1、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CO2COH
2、2N2ArCH4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）=3.8Vc=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5.99
3、8.8736.3214.570.190.1433.73100M3(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
4、量分别为： 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=3.8XP=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
5、果列于下表：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：Xp0.92860.90800.88420.85740.82780.7956T573593613633653673T27229030
6、8326344362 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
7、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：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 M
8、3(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
9、湿组分的体积：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)513.84161.161890.5661.26.38.71289.284
10、531.02Kmol22.947.1984.4029.520.280.3957.56202.282.4.2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与设计手册知当Kp
11、=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=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/
12、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+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系为： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4a0=H0
13、298298.16a1298.162a2298.163a3298.164a4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，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
14、A3 a4O21.903181035.802982.15675103-7.404991071.088081010H2-2.112441037.20974-5.55838144.8459107-8.189571011H2O-6.00361047.110921.293191031.28506107-5.780391011N2-1.976731036.459035.181641042.03296107-7.656321011CO-2.836371046.266278.986941045.04519109-4.142721011CO2-96377.888676.3965.05103-1.1351060
15、.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 CO2Ht（kcal/kmol）2794.508-54412.553-23560.11-89839.079Ht（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/kmolQ
16、1=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COH2H2OCO2N2ArA28.4127.283044.1427.8720.7723b/10-34.13.2610.719.044.27-c/105-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式：Cp=a+bT+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质Ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560
17、.461.117-7.2计算结果得：物质COCO2H2H2ON2ArCH4Cp3148.229.637.230.720.727756.1所以平均热容： Cpm=Yi*Cp=34.10KJ/（kmol.T）所以气体吸热Q2=34.10202.28(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 +Q3Q3=27187.39kJ2.4.4 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
18、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：X kg 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/kP/kPaH/(kJ/kg)36015003169.236020003159.340015003255.840020003247.6冷淋水要升温到380，所以设在380, 653K,1800kp时的焓值为h对温度
19、进行内查法：1500kpa时(653-633 )/(h-3169.2)=(673-653)/(3255.8-h) h=3212.5 kJ/kg2000kpa时(653-633)/(h-3159.3)=(673-653)/(3247.6-h) h=3203.45 kJ/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=3207.07 kJ/kgQ1= 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COCO2H2H2ON2CH4Cp3148
20、.229.637.230.756.1所以Cpm= Yi*Cp =34.10 kJ/（kmol.）Q2=202.28*34.10*(425-380)取热损失为0.05 Q2根据热量平衡：0.95Q2= X(3207.07-83.96) X=99.39kg=5.52koml=123.65 M3(标)所以进二段催化床层的变换气组分：水的量为：123.65+1289.28=1412.93 M3(标)组 分CO2COH2N2CH4ArH2O合计含量11.043.4640.6214.210.140.1930.36100M3(标)513.84161.161890.54661.26.38.71412.9346
21、54.67Kmol22.947.1984.4029.520.280.3963.08202.282.6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)513.84161.161890.54661.26.38.73241.74Kmol22.947.1984.4029.520.280.39144.722.6.1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：402.90.76=306.20M3(标)=
22、13.67 kmol在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为：161.16-(402.9-306.20)=64.46 M3(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)=25.82 kmol故在二段催化床层反应后剩余的H2的量为：1890.54+64.46= 1955M3(标)=87.28 kmol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)
23、=147.60kmol所以出中变炉二段催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH2N2CH4Ar合计含量17.492.9259.1320.000.190.26100M3(标)578.396.71955661.216.38.73306.2kmol25.824.3287.2829.520.280.39147.60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% H
24、2O= =28.97% Ar= =0.19%所以出中变炉的湿组分：组 分CO2COH2N2CH4H2OAr合计含量12.422.0842.0014.210.1428.970.19100M3(标)578.396.71955661.26.31348478.74654.67Kmol25.824.3287.2829.520.2860.200.39207.80对出中变炉二段催化床层的变换气温度进行估算：根据：Kp= （H2CO2）/（H2OCO）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=3902.
25、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H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）2513.614-54772.366 -23857.721-90306.203Ht（kJ/kmol）10521.616-229268.882-99864.885-378008.384放热： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-38353.001 kJ/kg所以得： Q1=2.88*38353.001=110456.64 kJ/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COH2H2OCO
