化学工程与工艺学年产12万吨合成氨变换工段工艺设计1.docx
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化学工程与工艺学年产12万吨合成氨变换工段工艺设计1
第一章物料和热量衡算
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℃，取变化气出炉和入炉的温差为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。
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和设计手册》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和设计手册》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.℃）]
气体等压比热容和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=A3/4
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）
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