合成氨工艺及设计计算教学教材Word文档格式.docx
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进中变炉干气压力为1.75Mpa.
1.1水气比的确定:
考虑到是原煤转化来的原料气,所以取H2O/CO=3.5
故V(水)=3.5V水=1184.113m3(标),n(水)=52.862kmol
因此进中变炉的变换气湿组分如下:
表1-3进中变炉的变换气湿组分
Table1-3intothefurnaceoftransformationinthevariablecomponentwetgas
H2O
含量%
6.86
8.16
39.80
16.12
0.24
0.27
28.56
284.42
1650.42
9.77
1184.12
4146.61
12.69
15.10
73.68
29.84
0.44
0.50
52.86
185.12
1.2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%,故根据变换反应:
CO+H2O=H2+CO2,
则CO的实际变换率公式为:
Xp=X2/X1×
100%
式中X1、X2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:
8.16×
74%=6.04
则反应后的各组分的量分别为:
H2O%=28.56%-6.04%+0.48%
=23%
CO%=8.16%-6.04%
=2.12%
H2%=39.8%+6.04%-0.48%
=45.36%
CO2%=6.86%+6.04%
=12.9%
中变炉出口的平衡常数:
Kp=(H2%×
CO2%)/(H2O%×
CO%)=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温距为:
30℃到50℃,中变的平均温距合理,故取的H2O/CO可用。
1.3中变炉催化剂平衡曲线
根据H2O/CO=3.5,与文献《小合成氨厂工艺技术与设计手册》上的公式
XP=X2/X1×
V=KP(AB-CD)
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:
表1-4t-T-Xp关系
Table1-4t-T-Xprelations
t
300
320
340
360
380
400
T
573
593
613
633
653
673
Xp
0.9012
0.8737
0.8424
0.8074
0.7687
0.7058
表1-5t-T-Xp关系
Table1-5t-T-Xprelations
420
440
460
693
713
733
0.6859
0.6416
0.5963
1.4最佳温度曲线的计算
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=10000KJ/Kmol,E2=19000KJ/Kmol。
最适宜温度计算结果如下:
表1-6t-T-Xp组成
Table1-6t-T-Xpcomposition
526
546.8
564.2
581.5
598.8
624.5
256
273.8
291.2
308.5
325.8
351.5
表1-7t-T-Xp组成
Table1-7t-T-Xpcomposition
0.67
0.64
0.61
0.58
0.55
0.52
638.2
649.4
660.7
671
681.6
692.6
365.2
376.4
387.3
398
408.6
419.6
表1-8t-T-Xp组成
Table1-8t-T-Xpcomposition
0.49
0.45
702.6
716.6
429.6
443.6
1.5中变炉一段催化床层的物料衡算
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如下:
表1-9进中变炉一段催化床层的变换气湿组分
Table1-9intothefurnacesectionofcatalyticchangeinthebedofwetgascomponentstransform
39.8
338.18
1184.11
1.5.1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:
60%×
338.318=202.9908m3(标)
=9.062kmol
出一段催化床层的CO的量为:
338.318-202.9908=135.3272m3(标)
=6.0414kmol
故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:
1650.409+202.9908-2×
9.776=1833.8478m3(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=487.3908m3(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+1833.8478+668.34+11.258
=3136.1638m3(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%
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如下:
表1-10出中变炉一段催化床层的变换气干组分
Table1-10tochangeinthefurnacesectionofthecatalyticbedtransformair-drycomponents
15.54
4.31
58.47
21.13
0.35
487.39
135.33
1833.84
11.25
3136.16
21.76
6.04
81.87
29.83
140.01
剩余的H2O的量为:
1184.113-202.9908+2×
9.776=1000.6742m3(标)
=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
=4136.838m3(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(%)如下:
表1-11出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量(%)
Table1-11tochangeinthefurnacesectionofthecatalyticbedtransformcomponentsinwetgas(%)
11.78
3.27
44.33
16.16
24.19
1000.67
4136.92
koml
44.67
184.68
1.5.2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(%)如下:
表1-12出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量(%)
Table1-12tochangeinthefurnacesectionofthecatalyticbedtransformcomponentsinwetgas(%)
m3(标)
135.32
根据:
Kp=(H2%×
CO%)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℃=415℃
1.5.3中变炉一段催化床层的热量衡算
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=2H2O
(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基准焓计算式为:
HT=△H(298k)=Cpdt
式中:
HT—气体在TK的统一基准焓,kcal/kmol(4.1868kJ/kmol);
△H(298k)—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+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
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=A3/4
a0=△H(298k)-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:
表1-13气体统一基准焓
Table1-13gasbenchmarkingenthalpy
分子式
a0
a1
a2
a3
1.90318×
103
5.80298
2.15675×
10–3
-7.40499×
10–7
1.08808×
10–10
-2.11244×
7.20974
-5.55838×
10-4
4.8459×
10-7
-8.18957×
10-11
-6.0036×
104
7.11092
1.29319×
10-3
1.28506×
-5.78039×
-1.97673×
6.45903
5.18164×
2.03296×
-7.65632×
-2.83637×
6.26627
8.98694×
5.04519×
10-9
-4.14272×
-96377.88867
6.396
5.05×
-1.135×
10-6
0.00
计算O2的基准焓:
根据基准焓的计算通式:
在415℃时,T=415+273=683K
将O2的常数带入上式得:
Ht=1.90318×
103+5.80298×
683+2.15675×
10–3×
6832-7.40499×
10–7×
6833+1.08808×
10–10×
6834
=6699.742kcal/kmo=28050.412kJ/kmol
同理根据以上方法计算可得变换气的各个组分的基准焓如下:
表1-14变换气的各个组分的基准焓
Table1-14gastransformthevariouscomponentsofthebenchmarkenthalpy
组分
Ht(kcal/kmol)
6699.742
2724.221
-54502.665
-23634.754
-89956.678
Ht(kJ/kmol)
28050.412
11405.772
-228191.759
-98953.987
-376630.620
放热:
CO+H2O=CO2+H2
(1)
△H1=(∑Hi)始-(∑Hi)末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759
=-38079.10484kJ/kmol
Q1=9.062×
(-38079.10484)
=-345072.8481kJ
Q2=△H2=(∑ni×
Hi)末=-221354.6179kJ
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.K)
表1-15a-b-c关系
Table1-15a-b-crelations
物质
a
28.41
27.28
30
44.14
27.87
b/10-3
4.1
3.26
10.71
9.04
4.27
c/105
-0.46
0.502
-8.53
0.63
CH4可用公式:
Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容
得:
物质COCO2H2H2ON2CH4
Cp(CO)=31kJ/(kmol.K)Cp(CO2)=48.2kJ/(kmol.K)
Cp(H2)=29.6kJ/(kmol.K)Cp(H2O)=37.2kJ/(kmol.K)
Cp(N2)=30.7kJ/(kmol.K)Cp(CH4)=56.1kJ/(kmol.K)
所以平均热容:
Cpm=∑Yi×
Cp=34.06KJ/(kmol.K)
所以气体吸热Q3=34.06×
184.68×
(415-330)
=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+Q4
Q4=31760.979kJ
1.6中变一段催化剂操作线的计算
由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:
T入口=330℃
中变炉出口气体温度:
T出口=415℃
中变炉入口CO变换率:
Xp入口=0
中变炉出口CO变换率:
Xp出口=60%
1.7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。
变换气的流量:
184.68koml
设冷凝水的流量:
Xkg
变换气的温度:
冷凝水的进口温度:
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=83.96kJ/kg
根据《化工热力学》可知:
表1-16T-P-H关系
Table1-16T-P-Hrelations
T/K
P/kPa
H/(kJ/kg)
600
1600
3693.2
1800
3691.7
700
3919.7
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
(626-600)/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)
h=3752.09kJ/kg
1800kPa时
(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)
h=3750.668kJ/kg
再对压力使用内查法得在353℃,626K,1750kp时的焓值h为:
(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)
h=3751.0235kJ/kg
Q1=X(3813.244875-83.96)
已知变换气吸热Q2
Cp(CO)=31kJ/(kmol.K),Cp(C2)=48.2kJ/(kmol.K),Cp(H2)=29.6kJ/(kmol.K),
Cp(H2o)=37.2kJ/(kmol.K),Cp(N2)=30.7kJ/(kmol.K),Cp(CH4)=56.1kJ/(kmol.K),
所以Cpm=∑Yi×
Cp=33.92kJ/(kmol.K)
Q2=184.68×
33.92×
(415-353)=388389.4272kJ
取热损失为0.04Q2
根据热量平衡:
0.96Q2=X(3751.0235-83.96)
X=101.676kg
=5.649kmol
=126.53m3(标)
水的量为:
126.53+1000.6742=1127.2042m3(标)
=50.3261kmol
所以进二段催化床层的变换气组分如下:
表1-17进二段催化床层的变换气组分
Table1-17Seccatalyticbedintothegascomponenttransform
组分CO2COH2N2CH4H2O合计
11.432
3.17
6.041
43.01
15.68
0.26
26.44
1127.20
50.32
4263.37
190.33
1.8中变炉二段催化床层的物料与热量衡算
所以进中变炉二段催化床层的变换气干组分如下:
表1-18进中变炉二段催化床层的变换气干组分
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