合成氨畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　合成氨變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的重要一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因為能否正常生產(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要求。</p><p>　　在本設(shè)計中，首先介紹中低溫變換的意義，然后根據(jù)已知的氣體組成，操作條件，采用了中

2、變串低變的工藝流程路線。首先對中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，確定催化劑最佳溫度曲線，催化劑用量，高度，根據(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)計中一共有中變爐、主換熱器、低變爐幾個主要設(shè)備，并且還對中變爐進(jìn)行了機(jī)械強度的計算及校核。最后根據(jù)設(shè)計結(jié)果，繪制出合成氨中-低變換工藝的帶控制點的流程和主要設(shè)備圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：中-低溫變換；一氧化碳；變換爐；</p><p

3、><b>　　Abstract</b></p><p>　　Section of synthetic ammonia transformation process is an important step in ammonia production, is more crucial step, because a normal production of qualified compr

4、essed air, is all the processes behind the prerequisite for the normal operation. Therefore, certain conditions must be controlled so that the composition of transformation of gas to meet the requirements of the producti

5、on process. </p><p>　　In this design, first introduced in the low temperature shift of meaning, then according to the known gas composition, operating conditions, using variable string line of low-change pro

6、cess. First of all, the low variable for the material and heat balance, determine the optimal temperature curve of the catalyst, catalyst amount, height, according to the results of major equipment selection, the final c

7、ompletion of the purpose of this design. Design of a total, in the temperature shift, the main </p><p>　　Key words: mid-low temperature transformation; carbon monoxide; shift converter</p><p>&l

8、t;b>　　目錄</b></p><p>　　1緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1</p><p>　　1.1前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1</p><p>

9、　　1.2工藝原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1</p><p>　　1.3工藝條件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2</p><p>　　1.3.1 壓力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

10、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2</p><p>　　1.3.2溫度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2</p><p>　　1.3.3 汽氣比．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2</p><p>　

11、　1.4工藝流程確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p><p>　　1.5 設(shè)備的選擇說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p><p>　　1.6 對本設(shè)計的評述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

12、．．．．．．．．．．3</p><p>　　2變換工段物料及熱量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　2.1 中溫變換物料恒算及熱量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　2.1.1 確定轉(zhuǎn)化氣的組成．．．．．．．．．．．．．．

13、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　2.1.2 水汽比的確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　2..1.3中換爐一段催化床層的物料恒算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p>　　2.1

14、.4中變爐一段催化床層的熱量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8</p><p>　　2.1.5 中變爐催化劑平衡曲線 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11</p><p>　　2.1.6最佳溫度度曲線的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11</p>

15、;<p>　　2.1.7操作線計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13</p><p>　　2.1.8中間冷淋過程的物料和熱量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14</p><p>　　2.1.9中變爐二段催化床層的物料衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

16、．．．．．15</p><p>　　2.1.10中變爐二段催化床層的物料衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16</p><p>　　2.2低變爐的物料與熱量計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18</p><p>　　2.2.1低變爐的物料衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

17、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18</p><p>　　2.2.2低變爐的熱量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19</p><p>　　2.2.3低變爐催化劑平衡曲線．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21</p><p>　　2.2.4低變爐最佳

18、溫度曲線的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21</p><p>　　2.2.5最適宜溫度曲線．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22</p><p>　　2.3爐的熱量和物料計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23</p>

19、<p>　　2.3.1熱量計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23</p><p>　　2.3.2水蒸氣的加入．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25</p><p>　　2.4 主換熱器的物料與熱量的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

20、．．．．．．．．．．．．．．．．26</p><p>　　3 設(shè)備的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29</p><p>　　3.1低溫變爐的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29</p><p>　　3.1.1媒用量的計算．

21、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29</p><p>　　3.1.2第一段床層觸媒用量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29</p><p>　　3.1.3二段床層觸媒用量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30</p>&l

22、t;p>　　3.1.4 觸媒直徑的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31</p><p>　　3.2中變廢熱鍋爐．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35</p><p>　　3.2.1 設(shè)備直徑與列管數(shù)量確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

23、．．．．．．36</p><p>　　3.2.2 傳熱系數(shù)計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37</p><p>　　3.3 設(shè)備的選型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40</p><p>　　4參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．

24、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41</p><p>　　5致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 前言</b>

25、;</p><p>　　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)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)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??；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(jìn)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，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的CO

26、用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。</p><p>　　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非常重要的作用。</p><p>　　目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從80年代中期發(fā)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

27、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。</p><p><b>　　1.2 工藝原理</b></p><p>　　一氧化碳變換反應(yīng)式為：</p><p>　　CO+H2O=CO2+H2+

28、Q (1-1)</p><p>　　CO+H2 = C+H2O (1-2) </p><p>　　其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對式反應(yīng)（1—1）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生。</p><p>　　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)。<

29、/p><p>　　變換過程中還包括下列反應(yīng)式：</p><p>　　H2+O2=H2O+Q </p><p><b>　　1.3 工藝條件</b></p><p><b>　　1.3.1 壓力</b></p><p>　　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

30、成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)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(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)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)計壓力可取1.7MPa.<

31、/p><p><b>　　1.3.2 溫度</b></p><p>　　變換反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，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)溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學(xué)角度推導(dǎo)的計算式為：</p>&

32、lt;p><b>　　Tm=</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　1.3.3 汽氣比</b></p><p>　　水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)

33、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(jìn)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(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟(jì)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

34、，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO可達(dá)15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求</p><p>　　1.4 工藝流程確定</p><p>　　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)計參考河南金大地化工有限責(zé)任公司的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。工藝流程為：從壓縮工段來的半水煤氣（120℃左右）經(jīng)過焦炭過濾器除去少量的焦油后進(jìn)入飽和塔進(jìn)行初步升溫（溫度達(dá)到150℃左右

35、）并帶入一部分水蒸氣，再經(jīng)過預(yù)腐蝕器除去煤氣中少量的硫以后進(jìn)入熱交換器的外筒，在進(jìn)入內(nèi)筒的管內(nèi)，與中變爐過來的熱的變換氣（內(nèi)筒管間）進(jìn)行換熱，換熱后煤氣溫度達(dá)到380℃，煤氣再通過中變電爐進(jìn)入中變爐一段頂部，反應(yīng)后從下部出來進(jìn)入蒸汽過熱增濕器頂部，降溫（溫度從400℃降到380℃）并補充水蒸氣后，從下部出來進(jìn)入中變爐二段上部，從下部出來經(jīng)過熱交換器進(jìn)入一水加熱器降溫（溫度降到250℃），再經(jīng)過低變電爐進(jìn)入低變爐，低變爐出來的變換氣依次經(jīng)

36、過二水加熱器、熱水塔、水冷卻器降溫（溫度降到35℃以下）后，經(jīng)過汽水分離器送到壓縮工段。</p><p>　　1.5 設(shè)備的選擇說明</p><p>　　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，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。</p><p>　　1

37、.6 對本設(shè)計評述</p><p>　　合成氨變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的重要一步，也是較為關(guān)鍵的一步，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要求。</p><p>　　在本設(shè)計中，根據(jù)已知的氣體組成，操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。首先對中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)計算結(jié)果對主要設(shè)備選型，最終完成

38、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。 </p><p>　　本設(shè)計的優(yōu)點在于選擇較為良好的工藝路線，確定良好的工藝條件、合理的催化劑以及設(shè)備的選型和能源綜合利用，如利用中變爐二段出口的熱的變換氣和冷的煤氣進(jìn)行換熱，有效的節(jié)約了能源。另外，就是盡量減少設(shè)備投資費用。分析出了氣體組分對溫度的影響變化。</p><p>　　本設(shè)計也有許多

39、不足的地方：壓力選取過高、在設(shè)備計算中氣體在高壓下取的流速不太準(zhǔn)確。由于本人水平不高，設(shè)計許多因數(shù)對設(shè)計的影響考慮不足。</p><p>　　合成氨的變換工段是成熟工藝，參考文獻(xiàn)資料較多，但是由于本人在校外設(shè)計，能查閱的資料比較有限。設(shè)計可能不完善，請各位老師指正。</p><p>　　2 變換工段物料及熱量衡算</p><p>　　2.1中溫變換物料衡算及熱量衡算

40、</p><p>　　2.1.1確定轉(zhuǎn)化氣組成</p><p>　　已知條件中變爐進(jìn)口氣體組成如表2.1：</p><p><b>　　表2.1</b></p><p><b>　　計算基準(zhǔn)：1噸氨</b></p><p>　　計算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）

41、×22.4/（2×0.216）=3050.1m3(標(biāo))</p><p>　　因為在生產(chǎn)過程中物量可能回有消耗，因此變化氣量取3100 m3(標(biāo))</p><p>　　日生產(chǎn)量：100000/3100=32.25t/h</p><p>　　要求出中變爐的變換氣干組分中CO小于3%</p><p>　　進(jìn)中變爐的變換氣干組分如

42、表2.2</p><p><b>　　表2.2</b></p><p>　　假設(shè)入中變爐氣體溫度為380℃，取出爐與入爐的溫差為30℃，則出爐溫度為410℃。</p><p>　　進(jìn)中變爐干氣壓力=1.75MPa。</p><p>　　2.1.2 水汽比的確定 </p><p>　　取H2O/CO

43、=3.5</p><p>　　故V（水）=1475.6m3(標(biāo)) n(水)=56.46kmol</p><p>　　因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分： 如表2.3</p><p><b>　　表2.3</b></p><p>　　中變爐CO的實際變換率的求取：</p><p>　　假定濕轉(zhuǎn)化氣為100

44、mol，其中CO基含量為9.21%，要求變換氣中CO含量為3%，故根據(jù)變換反應(yīng)：CO+H2O=H2+CO2，則CO的實際變換率為：</p><p>　　%=×100=65.5%</p><p>　　式中Ya、分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）</p><p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：9.21×65.5%=6.0</p>&

45、lt;p>　　則反應(yīng)后的各組分的量分別為： </p><p>　　H2O%=30.2%-6.03%+0.44%=24.61%</p><p>　　CO%=9,21% -6.03%=3.18%</p><p>　　H2% =39.6%+6.03%-0.44%=45.19%</p><p>　　CO2%=6.86%+6.04%=12.9%&

46、lt;/p><p>　　中變爐出口的平衡常數(shù)：</p><p>　　K= （H2%×CO2%）/（H2O%×CO%）=8.27</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知K=8.27時溫度為436℃。</p><p>　　中變的平均溫距為436℃-410℃=26℃</p><p>　　中

47、變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。</p><p>　　2.1.3 中變爐一段催化床層的物料衡算</p><p>　　假設(shè)CO在一段催化床層的實際變換率為60%。</p><p>　　因為進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：如表2.4</p><p><b>　　表2.4</b></p><p

48、>　　假使O2與H2 完全反應(yīng)，O2 完全反應(yīng)掉</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：</p><p>　　60%×421.6=252.96m3(標(biāo))=11.3kmol</p><p>　　出一段催化床層的CO的量為：</p><p>　　421.6-252.96=168.64 M3(標(biāo))=7.53kmol

49、</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：</p><p>　　1720.2+252.96-2×10.23=1952.5 m3(標(biāo))=87.17kmol</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　266.6+252.96=519.56 m3(標(biāo))=23.19kmol<

50、;/p><p>　　出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：如表2.5</p><p><b>　　表2.5</b></p><p>　　剩余的H2O的量為：</p><p>　　1475.6-252.96+2×10.23=1243.1M3(標(biāo))=55.50kmol</p><p>　　所以出中

51、變爐一段催化床層的變換氣濕組分：如表2.6</p><p><b>　　表2.6</b></p><p>　　對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計算：</p><p>　　已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（%）：如表2.7</p><p><b>　　表2.7</b></p&

52、gt;<p>　　對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：</p><p>　　根據(jù)：K=(H2%×CO2%)/（H2O%×CO%)計算得K=5.7</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=5.7時t=472℃,設(shè)平均溫距為32℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：472℃-32℃=440℃</p><p>

53、;　　2.1.4中變爐一段催化床層的熱量衡算</p><p>　　以知條件：進(jìn)中變爐溫度：380℃,出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：440℃，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)：</p><p>　　CO +H2O=CO2+H2 （2-1）</p><p>　　O2 + 2H2= 2 H2O （2-

54、2）</p><p>　　這2個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。</p><p>　　為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計算。以P=1atm，t=25℃為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為：</p><p>　　HT=△H0298=Cpdt </p><

55、p>　　式中 HT ——氣體在在298K的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；</p><p>　　△H0298 ——該氣體在25℃下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；</p><p>　　T——絕對溫度，K；</p><p>　　——氣體的等壓比熱容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/

56、（kmol.℃）</p><p>　　氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式：</p><p>　　=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+…… </p><p>　　式中A0、A1、A2、A3……氣體的特性常數(shù)</p><p>　　將式代入

57、式積分可得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計算通式：</p><p>　　Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 </p><p>　　式中常數(shù)a0、a1、a2、a3、a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為：</p><p>　　a1=A0,

58、 a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4</p><p>　　a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4</p><p>　　采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)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。&

59、lt;/p><p>　　△H=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末 </p><p>　　式中△H ——過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時為放熱，為負(fù)數(shù)時系統(tǒng)為吸熱，kcal；（4.1868kJ）;</p><p>　　ni --- 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)，kmol；</p>

60、<p>　　Hi — 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下；</p><p>　　I — 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）</p><p>　　現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于下表中</p><p>　　氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表如表2.8</p><p><b>　　表2.8</b><

61、;/p><p><b>　　計算O2的基準(zhǔn)焓：</b></p><p>　　根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4</p><p>　　在440℃時T=440+273=713K</p><p>　　查表可得變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓列于下表：如表2

62、.9</p><p><b>　　表2.9</b></p><p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 </p><p>　　△=(∑)始-（∑）末</p><p>　　=-380030.6438+11505.87+979663.932+249991.764 </p><p&g

63、t;　　=-37979.10674kJ/kmol</p><p>　　=15.1×（-37979.10674）=-569121.654kJ</p><p>　　+ 2H2= 2 H2O </p><p>　　=△H2=（∑ni×）始－（∑ni×）末=-378823.4352kJ</p><p><

64、;b>　　氣體共放熱：</b></p><p>　　Q=+ =569121.654+378823.4352=947945.0892kJ</p><p><b>　　氣體吸熱</b></p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O , CO2, N2 ，可用公式：=a+b+CT-2來計算熱容。</p>

65、<p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）</p><p>　　查表可得：如表2.10</p><p><b>　　表1.10</b></p><p>　　=∑Yi×=34.06 KJ/（kmol.℃）</p><p>　　所以氣體吸熱=34.06×307.8×(415-33

66、0)=891111.78kJ</p><p><b>　　假設(shè)熱損失Q4</b></p><p>　　根據(jù)熱量平衡的： </p><p><b>　　Q= +</b></p><p>　　=52934.965 kJ</p><p>　　2.1.5 中變爐催化劑平衡曲線&

67、lt;/p><p>　　根據(jù)H2O/CO=3.5，與公式XP=×100%</p><p><b>　　V=KPAB-CD</b></p><p><b>　　q=</b></p><p>　　U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1</p><p>　　其中A、B、

68、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度如表2.11</p><p><b>　　表2.11</b></p><p>　　中變爐催化劑平衡曲線如下：</p><p>　　2.1.6最佳溫度度曲線的計算</p><p>　　由于中變爐選用C6型催化劑，</p><p>　　最適宜溫度曲線由

69、式 進(jìn)行計算。</p><p>　　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(fù)反應(yīng)活化能分別為E1=10000千卡/千克分子，E2=19000千卡/千克分子。</p><p>　　最適宜溫度計算列于下表中：如表2.12</p><p><b>　　表2.12</b></p><p>　　將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜

70、溫度曲線如下圖：</p><p>　　2.1.7操作線計算</p><p>　　由中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知：</p><p>　　中變爐入口氣體溫度 380℃</p><p>　　中變爐出口氣體溫度 410℃</p><p>　　中變爐入口CO變換率 0</p>&l

71、t;p>　　中變爐出口CO變換率 60%</p><p>　　由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下：</p><p>　　2.1.8中間冷淋過程的物料和熱量衡算</p><p>　　此過程采用水來對變換氣進(jìn)行降溫。</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　

72、　變換氣的流量：203.8kmol</p><p>　　設(shè)冷淋水的流量：X kg</p><p>　　變換氣的溫度：440℃</p><p>　　冷淋水的進(jìn)口溫度：20℃</p><p>　　進(jìn)二段催化床層的溫度：385℃</p><p>　　操作壓力：1750kPa</p><p><b

73、>　　熱量計算：</b></p><p>　　冷淋水吸熱：據(jù)冷淋水的進(jìn)口溫度20℃查《化工熱力學(xué)》可知 =83.96kJ/kg</p><p>　　根據(jù)《化工熱力學(xué)》可知如表2.13</p><p><b>　　表2.13</b></p><p>　　冷凝水要升溫到353℃，所以設(shè)在353℃, 615K

74、,1750kp時的焓值為h</p><p><b>　　對溫度進(jìn)行內(nèi)查法：</b></p><p><b>　　1600kpa時</b></p><p>　　(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) </p><p>　　h=3752

75、.09 kJ/kg</p><p><b>　　1800kpa時</b></p><p>　　(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)</p><p>　　h=3750.668 kJ/kg</p><p>　　對壓力用內(nèi)差法得353℃，615K，1750Kp時的焓值h為：<

76、/p><p>　　(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)</p><p>　　h=3751.0235 kJ/kg</p><p>　　= X( 3813.244875-83.96)</p><p><b>　　變換氣吸熱</b></p><p>

77、;　　根據(jù)表5-1.2和表5-1.3的計算方法得：如表2.14</p><p><b>　　表2.14</b></p><p>　　所以= ∑Yi× =33.92 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　=203.8×33.92×(440-380)</p><p>　　取熱損失為0.04

78、 </p><p>　　根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2= X(3751.0235-83.96)</p><p>　　X=169.46kg=9.415kmol=108.2 m3(標(biāo))</p><p>　　所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分：</p><p>　　水的量為：108.2+1243.1=1351.3 m3(標(biāo)) 如表2.15</p&g

79、t;<p><b>　　表2.15</b></p><p>　　2.1.9中變爐二段催化床層的物料衡算</p><p>　　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421.60.74=312 m3(標(biāo))</p><p>　　在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：</p><p

80、>　　168.64-（421.6-312）=59m3(標(biāo))=2.6kmol</p><p>　　出中變爐二段催化床層的CO的量為：168.64-59=109.64 m3(標(biāo))</p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　519.56+59= 578.56m3(標(biāo))</p><p>　　故在二段催化

81、床層反應(yīng)后剩余的的量為：</p><p>　　1952.5+59= 2011.5m3(標(biāo))</p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：</p><p>　　1351.3-59=1292.3m3(標(biāo))</p><p>　　所以出中變爐的濕組分：如表2.16</p><p><b>　　表2.

82、16</b></p><p>　　對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：</p><p>　　根據(jù)：K= （H2%×CO2%）/（H2O%×CO%）</p><p><b>　　計算得K=11.2</b></p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=11.26時t=4

83、05℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為40℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：</p><p>　　405℃-40℃=365℃</p><p>　　2.1.10中變爐二段催化床層的物料衡算</p><p>　　以知條件：進(jìn)變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353℃</p><p>　　出變爐二段催化床層的變換氣溫度

84、為：365℃</p><p><b>　　變換氣反應(yīng)放熱：</b></p><p>　　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：如表2.17</p><p><b>　　表2.17</b></p><p>　　放熱： CO +H2O=CO2

85、+H2 （1）</p><p>　　△ =（∑Hi）始－（∑Hi）末 =-38553.74846 kJ/kg</p><p>　　=2.6×38553.74846=100239.8 kJ/kg</p><p><b>　　氣體吸熱：</b></p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, , H2O, C

86、O2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）如表2.18</p><p><b>　　表2.18</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：如表2.19</p><p><b>　　表2.19<

87、/b></p><p>　　計算結(jié)果：如表2.20</p><p><b>　　表2.20</b></p><p>　　=∑Yi Cp=33.61KJ/（kmol.℃）</p><p>　　=33.61 208.6 （365-353）=84132.5kJ</p><p><b>　

88、　熱損失：</b></p><p>　　= - =16107.3 kJ</p><p>　　2.2低變爐的物料與熱量計算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　進(jìn)低變爐的濕組分： 如表2.21</p><p><b>　　表2.21</b&

89、gt;</p><p><b>　　進(jìn)低變爐的干組分：</b></p><p>　　2.2.1低變爐的物料衡算</p><p>　　要將CO%降到0.3%（濕基）以下，則CO的實際變換率為：</p><p>　　%=×100=86.97%</p><p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：109

90、.64×86.97%=95.36m3(標(biāo))=4.36kmol</p><p>　　出低溫變換爐CO的量：109.64-95.36=14.28 m(標(biāo))=0.6375kmol</p><p>　　出低溫變換爐的量： 2011.5+95.36=2106.86 m3(標(biāo))=94.05kmol</p><p>　　出低溫變換爐的量：1292.3-95.36=119

91、6.9 m3(標(biāo))=53.43kmol</p><p>　　出低溫變換爐的量： 578.56 +95.36=673.92 m3(標(biāo))=30.08kmol</p><p>　　出低變爐的濕組分：如表2.22</p><p><b>　　表2.22</b></p><p>　　出低變爐的干組分：如表2.23</p>

92、;<p><b>　　表2.23</b></p><p>　　對出低變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算：</p><p>　　根據(jù)：K= （H2%×CO2%）/（H2O%×CO%）</p><p>　　計算得K=146.3</p><p>　　查《小合成氨廠工藝與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=146.3時t=

93、225℃</p><p>　　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：</p><p>　　t=225-30=195℃</p><p>　　2.2.2低變爐的熱量衡算</p><p>　　已知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為：180℃</p><p>　　出低變爐催化床層的變換氣溫度為：195℃&l

94、t;/p><p><b>　　變換氣反應(yīng)放熱：</b></p><p>　　在195℃時，T=468K</p><p>　　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：468K,計算結(jié)果如下：如表2.24</p><p><b>　　表2.24</b></p><

95、p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 </p><p>　　△=（∑）始－（∑）末 =-39958.286 kJ/kg</p><p>　　=4.36×39958.286=174218.13 kJ/kg</p><p><b>　　氣體吸熱：</b></p><p>　　氣體吸

96、熱時的平均溫度：（180+195）/2=187.5℃，T=460.5K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, , , , N2 ，可用公式：=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol .℃） 如表2.25</p><p><b>　　表2.25</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算

97、熱容：如表2.26</p><p><b>　　表2.26</b></p><p>　　計算結(jié)果：如表2.27</p><p><b>　　表2.27</b></p><p>　　=∑Yi×Cp=32.86kJ/（kmol.℃）</p><p>　　=33.61&#

98、215;208.6×（195-180）=105134.4kJ</p><p>　　熱損失=-=174218.13-105134.4=69083.73 kJ</p><p>　　2.2.3低變爐催化劑平衡曲線</p><p>　　根據(jù)公式XP=×100%</p><p><b>　　V=KPAB-CD</b&

99、gt;</p><p><b>　　q=</b></p><p>　　U=KP（A+B）+（C+D）</p><p><b>　　W=KP-1</b></p><p>　　其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度如表2.28</p><p><b&

100、gt;　　表2.28</b></p><p>　　低變爐催化劑平衡曲線如下：</p><p>　　2.2.4低變爐最佳溫度曲線的計算</p><p>　　由于低變爐選用B302型催化劑。</p><p>　　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=43164kJ/kmol</p>&l

101、t;p>　　CO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能為：</p><p>　　- =r×(-△H)</p><p>　　對于CO變換反應(yīng)r=1，則=(-△H) + </p><p>　　△H為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：</p><p>　?。?80+195）/2=187.5℃，T=460.5K</p><p>

102、　　CO的反應(yīng)式為： CO +H2O=CO2+H2 </p><p>　　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：</p><p>　　△H=-1000-0.291×T+2.845×10-3×T2-0.97.3×10-3T3</p><p>　　得：△H=-9422.62 kcal/kmol=-39450.

103、653 kJ/kmol</p><p>　　=39450.653+43164=82614.653 kJ/kmol</p><p>　　2.2.5最適宜溫度曲線</p><p>　　由式Tm= 進(jìn)行計算</p><p>　　最適宜溫度計算列于下表中：如表2.29</p><p><b>　　表2.29</

104、b></p><p>　　將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：</p><p>　　2.3飽和水塔的熱量和物料計算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　進(jìn)飽和水塔的轉(zhuǎn)化氣組分：如表2.30</p><p><b>　　表2.30</b>

105、;</p><p>　　進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：220℃</p><p>　　出廢熱鍋爐的溫度為：380℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水溫：20℃</p><p>　　出設(shè)備的水溫：380℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：186.3kmol</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水量：X

106、kmol</p><p>　　物量在設(shè)備里無物量的變化。</p><p><b>　　2.3.1熱量計算</b></p><p><b>　　(1)入熱：</b></p><p><b>　　水的帶入熱Q1</b></p><p>　　水在20℃時 Cp

107、=33.52 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q1=X×（20+273）×33.52</p><p><b>　　=9821.36X</b></p><p>　　轉(zhuǎn)化氣的帶入熱Q2：</p><p>　　轉(zhuǎn)化氣在220℃時T=473K</p><p>　　根據(jù)《物理

108、化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）如表2.31</p><p><b>　　表2.31</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：如表2.32</p><p>&l

109、t;b>　　表2.32</b></p><p>　　計算結(jié)果：如表2.33</p><p><b>　　表2.33</b></p><p>　　=∑Yi×=36.4kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=36.4×186.3×（220+273）=8090114.7

110、6kJ</p><p><b>　　(2)出熱：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)化氣的帶出熱：Q3=32.66×186.3×（330+273）=3668988.47KJ</p><p>　　轉(zhuǎn)化氣在335℃時T=608K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2

111、，可用公式：=a+b+CT-2來計算熱</p><p><b>　　容。</b></p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）如表2.33</p><p><b>　　表2.33</b></p><p>　　計算結(jié)果：如表2.34</p><p><b>

112、　　表2.34</b></p><p>　　=∑Yi×=32.66kJ/（kmol.℃）</p><p>　　=32.66×186.3×（330+273）=3668988.47kJ</p><p><b>　　水的帶出熱：</b></p><p>　　水在335℃，T=603K時

113、的熱容為：=36.55 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q4=X×36.55×（330+273）=22039.65X</p><p><b>　　熱損失Q5：</b></p><p>　　Q5=0.04×(Q1+ Q2)</p><p><b>　　熱量平衡：</

114、b></p><p>　　0.96×(Q1+ Q2)= Q3+ Q4 </p><p>　　0.96（9821.36X +8090114.76）=22039.65X+3668988.47</p><p>　　X=330.00kmol</p><p>　　2.3.2水蒸氣的加入</p><p>　　

115、要使H2O/CO=3.5還要加入的水量為：W</p><p>　?。?475.6-1073.5）÷22.4=17.95oml</p><p>　　2.4 主換熱器的物料與熱量的計算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量：186.3 kmol</p>

116、<p>　　進(jìn)出設(shè)備的水的量：X kmol</p><p>　　物料的量在設(shè)備中無變化。</p><p><b>　　溫度：</b></p><p>　　變換氣進(jìn)設(shè)備的溫度：410℃</p><p>　　變換氣出設(shè)備的溫度：250℃</p><p>　　水進(jìn)設(shè)備的溫度： 20℃

117、</p><p>　　水出設(shè)備的溫度： 90℃</p><p><b>　　(1)入熱：</b></p><p><b>　　變換氣帶入熱：Q1</b></p><p>　　變換氣在365℃時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：=a+b+CT-2來計算熱容。

118、</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）如表2.35</p><p><b>　　表2.35</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：如表2.36</p><p><b>　　表2.36</b></p><p>　　計

119、算結(jié)果：如表2.37</p><p><b>　　表2.37</b></p><p>　　=∑Yi×=33.94kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q1=186.3×33.94×（365+273）=4318624.026kJ</p><p><b>　　水的帶入熱Q2：&l

120、t;/b></p><p>　　水在20℃時Cp=33.52 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=X×(20+273)×33.52=9821.36×X</p><p><b>　　(2)出熱：</b></p><p>　　變換氣在出口溫度為250℃，T=523K時根據(jù)《物

121、理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）如表2.38</p><p><b>　　表2.38</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：如表2.39</p><p>&

122、lt;b>　　表2.39</b></p><p>　　計算結(jié)果：如表2.40</p><p><b>　　表2.40</b></p><p>　　=∑Yi×Cp=33.14kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q3=33.14×683×186.3=4721581.7k

123、J</p><p><b>　　水的帶出熱Q4：</b></p><p>　　水在90℃時Cp=34.14 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q4=X×34.14×(90+273)=12392.82×X</p><p>　　熱損失Q5：取0.04Q</p><p

124、><b>　　根據(jù)熱量平衡：</b></p><p>　　0.96×（Q1+Q2）=Q3+Q4</p><p>　　X=23.99kmol</p><p><b>　　3 設(shè)備的計算</b></p><p>　　3.1中溫變換爐的計算</p><p>　　3.

125、1.1媒用量的計算</p><p>　　根據(jù)文獻(xiàn)《3000噸型合成氨廠工藝和設(shè)備計算》可知：</p><p>　　Vr=T0×V0 </p><p>　　式中 Vr ——觸媒體積，M3(標(biāo))</p><p>　　T0 ——標(biāo)準(zhǔn)接觸時間，h× m3 / M3(標(biāo))</p><p>　　V0——通過觸

126、媒的氣體體積，M3(標(biāo))/h</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)接觸時間的計算公式如下：</p><p>　　式中：W=Kp-1;</p><p>　　U=Kp(A+B)+(C+D);</p><p>　　V=KPAB-CD;</p><p><b>　　q=</b></p><p>