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

1、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CO2COH2N2ArCH4合计含量 9.07 13.43 54.96 22.04 0.290.21100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/（20.2204）=2989.22 M3(标)因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取3000 M3(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CO2COH2N2A

2、rCH4合计含量，9.0713.4354.9622.040.290.21100M3(标)272.1402.91648.8661.28.76.33000kmol12.1417.9973.6129.520.390.28133.93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）=3.8Vc=1531.02m3(标) ，n(水)=68.35kmol因此进中变炉的变换气湿组分组 分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量5.998.87

3、36.3214.570.190.1433.73100M3(标)272.1402.91648.8661.28.76.315314539.1kmol12.1517.9973.6129.520.390.2868.35202.642.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+H2OH2+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：8.8775.93=6.73则反应后的各组分的量分别为

4、： H2O=33.73-6.73=27CO=8.87 -6.73=2.14H2 =36.32+6.73=43.05CO2=5.99+6.73=12.72中变炉出口的平衡常数：Kp= （H2CO2）/（H2OCO）=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=3.8XP=100 V=KPAB-CDq=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

5、表：T300 320 340 360 380400T573593613633653673Xp0.92860.90800.88420.85740.82780.7956T 420 440 460T693713733Xp0.76130.72530.6880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=113.39 kJ/mol。最适宜温度计算结果列于下表中：Xp0.92860.90800.88420.85740.82780.7956T573593613633653673T272290308326

6、344362 Xp0.76130.72530.6880T693713733T380397414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CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量5.998.8736.3214.570.190.1433.73100M3(标)272.1402.91648.8661.28.76.31531.024539.1kmol12.1517.9973.6129.520.390.2868.35202.642.4.1 中变炉一段催化床层的物料衡算假设CO在一

7、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：60402.9=241.74 M3(标) =10.79kmol出一段催化床层的CO的量为：402.9-241.74=161.16 M3(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=513.84 M3(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=3241.74 M3(标)

8、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CO2COH2N2CH4Ar合计含量15.854.9758.3220.400.190.27100M3(标)513.84161.161890.54661.26.38.73241.74Kmol22.947.1984.4029.520.280.39144.72剩余的H2O的量为：1531.02-241.74=1289.28 M3(标)=57.56kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的

9、体积：V总（湿）=3241.74+1289.28=4531.02 M3(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CO2COH2N2CH4ArH2O合计含量11.343.5641.7214.590.140.1928.45100M3(标)513.84161.161890.5661.26.38.71289.284531.

10、02Kmol22.947.1984.4029.520.280.3957.56202.282.4.2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CO2COH2N2CH4ArH2O合计含量11.343.5641.7214.590.140.1928.45100M3(标)513.84161.161890.5661.26.38.71289.284531.02Kmol22.947.1984.4029.520.280.3957.56202.28根据：Kp= （H2CO2）/（H2OCO）计算得K=5.067查小合成氨厂工艺技术和设计手册知当Kp=5.9

11、28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=4252.4.3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

12、(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+A1T+A2T2+A3T3+ 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+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 (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=A3/4a0=H0298298.16a1298.162a2298.163a3298.164a4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=（niHi）始（niHi）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）