1#变换装置能量测试报告0801.docx
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1#变换装置能量测试报告0801
云南云天化国际化工有限公司
技术文件
云峰分公司
合成氨厂1#变换生产装置能量平衡测试报告
二〇一三年七月
云峰分公司
合成氨1#变换生产装置能量平衡测试方案
编写者：
审核者：
批准者：
试验主要工作人员：
1．概述
1.1企业主要生产工艺概况
云天化国际云峰分公司合成氨装置始建于1966年，1971年12月建成投产。
目前生产能力可达到年产合成氨10万吨。
2005年5月泡沫除尘器改二次洗涤塔，2005年11月气柜出口增加电捕焦油器，2004年8月半脱有ADA脱硫改栲胶脱硫，2005年11月半脱由高塔再生改喷射氧化再生，2003年11月1#变换由中温变换改全低变，2005年11月2#变换由中温变换改全低，2003年11月硫回收开始起用离心机脱水部分替代熔硫，2005年11月硫回收用离心机脱水部分替代熔硫。
其中：
半水煤气脱硫6.3tNH3/h平均·塔；1＃变换处理半水煤气量:
36000Nm3/h，2＃变换处理半水煤气量（干基）：
36000Nm3/h。
1.2测试目的
合成氨变换装置物料、能量平衡测试主要是掌握合成氨生产时装置内所消耗的物料和生产出的物料、进入用能设备的能量，产品生产利用的能量、输出的能量和损失的能量，以及在体系内物质化学反应放出或吸收的热量，要求得到数量上的平衡。
1.3测试依据
1.《企业能量平衡通则》（GB/T3484-2009）
2.《综合能耗计算通则》（GB/T2589—2008）
3.2009年3月30日云天化国际化工安全生产部下发《关于进一步规范部分产量及消耗计算的通知
1.4测试范围和内容
对变换系统进行物料平衡测试，定量分析蒸汽、脱盐水的消耗指标，半水煤气中CO的变换率，各阶段变换气的气体组成；进行热量平衡测试，对能量的输入、转换使用、回收利用、输出和损失进行测试，定量分析工序用能情况。
2.测试方法及测点布置
2.1工艺流程简图
描述合成氨变换装置主要工艺流程。
变换工艺流程简图如下
备注：
表示半水煤气及变换气
表示脱盐水、冷却水、软水
表示外来外来蒸汽
2.2装置能流简图
2.3物料方法及测点
方法：
通过MES进行温度、压力、流量等原始数据的采集工作，部分设备对应点找不到测点的，在现场通过红外测温仪等进行数据采集，然后根据方案计算出装置内各设备理论数据，得到的理论结果和实际测点结果比较，分析出结论。
测点：
装置上分布的各个热电偶，压力表，流量计等所在位置，分布于各设备的物料进出口。
3．数据处理
3.1饱和塔的物料及热量衡算
3.1.1已知条件
进塔半水煤气温度：
T饱气入=45.9℃
出塔半水煤气温度：
T饱气出=101℃
进塔热水温度：
T饱水入=120.5℃
出塔热水温度：
T饱水出=66.7℃
进塔半水煤气压力：
P饱气入=0.651Mpa
进塔干半水煤气量等于出塔干半水煤气量：
n饱气=1116.07kmol入饱和塔的半水煤气组成即入变换炉一段的干半水煤气组成。
3.1.2物料衡算
取饱和塔出口半水煤气中蒸汽的饱和度为ф=95%，T饱气出=101℃时的饱和蒸汽压为P水.饱气出=0.10499MPa
则出饱和塔半水煤气中带出的蒸汽量为：
G出
=203.87kmol
饱和塔入口半水煤气的组成（干）：
体积%
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
合计
测试值
9.2
32.4
37.8
19.9
0.4
0.3
100%
a．CO2的体积=半水煤气量×半水煤气中CO2%（由化验分析测试得到）
CO2的气体摩尔数=CO2的体积/22.4
CO2的质量=CO2的摩尔数×44
b．CO的体积=半水煤气量×半水煤气中CO%
CO的摩尔数=CO的体积/22.4
CO的质量=CO的摩尔数×28
c．H2的体积=半水煤气量×半水煤气中H2%
H2的摩尔数=H2的体积/22.4
H2的质量=H2的摩尔数×2
d．N2的体积=半水煤气量×半水煤气中N2%
N2的摩尔数=N2的体积/22.4
N2的质量=N2的摩尔数×28
e．CH4的体积=半水煤气量×半水煤气中CH4%
CH4的摩尔数=CH4的体积/22.4
CH4的质量=CH4的摩尔数×16
f．O2的体积=半水煤气量×半水煤气中O2%
O2的摩尔数=O2的体积/22.4
O2的质量=O2的摩尔数×32
g．进系统前初始（干）半水煤气计算汇总如下：
名称
测试值
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
合计
含量%
9.2
32.4
37.8
19.9
0.4
0.3
100
Nm3
2300
8100
9450
4975
100
75
25000
kmol
102.68
361.61
421.88
222.10
4.46
3.35
1116.07
kg
4517.86
10125.00
843.75
6218.75
71.43
107.14
21883.93
出饱和塔半水煤气组成：
名称
测试值
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
H2O
合计
含量%（干）
9.2
32.4
37.8
19.9
0.4
0.3
0
100
含量%（湿）
7.8
27.4
32.0
16.8
0.3
0.3
15.4
100
Nm3
2300
8100
9450
4975
100
75
4567
29567
kmol
102.68
361.61
421.88
222.10
4.46
3.35
203.87
1319.94
kg
4517.86
10125.00
843.75
6218.75
71.43
107.14
3669.74
25553.67
已知入饱和塔水量为：
n饱入水=n循环水=3055.56kmol
3.1.3热量衡算
①带入热量Q入：
a．气体带入热Q1：
查《小合成氨厂工艺设计与技术手册》P429~P435图表，可得T饱气与0.65MPa下各组分的比热容Cp
组分
CO
H2
H2O
CO2
CH4
N2
O2
Cp（kJ/kmol·℃）
29.5
29.3
38.8
39.7
36.8
29.5
29.8
含量%
32.40
37.80
0.00
9.20
0.40
19.90
0.30
Cp.m=∑Yi×Cpi=30.39kJ/（kmol·℃）
则干半水煤气带入热为：
Q1=n饱气Cp.mT饱气入
=1116.07×30.39×45.9=1556955.72kJ
b．水带入热Q2：
查资料T饱水入=120.5℃下水的焓值为i水入：
=506kJ/kg
则Q2=n饱入水M水i水入=3055.56×18×506=27830040kJ
合计：
Q入=Q1+Q2=1556955.72＋27830040=29386996kJ
②带出热量Q出：
a．气体带出热Q3：
同上计算T饱气出下干半水煤气的Cp.m’：
=30.54kJ/（kmol·℃），
查资料此时蒸汽焓值为i汽出：
=2677kJ/kg
则干半水煤气带入热为：
Q3’=n饱气Cp.m’T饱气出
=1116.07×30.54×101=3442563kJ
半水煤气中的水蒸汽带入热为：
Q3’’=m水i汽出
=3669.74×2677=9823894kJ
所以Q3=Q3’+Q3’’=3442563＋9823894=13266457kJ
b．水带出热Q4：
查资料T饱水出℃下水的焓值为i水出=280.97kJ/kg
Q4=m水i水出=（m饱水入－m气.带）i水出=（3055.56－203.87）×18×280.97=14422308kJ
c．热损失Q5：
合计：
Q出=Q3+Q4+Q5
由热平衡：
Q入=Q出
求得热损失Q5=Q1+Q2－Q3－Q4=29386996－9823894－14422308=5140794kJ
3.2变换炉物料及热量计算
3.2.1已知条件
（1）计算基准：
1吨氨
生产能力：
10万吨/年
生产制度：
330天/年（24小时工作制）
生产能力：
100000/（330×24）=12.626（t/h）
取每吨氨耗用半水煤气3150Nm3，则：
每小时的半水煤气用量为：
3150×12.626=39772.73Nm3/h
（2）进系统前初始半水煤气的组成（干）：
体积%
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
合计
测试值
9.2
32.4
37.8
19.9
0.4
0.3
100%
g．进系统前初始（干）半水煤气计算汇总如下：
名称
测试值
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
合计
含量%
9.2
32.4
37.8
19.9
0.4
0.3
100
Nm3
2300
8100
9450
4975
100
75
25000
kmol
102.68
361.61
421.88
222.10
4.46
3.35
1116.07
kg
4517.86
10125.00
843.75
6218.75
71.43
107.14
21883.93
（3）压力：
进系统前半水煤气压力为：
P1=0.652MPa（表）
进系统前蒸汽压力为：
P2=0.73MPa（表）
（4）CO含量：
出系统变换气（干）中CO含量为：
2.8～3.2%
（5）温度：
进变换炉一段半水煤气温度：
T1.入=203.7℃
出变换炉一段变换气温度：
T1.出=405.5℃
进变换炉二段变换气温度：
T2.入=184.5℃
出变换炉二段变换气温度：
T2.出=298.3℃
3.2.2变换炉一段催化剂层物料及热量衡算
①入炉蒸汽比（汽﹕气）的计算：
由分析知变换炉一段出口CO含量为12%，且氧在此段内与氢完全反应生成水，则：
实际参加CO变换反应的半水煤气量为：
V实＝V－3VO2Nm3
＝进系统前的干半水煤气量－3×进系统前的干半水煤气中O2的体积
=25000-3×75=24775Nm3
设一段转化率为X1，则
干变换气量为：
V变＝V实＋V实×yCO×X1=24775+8100×X1Nm3
式中：
yCO——实际参加CO变换反应的半水煤气中CO的含量，体积%
y’CO——出变换炉变换气中CO的含量，体积%
yCO＝进系统前的干半水煤气量×进系统前的干半水煤气中的CO%/实际参加CO变换反应的半水煤气量
系统CO一段反应量为：
ΔCO1=V实×yCO×X1=8100×X1Nm3
则有12%=一段出口CO量÷V变
=8100（1－X1）÷（24775+8100×X1）
解得X1=56.51%
则ΔCO1=8100×56.51%=4577.31Nm3
一段出口变换气中CO量为：
V实×yCO×（1－X1）=8100×（1－0.5651）=3522.69Nm3
取变换炉一段反应平衡温度为T1.均=328℃，由《小合成氨厂工艺技术与设计手册》P413中表4-2-6查得T1.均时的Kp=26.78。
将查得Kp代入下式即可求出b。
Kp
将a、c、d、∆CO1、Kp代入上式中，求得b=5438.98Nm3。
则得到一段（汽﹕气）为：
b/25000=5438.98÷25000=0.21756
入炉蒸汽量为：
进系统前的干半水煤气量×b%Nm3
=进系统前的干半水煤气量×b%/22.4kmol
=（进系统前的干半水煤气量×b%/22.4）×18kg
入变换炉一段半水煤气计算汇总如下：
名称
测试值
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
H2O
合计
含量%（干）
9.20
32.40
37.80
19.90
0.40
0.30
0.00
100
含量%（湿）
7.56
26.61
31.05
16.34
0.33
0.25
17.87
100
Nm3
2300
8100
9450
4975
100
75
5438.98
30438.98
kmol
102.68
361.61
421.88
222.10
4.46
3.35
242.81
1358.88
kg
4517.86
10125.00
843.75
6218.75
71.43
107.14
4370.61
26254.54
③出变换炉一段混合气的计算：
变换炉一段中主要发生CO的变换反应和O2的燃烧反应，反应式如下：
经过此段反应后混合气中各组成的量为：
CO：
进系统前干半水煤气中CO的量－变换炉一段CO总反应量
CO2：
进系统前干半水煤气中CO2的量＋变换炉一段CO总反应量
H2：
进系统前干半水煤气中H2的量＋变换炉一段CO总反应量－进系统前干半水煤气中O2的量×2
H2O：
入变换炉一段湿半水煤气中H2O的量－变换炉一段CO总反应量+进系统前干半水煤气中O2的量×2
O2：
0
N2和CH4量不变，等于入口量。
出变换炉一段混合气计算汇总如下：
名称
测试值
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%（干）
23.43
12.00
47.28
16.95
0.34
0
100
含量%（湿）
22.65
11.60
45.70
16.38
0.33
3.33
100
Nm3
6877.31
3522.69
13877.31
4975
100
1011.67
30363.98
kmol
307.02
157.26
619.52
222.10
4.46
45.16
1355.53
kg
13509.00
4403.36
1239.05
6218.75
71.43
812.95
26254.54
④热量衡算：
已知变换炉一段进口半水煤气温度为T1.入=203.7℃，变换炉一段出口变换气温度取T1.出=405.5℃，则反应平均温度为：
（T1.入+T1.出）/2℃=304.6℃
A．带入热量Q入：
a．CO变换反应放热Q1：
通过反应式：
CO＋H2O=CO2＋H2
由《小合成氨厂工艺技术与设计手册》P393~P407中表4-2-1~表4-2-4，查得反应平均温度（T1.入+T1.出）/2℃时的各物质生成焓：
HH2：
8127kJ/kmol
HCO：
－102405kJ/kmol
HCO2：
－381949kJ/kmol
HH2O：
－232330kJ/kmol
单位反应热为：
∆H=（HCO2＋HH2）－（HCO＋HH2O）=（－381949+8127）－（－102405－232330）
=－39087kJ/kmol
变换炉一段CO反应量∆CO=361.61－157.26=204.34kmol
CO变换总反应放热为：
Q1=∆H×变换炉一段CO反应量=－39087×204.34=－7987201.6kJ
b．O2的燃烧放热Q2：
通过反应式：
O2＋2H2=2H2O
其中HO2：
8516kJ/kmol
单位燃烧热为：
∆H’=2HH2O－（HO2+2HH2）
=－2×232330－（8516+2×8127）=－489430kJ/kmol
O2的燃烧放热为：
Q2=∆H×进系统前干半水煤气中O2的量=－489430×3.35=－1638716.5kJ
合计：
Q入=Q1+Q2=7987201.6＋1638716.5=9625918.1kJ
B．带出热量Q出：
a．气体温升吸热Q3：
查《小合成氨厂工艺设计与技术手册》P429~P435图表，可得T=301.4℃与0.65MPa下各组分的比热容Cp,见下表：
组分
CO
H2
H2O
CO2
CH4
N2
Cp（kJ/kmol·℃）
30.3
29.3
37.9
46.7
50.2
29.9
含量%
11.60
45.70
3.33
22.65
0.33
16.38
Cp.m=∑Yi×Cpi=33.81kJ/（kmol·℃）
式中，yi——混合气中各组分的体积%
Cp.i——各组分在（T1.入+T1.出）/2℃下的比热容
∆T=T1.出－T1.入=201.8℃
Q3=出变换炉一段湿混合气的量×Cp.m×∆T=1355.53×33.81×201.8=9248817.076kJ
b．设热损失为Q4：
合计：
Q出=Q3+Q4
根据热平衡：
Q入=Q出
则可得出热损失为：
Q4=Q1＋Q2－Q3=9625918.1－9248817.076=377101.05kJ
3.2.3变换炉二段催化剂床层物料及热量衡算
A．物料衡算：
①平衡变换率的计算：
已知变换炉二段出口变换气中CO含量为3.0%，代入下式求得二段内CO平衡变换率X2
CO二段变换率为：
=[（0.12-0.03）×100]÷[（100+0.03）×0.12]
=74.98%
取二段反应平衡温度为292℃。
查表得二段反应化学平衡常数Kp2=44.1
带入下式由Kp2值可求出b值
Kp2
求得b=6242.23Nm³
则得到二段（汽﹕气）为：
b/25000=6242.23÷29352.31=0.2126658
式中：
a=入变换炉二段湿混合气中CO，
b=入变换炉二段湿混合气中H2O，
c=入变换炉二段湿混合气中CO2，
d=入变换炉二段湿混合气中H2，
入变换炉二段湿混合气计算汇总如下：
名称
测试值
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%（干）
23.43
12.00
47.28
16.95
0.34
0.00
100
含量%（湿）
19.32
9.90
38.99
13.98
0.28
17.54
100
Nm3
6877.31
3522.69
13877.31
4975
100
6242.23
35594.54
kmol
307.02
157.26
619.52
222.10
4.46
278.67
1589.04
kg
13509.00
4403.36
1239.05
6218.75
71.43
5016.08
30457.67
②出变换炉二段混合气的计算：
变换炉二段CO反应量为：
∆CO2=入变换炉二段湿混合气中CO×X2
=3005.91×74.98%=2565.22Nm3=114.52kmol
经过第二段反应后混合气中各组成的量为：
CO：
入变换炉二段湿混合气中CO的量－变换炉二段CO总反应量
CO2：
入变换炉二段湿混合气中CO2的量+变换炉二段CO总反应量
H2：
入变换炉二段湿混合气中H2的量+变换炉二段CO总反应量
H2O：
入变换炉二段湿混合气中H2O的量－变换炉二段CO总反应量
O2：
0
N2和CH4量不变，等于入口量。
出变换炉二段混合气计算汇总如下：
名称
测试值
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%（干）
29.58
3.00
51.52
15.59
0.31
0.00
100.00
含量%（湿）
26.53
2.69
46.19
13.98
0.28
10.33
100
Nm3
9442.53
957.47
16442.53
4975.00
100.00
3677.01
35594.54
kmol
421.54
42.74
734.04
222.10
4.46
164.15
1589.04
kg
18547.83
1196.83
1468.08
6218.75
71.43
2954.74
30457.67
B．热量衡算：
已知变换炉二段进口变换气温度为T2.入=185℃，变换炉二段出口变换气温度为T2.出=301℃，反应平均温度为（T2.入+T2.出）/2=243℃
①带入热量Q入：
CO变换反应放热Q1：
反应式：
CO+H2O=CO2+H2
由《小合成氨厂工艺技术与设计手册》P393~P407中表4-2-1~表4-2-4，查得（T2.入+T2.出）/2℃时的各物质生成焓：
HH2：
6372kJ/kmol
HCO：
－104218kJ/kmol
HCO2：
－384700kJ/kmol
HH2O：
－234494kJ/kmol
单位反应热∆H=（HCO2+HH2）－（HCO+HH2O）
=（－384700+6372）－（－104218－234494）=－39616kJ/kmol
总反应放热Q1=∆H×变换炉二段CO总反应量△CO=39616×114.52=4536779.9kJ
合计：
Q入=Q1=4536779.9kJ
②带出热量Q出：
a．气体温升吸热Q2：
T取平均温度（T2.入+T2.出）/2℃，参考《小合成氨厂工艺技术与设计手册》中P429~P435，查表可得（T2.入+T2.出）/2℃下各物质的Cp：
组分
CO
H2
H2O
CO2
CH4
N2
Cp（kJ/kmol·℃）
29.9
29.3
35.6
45
47.7
29.6
含量%
2.69
46.19
10.33
26.53
0.28
13.98
Cpm=∑Yi×Cpi=34.23kJ/（kmol.℃）
∆T=T2.出－T2.入=116℃
Q2=出二段湿混合气的量×Cpm×∆T=1589.04×34.23×116=4231401.8kJ
b．热损失Q3：
合计：
Q出=Q2+Q3
根据热平衡：
Q入=Q出
则热损失Q3=Q1－Q2=305378.1kJ
3.3增湿器的物料与热量衡算
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