p><p>　　[11] 石油化學(xué)工業(yè)部化工設(shè)計院主編.《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》[M].北京:石油化學(xué)工業(yè)出版社,1979.654-687.</p><p>　　[12] 陳鐘秀、

97、顧飛燕、胡望明編.《化工熱力學(xué)》(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000.302-307.</p><p>　　[13] Grey L. Miessler and Donald A. Tarr, Inorganic Chemistry (Third Edition), Pearson Education Asia, USA</p><p>　　[14]Peter Atkins an

98、d Julio de Paula, Atkins’s Physical Chemistry, Oxford University, UK</p><p>　　[15]Jean B. Umland and Jon M. Bellama, General Chemistry, West Publishing Company, USA</p><p>　　[16]陳國恒、朱美娥著《英漢，漢英 化

99、工工藝與設(shè)備圖解詞典》，化學(xué)工業(yè)出版社</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　Origin模擬曲線</p><p>　　1、水的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系</p><p>　　圖1 水的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系圖</p><p><b>　　擬合步驟</b>

100、;</p><p>　　使用水的物性表，將溫度與飽和蒸汽壓輸入工作表內(nèi)</p><p>　　選取溫度與蒸汽壓數(shù)據(jù)生成散點圖</p><p>　　在analysis菜單下選取fitting，選擇nonlinear curve fit</p><p>　　選擇GaussAmp函數(shù)，單擊fit until converged </p>

101、<p>　　單擊確定，非線性方程擬合結(jié)束</p><p><b>　　擬合結(jié)果</b></p><p>　　使用函數(shù)為GaussAmp函數(shù)，非線性因變量與自變量相關(guān)度為1，殘差平方和為0.43028</p><p>　　2、水蒸汽的焓值和溫度的關(guān)系</p><p>　　圖2 水的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系<

102、;/p><p><b>　　擬合步驟</b></p><p>　　a. 使用水的物性表，將溫度與飽和蒸汽焓值輸入工作表內(nèi)</p><p>　　b. 選取溫度與焓值數(shù)據(jù)生成散點圖</p><p>　　c. 在analysis菜單下選取fitting，選擇nonlinear curve fit</p><

103、;p>　　d. 選擇sine函數(shù)，單擊fit until converged </p><p>　　e. 單擊確定，非線性方程擬合結(jié)束</p><p><b>　　結(jié)果</b></p><p>　　使用函數(shù)為Sine函數(shù)，非線性因變量與自變量相關(guān)度為1，殘差平方和為0.0265</p><p><b>

104、;　　3、水的比熱容</b></p><p><b>　　圖3 水的比熱容</b></p><p><b>　　擬合步驟</b></p><p>　　a. 使用水的物性表，將溫度與飽和比熱容值輸入工作表內(nèi)</p><p>　　b. 選取溫度與比熱容數(shù)據(jù)生成散點圖</p>

105、<p>　　c. 在analysis菜單下選取fitting，選擇nonlinear curve fit</p><p>　　d. 選擇Boltzmann函數(shù)，單擊fit until converged </p><p>　　e. 單擊確定，非線性方程擬合結(jié)束</p><p><b>　　結(jié)果</b></p>

106、<p>　　使用函數(shù)為Boltzmann函數(shù)，非線性因變量與自變量相關(guān)度為0.99919，殘差平方和為1.18745E-5 </p><p>　　4、干半水煤氣的比熱容和溫度的關(guān)系</p><p>　　圖4 干半水煤氣的比熱容和溫度的關(guān)系</p><p><b>　　擬合步驟</b></p><p>　　a.

107、 將干半水煤氣的比熱容值和對應(yīng)溫度輸入工作表內(nèi)</p><p>　　b. 選取溫度與比熱容數(shù)據(jù)生成散點圖</p><p>　　c. 在analysis菜單下選取fitting，選擇linear fit</p><p><b>　　d. 單擊擬合 </b></p><p>　　e. 線性方程擬合結(jié)束</p&

108、gt;<p><b>　　結(jié)果</b></p><p>　　直線斜率0.00357，截距29.43629</p><p>　　5、干變換氣的比熱容和溫度的關(guān)系</p><p>　　圖5 干變換氣的比熱容和溫度的關(guān)系</p><p><b>　　擬合步驟</b></p>

109、<p>　　a. 將干變換氣的比熱容值和對應(yīng)溫度輸入工作表內(nèi)</p><p>　　b. 選取溫度與比熱容數(shù)據(jù)生成散點圖</p><p>　　c. 在analysis菜單下選取fitting，選擇linear fit</p><p><b>　　d. 單擊擬合 </b></p><p>　　e. 線性方