化学工程与工艺毕业设计论文年产12万吨合成氨变换工段工艺设计.docx
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化学工程与工艺毕业设计论文年产12万吨合成氨变换工段工艺设计
第一章物料与热量衡算
已知条件:
组分
CO2
CO
H2
N2
Ar
CH4
合计
含量%
9.07
13.43
54.96
22.04
0.29
0.21
100
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/(2×0.2204)=2989.22M3(标)
因为在生产过程中物料可能会有损失,因此变换气量取3000M3(标)
年产10万吨合成氨生产能力(一年连续生产300天):
日生产量:
100000/300=333.3T/d=13.89T/h
要求出低变炉的变换气干组分中CO%不大于0.3%。
进中变炉的变换气干组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
Ar
CH4
合计
含量,%
9.07
13.43
54.96
22.04
0.29
0.21
100
M3(标)
272.1
402.9
1648.8
661.2
8.7
6.3
3000
kmol
12.14
17.99
73.61
29.52
0.39
0.28
133.93
假设进中变炉的变换气温度为370℃,取变化气出炉与入炉的温差为20℃,出炉的变换气温度为390℃。
进中变炉干气压力。
P=1.8Mpa.
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=3.8
故V(水)=3.8
Vc=1531.02m3(标),n(水)=68.35kmol
因此进中变炉的变换气湿组分
组分
CO2
CO
H2
N2
Ar
CH4
H2O
合计
含量%
5.99
8.87
36.32
14.57
0.19
0.14
33.73
100
M3(标)
272.1
402.9
1648.8
661.2
8.7
6.3
1531
4539.1
kmol
12.15
17.99
73.61
29.52
0.39
0.28
68.35
202.64
2.中变炉的计算
2.1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8.87%,要求变换气中CO含量为0.2%,故根据变换反应:
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=
=75.93%
则反应掉的CO的量为:
8.87×75.93%=6.73
则反应后的各组分的量分别为:
H2O%=33.73%-6.73%
=27%
CO%=8.87%-6.73%
=2.14%
H2%=36.32%+6.73%
=43.05%
CO2%=5.99%+6.73%
=12.72%
中变炉出口的平衡常数:
Kp=(H2%×CO2%)/(H2O%×CO%)=9.48
查得Kp=9.48时温度为424℃。
中变的平均温距为424℃-390℃=34℃
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。
2.2中变炉催化剂平衡曲线
根据H2O/CO=3.8
XP=
×100%
V=KPAB-CD
q=
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:
T
300
320
340
360
380
400
T
573
593
613
633
653
673
Xp
0.9286
0.9080
0.8842
0.8574
0.8278
0.7956
T
420
440
460
T
693
713
733
Xp
0.7613
0.7253
0.6880
中变炉催化剂平衡曲线如下:
2.3最佳温度曲线的计算
由于中变炉选用QCS-01型催化剂,
最适宜温度曲线由式
进行计算。
E1=74.49kJ/mol,E2=113.39kJ/mol。
最适宜温度计算结果列于下表中:
Xp
0.9286
0.9080
0.8842
0.8574
0.8278
0.7956
T
573
593
613
633
653
673
T
272
290
308
326
344
362
Xp
0.7613
0.7253
0.6880
T
693
713
733
T
380
397
414
将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图:
2.4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370℃
进中变炉一段催化床层的变换气湿组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
Ar
CH4
H2O
合计
含量%
5.99
8.87
36.32
14.57
0.19
0.14
33.73
100
M3(标)
272.1
402.9
1648.8
661.2
8.7
6.3
1531.02
4539.1
kmol
12.15
17.99
73.61
29.52
0.39
0.28
68.35
202.64
2.4.1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%
故在一段催化床层反应掉的CO的量为:
60%×402.9=241.74M3(标)=10.79kmol
出一段催化床层的CO的量为:
402.9-241.74=161.16M3(标)=7.19kmol
故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:
1648.8+241.74=1890.54M3(标)=84.40kmol
故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为:
272.1+241.74=513.84M3(标)=22.94kmol
故出中变炉一段催化床层的变换气干组分的体积:
V总(干)=161.16+1890.54+513.84+661.2+6.3+8.7=3241.74M3(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%=
=4.97%
同理得:
CO2%=
=15.85%
H2%=
=58.32%
Ar%=
=0.27%
N2%=
=20.40%
CH4%=
=0.19%
所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
Ar
合计
含量%
15.85
4.97
58.32
20.40
0.19
0.27
100
M3(标)
513.84
161.16
1890.54
661.2
6.3
8.7
3241.74
Kmol
22.94
7.19
84.40
29.52
0.28
0.39
144.72
剩余的H2O的量为:
1531.02-241.74=1289.28M3(标)=57.56kmol
故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积:
V总(湿)=3241.74+1289.28=4531.02M3(标)=202.28kmol
故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中H2O的含量
H2O%=
=28.45%
故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的含量
CO2%=
=11.34%
同理可得:
CO%=
=3.56%
H2%=
=41.72%
N2%=
=14.59%
CH4%=
=0.14%
Ar%=
=0.19%
所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量(%):
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
Ar
H2O
合计
含量%
11.34
3.56
41.72
14.59
0.14
0.19
28.45
100
M3(标)
513.84
161.16
1890.5
661.2
6.3
8.7
1289.28
4531.02
Kmol
22.94
7.19
84.40
29.52
0.28
0.39
57.56
202.28
2.4.2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
CO2
CO
H2
N2
CH4
Ar
H2O
合计
含量%
11.34
3.56
41.72
14.59
0.14
0.19
28.45
100
M3(标)
513.84
161.16
1890.5
661.2
6.3
8.7
1289.28
4531.02
Kmol
22.94
7.19
84.40
29.52
0.28
0.39
57.56
202.28
根据:
Kp=(H2%×CO2%)/(H2O%×CO%)计算得K=5.067
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当Kp=5.928时t=475℃
设平均温距为50℃,则出中变炉一段催化床层的变换气温度为:
475℃-50℃=425℃
2.4.3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:
370℃
出中变炉一段催化床层的变换气温度为:
425℃
可知反应放热Q:
在变化气中含有CO,H2O,CO2,H2这4种物质会发生以下1种反应:
CO+H2O=CO2+H2
(1)
这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:
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——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×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=A3/4
a0=△H0298-298.16a1-298.162×a2-298.163×a3-298.164×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
a0
a1
a2
A3
a4
O2
1.90318×103
5.80298
2.15675×10–3
-7.40499×10–7
1.08808×10–10
H2
-2.11244×103
7.20974
-5.55838×1-4
4.8459×10-7
-8.18957×10-11
H2O
-6.0036×104
7.11092
1.29319×10-3
1.28506×10-7
-5.78039×10-11
N2
-1.97673×103
6.45903
5.18164×10-4
2.03296×10-7
-7.65632×10-11
CO
-2.83637×104
6.26627
8.98694×10-4
5.04519×10-9
-4.14272×10-11
CO2
-96377.88867
6.396
5.05×10-3
-1.135×10-6
0.00
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448℃时T=425+273=698K
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
H2
H2O
CO
CO2
Ht(kcal/kmol)
2794.508
-54412.553
-23560.11
-89839.079
Ht(kJ/kmol)
11697.40
-227762.88
-98619.14
-376053.07
放热:
CO+H2O=CO2+H2
(1)
△H1=(∑Hi)始-(∑Hi)末=-376053.07+11697.40+98619.146+227762.88
=-37973.644kJ/kmol
Q1=
10.79×(-37973.644)
=-409735.62kJ
气体反应共放热:
Q=409735.62KJ
气体吸热Q2
根据《物理化学教程》知CO,H2,H2O,CO2,N2,可用公式:
Cp=a+bT+CT2来计算热容,热容的单位为kJ/(kmol.T)
表5-1.2
物质
CO
H2
H2O
CO2
N2
Ar
A
28.41
27.28
30
44.14
27.87
20.7723
b/10-3
4.1
3.26
10.71
9.04
4.27
---------
c/105
-0.46
0.502
0.33
-8.53
-----------
----------
CH4可用公式:
Cp=a+bT+CT2+dT3来计算热容:
表5-1.3
物质
A
b/10-3
c/10-6
d/10-9
CH4
17.45
60.46
1.117
-7.2
计算结果得:
物质
CO
CO2
H2
H2O
N2
Ar
CH4
Cp
31
48.2
29.6
37.2
30.7
20.7277
56.1
所以平均热容:
Cpm=∑Yi*Cp=34.10KJ/(kmol.T)
所以气体吸热Q2=34.10×202.28×(425-370)
=379376.14kJ
假设热损失Q3(一般热损失都小于总热量的10%)
根据热量平衡的:
Q=Q2+Q3
Q3=27187.39kJ
2.4.4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370℃
中变炉出口气体温度425℃
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:
2.5中间冷凝过程的物料和热量衡算:
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:
202.28koml
设冷淋水的流量:
Xkg
变换气的温度:
425℃
冷淋水的进口温度:
20℃
进二段催化床层的温度:
380℃
操作压力:
1800kp
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
P/kPa
H/(kJ/kg)
360
1500
3169.2
360
2000
3159.3
400
1500
3255.8
400
2000
3247.6
冷淋水要升温到380℃,所以设在380℃,653K,1800kp时的焓值为h
对温度进行内查法:
1500kpa时
(653-633)/(h-3169.2)=(673-653)/(3255.8-h)
h=3212.5kJ/kg
2000kpa时
(653-633)/(h-3159.3)=(673-653)/(3247.6-h)
h=3203.45kJ/kg
对压力用内差法得380℃,653K,1800Kp时的焓值h为:
(1800-1500)/(h-3212.5)=(2000-1800)/(3203.45-h)
h=3207.07kJ/kg
Q1=X(3207.07-83.96)
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
CO2
H2
H2O
N2
CH4
Cp
31
48.2
29.6
37.2
30.7
56.1
所以Cpm=∑Yi*Cp=34.10kJ/(kmol.℃)
Q2=202.28*34.10*(425-380)
取热损失为0.05Q2
根据热量平衡:
0.95Q2=X(3207.07-83.96)
X=99.39kg=5.52koml=123.65M3(标)
所以进二段催化床层的变换气组分:
水的量为:
123.65+1289.28=1412.93M3(标)
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
Ar
H2O
合计
含量%
11.04
3.46
40.62
14.21
0.14
0.19
30.36
100
M3(标)
513.84
161.16
1890.54
661.2
6.3
8.7
1412.93
4654.67
Kmol
22.94
7.19
84.40
29.52
0.28
0.39
63.08
202.28
2.6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
CO2
CO
H2
N2
CH4
Ar
合计
含量%
15.85
4.97
58.32
20.40
0.19
0.27
100
M3(标)
513.84
161.16
1890.54
661.2
6.3
8.7
3241.74
Kmol
22.94
7.19
84.40
29.52
0.28
0.39
144.72
2.6.1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0.76(总转化率)
所以在CO的变化量为:
402.9×0.76=306.20M3(标)=13.67kmol
在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为:
161.16-(402.9-306.20)=64.46M3(标)=2.88kmol
出中变炉二段催化床层的CO的量为:
161.16-64.46=96.7M3(标)=4.32kmol
故在二段催化床层反应后剩余的CO2的量为:
513.84+64.46=578.3M3(标)=25.82kmol
故在二段催化床层反应后剩余的H2的量为:
1890.54+64.46=1955M3(标)=87.28kmol
所以在二段催化床层反应后的变换气总量:
V总(干)=96.7+578.3+1955+661.2+8.7+6.3=3306.2M3(标)=147.60kmol
所以出中变炉二段催化床层的变换气干组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
Ar
合计
含量%
17.49
2.92
59.13
20.00
0.19
0.26
100
M3(标)
578.3
96.7
1955
661.21
6.3
8.7
3306.2
kmol
25.82
4.32
87.28
29.52
0.28
0.39
147.60
故在二段催化床层反应后剩余的H2O的量为:
1412.93-64.46=1348.47M3(标)=60.20kmol
故出中变炉二段催化床层的变换气湿组分中CO的含量:
CO%=
=2.08%
同理得:
CO2%=
=12.42%
H2%=
=42.00%
N2%=
=14.21%
CH4%=
=0.14%
H2O%=
=28.97%
Ar%=
=0.19%
所以出中变炉的湿组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
Ar
合计
含量%
12.42
2.08
42.00
14.21
0.14
28.97
0.19
100
M3(标)
578.3
96.7
1955
661.2
6.3
1348.47
8.7
4654.67
Kmol
25.82
4.32
87.28
29.52
0.28
60.20
0.39
207.80
对出中变炉二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=8.66
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当Kp=8.56时t=432℃
设平均温距为42℃,则出中变炉二段催化床层的变换气温度为:
432℃-42℃=390℃
2.6.2.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:
380℃
出中变炉二段催化床层的变换气温度为:
390℃
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658K时的生成焓。
计算结果如下:
组分
H2
H2O
CO
CO2
Ht(kcal/kmol)
2513.614
-54772.366
-23857.721
-90306.203
Ht(kJ/kmol)
10521.616
-229268.882
-99864.885
-378008.384
放热:
CO+H2O=CO2+H2
(1)
△H1=(∑Hi)始-(∑Hi)末=-38353.001kJ/kg
所以得:
Q1=2.88*38353.001=110456.64kJ/kg
气体吸热Q2:
根据《物理化学教程》知CO,H2,H2O,CO2,N2,可用公式:
Cp=a+bT+CT2来计算
热容。
热容的单位为kJ/(kmol.T)
表5-1.2
物质
CO
H2
H2O
CO