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1、完整版合成氨厂变换工段工艺设计毕业设计论文优秀论文 审核通过未经允许 切勿外传四 川 理 工 学 院毕 业 设 计题 目 年产三万吨合成氨厂变换工段设计作 者 系 别 材料与化学工程系专 业 无 机 化 工 011指 导 教 师 接受任务日期 2005年2月28日完成任务日期 2005年6月1 日四 川 理 工 学 院毕 业 设 计 说 明 书题 目 年产3吨合成氨厂变换工段设计作 者 系 别 材料与化学工程系 专 业 无 机 化 工 指 导 教 师 接受任务日期 2005年2月28日 完成任务日期 2005年6月1 日 四 川 理 工 学 院毕 业 设 计 任 务 书材 化 系 无 机 化

2、工 专业 01 级 1 班题 目 年产3吨合成氨厂变换工段设计 起讫日期 2005 年2 月28 日起至2005 年6 月1 日止指导老师 教研室主任 系主任 学生姓名 批准日期 2005 年 2 月 28 日 接受任务日期 2005 年 2 月 28 日 完成任务日期 2005 年 6 月 1 日 一 计要求：1. 进行工段工艺流程设计，绘制带主要控制点的工艺流程图。 2. 进行工段物料计算、热量计算，并绘制物料衡算表、热量衡算表 。 3. 进行工段设备设计、选型，制备设备一览表。 4. 编写工段工艺初步设计说明书。 5. 绘制主要设备结构图。 二 设计原始数据：以在自贡市鸿鹤化工厂的实际数

3、据为原始数据组 分CO2COH2N2O2CH4合计含量，9.60 11.42 55.71 22.56 0.330.38100目录说明书4前言41.工艺原理42. 工艺条件43. 工艺流程的选择54. 主要设备的选择说明 55. 工艺流程的说明 6第一章 物料与热量衡算71水汽比的确定 72中变炉CO的实际变换率的求取83中变炉催化剂平衡曲线 94. 最佳温度曲线的计算 105中变炉一段催化床层的物料衡算116中变一段催化剂操作线的计算 177中间冷淋过程的物料和热量衡算178中变炉二段催化床层的物料与热量衡算199中变二段催化剂操作线计算 2310.低变炉的物料与热量衡算2411低变催化剂操作

4、线计算 2912低变炉催化剂平衡曲线2913.最佳温度曲线的计算 3014废热锅炉的物料和热量衡算 3115.水蒸汽的加入 3416主换热器的物料与热量的衡算3417.调温水加热器的物料与热量衡算36第二章 设备的计算371. 中变炉的计算 372. 主换热器的计算42设计的综述6参考文献49致谢50第一章 物料与热量衡算已知条件：组 分CO2COH2N2O2CH4合计含量，9.60 11.42 55.71 22.56 0.330.38100计算基准：1吨氨 计算生产1吨氨需要的变换气量：（100017）22.4（222.56）=2920.31 M3(标)因为在生产过程中物料可能会有损失，因此

5、变换气量取2962.5 M3(标)年产3万吨合成氨生产能力（一年连续生产330天）：日生产量： =90.9Td=3.79T(水)=52.862kmol因此进中变炉的变换气湿组分组 分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量6.868.1639.8016.120.240.2728.56100M3(标)284.42338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.122.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8.16，要求变换气中CO含量为2，

6、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=74则反应掉的CO的量为：8.1674=6.04则反应后的各组分的量分别为： H2O=28.56-6.04+0.48=23CO=8.16 -6.04=2.12H2 =39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86+6.04=12.9中变炉出口的平衡常数：Kp= （H2CO2）（H2OCO）=12查 小合成氨厂工艺技术与设计手册 可知Kp=12时温度为397。中变的平均温距为397-365=32根据合成氨工艺与节能 可知中温变换的平均

7、温距为：30到50，中变的平均温距合理，故取的H2OCO可用。3中变炉催化剂平衡曲线根据H2OCO=3.5，与文献小合成氨厂工艺技术与设计手册上的公式XP=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表：t300 320 340 360 380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t 420 440 460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：4.最佳温度曲线的计

8、算由于中变炉选用C6型催化剂，最适宜温度曲线由式进行计算。查3000吨合成氨厂工艺和设备计算C6型催化剂的正负反应活化能分别为E1=10000千卡公斤分子，E2=19000千卡公斤分子。最适宜温度计算结果列于下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5 Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6 Xp0.490.45

9、T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：5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330进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：组 分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量6.868.1639.816.120.270.2428.56100M3(标)284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.125.1 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假使O2 与H2

10、 完全反应，O2 完全反应掉故在一段催化床层反应掉的CO的量为：60338.318=202.9908 M3(标) =9.062kmol出一段催化床层的CO的量为：338.9908=135.3272 M3(标)=6.0414kmol故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为：1650.409+202.9908-29.776=1833.8478 M3(标)=81.868kmol故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：284.4+202.9908=487.3908 M3(标)=21.758kmol故出中变炉一段催化床层的变换气干组分的体积：V总（干）=135.3272+487.3908+1833.84

11、78+668.34+11.258 =3136.1638 M3(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=4.31%同理得：CO2=15.54%H2=58.47%CO2=15.54% N2=21.13%CH4=0.35%所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH2N2CH4合计含量15.544.3158.4721.130.35100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.253136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的H2O的量为：1184.9908+29.776=1000.6742 M3(标)

12、=44.6729kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积：V总（湿）=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258+1000.6742=4136.838 M3(标)=184.68kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中H2O的含量 H2O= =24.19%故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的含量 CO2=11.78同理可得： CO=3.27 H2=44.33 N2=16.16 CH4=0.27所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（）：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.783.2744.3316.160.27

13、24.19100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2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CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根据：Kp= （H2CO2）（

14、H2OCO）计算得K=6.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=6.6时t=445设平均温距为35，则出中变炉一段催化床层的变换气温度为：445-35=4155.3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：330 出中变炉一段催化床层的变换气温度为：415可知反应放热Q：在变化气中含有CO，H2O，O2，H2 这4种物质会发生以下2种反应：CO +H2O=CO2+H2 （1）O2 + 2H2= 2 H2O （2）这2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

15、基准焓计算式为：HT=H0298=Cpdt 式中： HT 气体在在TK的统一基准焓，kcalkmol(4.1868kJkmol)；H0298 该气体在25下的标准生成热， kcalkmol(4.1868kJkmol)；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+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与气体特性常数及标准生成热的关

16、系为： a1=A0, a2=A12, a3=A34, a4=A34a0=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）;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，kcalkmol，（4.1868kJkmol）现将有关气体的计算常数列

17、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 a4O21.90318103 5.802982.15675103-7.404991071.088081010H2-2.112441037.20974-5.558381044.8459107-8.189571011H2O-6.00361047.110921.293191031.28506107-5.780391011N2-1.976731036.459035.181641042.03296107-7.656321011CO-2.836371046.266278.986941045.04519109-4.14272101

18、1CO2-96377.888676.3965.05103-1.1351060.00计算O2的基准焓：根据基准焓的计算通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4在415时T=415+273=683K将O2的常数带入上式得：Ht=1.90318103+5.80298683+2.156751036832-7.404991076833+1.0880810106834=6699.742kcalkmo=28050.412 kJkmol同理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O2H2 H2O CO CO2Ht（kcalkmol）6699.7422724.221-54502.6

19、65-23634.754-89956.678Ht（kJkmol）28050.41211405.772.759-98953.987.620放热： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJkmolQ1=9.062（-38079.10484）=.8481kJ O2 + 2H2= 2 H2O （2）Q2=H2=（niHi）始（niHi）末=.6179kJ气体反应共放热：Q=Q1+Q2=345072.8481+221354.6179=566427.4659kJ气体吸热Q3根据物理

20、化学教程知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2来计算热容，热容的单位为kJ（kmol.T）表5-1.2物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b10-34.13.2610.719.044.27c105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质ab10-3c10-6d10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果得：物质COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以平均热容： Cpm=Yi*Cp=34.06

21、 KJ（kmol.T）所以气体吸热Q3=34.06184.68()=534667.068kJ假设热损失Q4（一般热损失都小于总热量的10%）根据热量平衡的： Q= Q3 +Q4Q4=31760.979 kJ6 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 330 中变炉出口气体温度 415 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：7中间冷凝过程的物料和热量计算：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：184.68koml 设冷凝水的流量：X kg 变换气的温度：415 冷凝水的

22、进口温度：20 进二段催化床层的温度：353 操作压力：1750kp冷凝水吸热Q1：据冷凝水的进口温度20查化工热力学可知h1 =83.96kJkg根据化工热力学可知： TK PkPa H(kJkg) 600 1600 3693.2 600 1800 3691.7 700 1600 3919.7 700 1800 3918.5冷凝水要升温到353，所以设在353, 626K,1750kp时的焓值为h对温度进行内查法：1600kpa时()(变换的CO的量，分子分率；其中A、B、C、D分别代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度2-1.2第一段床层触媒用量计算基准：3.79T=8.16%-3.27

23、%=4.89%在372.5时，查 小合成氨厂工艺技术与设计手册Kp=16.030631则： W=16.=15.030631U=16.030631(0.0816+0.2856)+(0.0686+0.398)=6.353V=16.0306310.08160.2856-0.06860.398=0.3463q=4.6713=0.000514h所以： V01 =T0*V0 =0.00051415489.7=7 M3 备用系数取：1.1所以：V0 1=71.1=7.7 M32-1.3 第二段床层触媒用量已知条件：第二段床层变换气进口温度为：353，第二段床层变换气出口温度为：365平均温度为：（353+3

24、65）2=359由3000吨型合成氨厂工艺和设备计算得到在375时反应速度常数k1=4600，在317时反应速度常数k2=2130。使用内插法：（）（4600-k）=（353.5-317）（k-2130） k=3684加压时取校正系数：2.8，则：k1=3684*2.8=10315进中变炉二段床层的组分：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3(标)487.39135.331833.85668.3411.261127.204263.37koml21.766.0481.8729.800.5050.32190.33出中变炉二段床层的CO组分：2.06%n=3.17%-2.06%=1.11%由小合成氨厂工艺技术与设计手册 得到在359时反应平衡常数Kp=18.17则：