畢業(yè)設(shè)計--年產(chǎn)5萬噸合成氨變換工段工藝初步

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</b></p><p>　　題 目 年產(chǎn)五萬噸合成氨變換工段工藝初步設(shè)計 </p><p>　　系 別 化 學(xué) 工 程 與 工 藝 </p><p>　　專 業(yè) 無 機(jī) 化 工 011 </p><p>　　指導(dǎo)教師

2、 </p><p>　　教研室主任 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　接受任務(wù)日期 2005年2月28日 </p><p>　　完成任務(wù)日期

3、 2005年6月1日 </p><p>　　畢 業(yè) 論 文 任 務(wù) 書</p><p>　　題 目 年產(chǎn)五萬噸合成氨變換工段工藝初步設(shè)計 </p><p>　　起迄日期 2005 年 2 月 25 日起至 2005 年 6 月 1日止</p><p>　　指 導(dǎo) 老 師

4、 </p><p>　　教研室主任 （簽名）</p><p>　　系 主 任 （簽名）</p><p>　　學(xué) 生 姓 名 </p><p>　　批 準(zhǔn) 日 期 2005 年 2

5、月 25 日</p><p>　　接受任務(wù)日期 2005 年 2 月 25 日</p><p>　　完成任務(wù)日期 2005 年 6 月 1 日</p><p>　　一、設(shè)計（論文）的要求：</p><p>　　1、說明書 包括前言，合成氨變換工段工序原理，工藝條件及工

6、藝流程確定，以及主要設(shè)備的選擇說明，對本設(shè)計的評述。 </p><p>　　2、計算部分 包括物料衡算，熱量衡算，有效能利用率計算，主要設(shè)備計算。</p><p>　　3、圖紙 帶控制點的工藝流程圖。</p><p>　　二、設(shè)計（論文）的原始數(shù)據(jù)：</p><p>　　天然氣成分：以鴻化廠的實際工作數(shù)據(jù)為依據(jù)來進(jìn)行。</p&

7、gt;<p>　　年工作日330天,其余數(shù)據(jù)自定。</p><p>　　三、參考資料及說明：</p><p>　　《化工工藝設(shè)計手冊》（上、下冊）、《氮肥工藝設(shè)計手冊》理化數(shù)據(jù)、《化肥企業(yè)產(chǎn)品能平衡》、《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》、《合成氨工學(xué)》、《化工制圖》、《化工原理》、《化學(xué)工程》、《化工設(shè)計概論》以及關(guān)于氮肥的其他相關(guān)雜志。</p><p>

8、;<b>　　目 錄</b></p><p>　　前言………………………………………………………………………………4</p><p>　　工藝原理…………………………………………………………………………4</p><p>　　工藝條件…………………………………………………………………………5</p><p>　　工藝

9、流程的確定…………………………………………………………………6</p><p>　　主要設(shè)備的選擇說明……………………………………………………………6</p><p>　　對本設(shè)計的綜述…………………………………………………………………6</p><p>　　第一章 變換工段物料及熱量衡算……………………………………………8</p><p>

10、　　第一節(jié) 中變物料及熱量衡算………………………………………………………8</p><p>　　1．確定轉(zhuǎn)化氣組成…………………………………………………………………8</p><p>　　2．水汽比的確定……………………………………………………………………8</p><p>　　3．中變爐一段催化床層的物料衡算………………………………………………9</p>

11、;<p>　　4．中變爐一段催化床層的熱量衡算………………………………………………11</p><p>　　5．中變爐催化劑平衡曲線…………………………………………………………13</p><p>　　6. 最佳溫度曲線的計算……………………………………………………………14</p><p>　　7．操作線計算……………………………………………………

12、………………15</p><p>　　8．中間冷淋過程的物料和熱量計算……………………………………………16</p><p>　　9．中變爐二段催化床層的物料衡算 ……………………………………………17</p><p>　　10.中變爐二段催化床層的熱量衡算……………………………………………18</p><p>　　第二節(jié) 低變爐的物料與熱量

13、計算………………………………………………19</p><p>　　第三節(jié) 廢熱鍋爐的熱量和物料計算……………………………………………24</p><p>　　主換熱器的物料與熱量的計算…………………………………………26</p><p>　　第五節(jié) 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算……………………………………28</p><p>　　第二章

14、設(shè)備的計算………………………………………………………………29</p><p>　　1. 低溫變換爐計算………………………………………………………………29</p><p>　　2. 中變廢熱鍋爐…………………………………………………………………31</p><p>　　參考文獻(xiàn)及致謝………………………………………………………………… 35</p>&

15、lt;p><b>　　前 言</b></p><p>　　氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于化學(xué)肥料的生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。合成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣的制?。辉蠚獾膬艋c合成。粗原料氣中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過CO變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，

16、CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。</p><p>　　變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。</p><p>　　目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從80年代中期發(fā)展起來的。所謂中變串低變流程，就是在B107等Fe-Cr系催化劑之后串入Co

17、-Mo系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中的CO含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。</p><p><b>　　工藝原理：</b></p><p>　　一氧化碳變換反應(yīng)式為：</p

18、><p>　　CO+H2O=CO2+H2+Q (1-1)</p><p>　　CO+H2 = C+H2O (1-2) </p><p>　　其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對式反應(yīng)（1—1）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生。</p><p>　　一氧化碳與水

19、蒸氣的反應(yīng)是一個可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。</p><p>　　變換過程中還包括下列反應(yīng)式：</p><p>　　H2+O2=H2O+Q </p><p><b>　　工藝條件</b></p><p><b>　　1.壓力：</b></p><p>　　壓力對變換反

20、應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為0.7-1.2MPa,中型氨廠為1.2~1.8M

21、pa。本設(shè)計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，故壓力可取1.7MPa.</p><p><b>　　1.溫度：</b></p><p>　　變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常 數(shù)增大對反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 CO平衡含量增大，反應(yīng)推動力變小，對反應(yīng)速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因而存在

22、著最佳反應(yīng)溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學(xué)角度推導(dǎo)的計算式為</p><p><b>　　Tm=</b></p><p>　　式中Tm、Te—分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。</p><p><b>　　汽氣比：</b></p><p>　　水蒸汽比例一般

23、指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡變換率，從而有利于降低CO殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分Fe3O4的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；CO停留時間縮短，余熱回收設(shè)

24、備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=3～5，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO可達(dá)15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。</p><p><b>　　工藝流程確定</b></p><p>　　目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低4種工藝。本設(shè)計參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐進(jìn)入

25、廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從920℃降到330℃，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到3到5之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180℃左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到0.3%以下，再進(jìn)入甲烷化工段。 </p><p><b>　　主要設(shè)備的選擇說明</b></p><p>　　中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備

26、有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低變爐選用C6型催化劑，計算得低變催化劑實際用量10.59m3。以上設(shè)備的選擇主要是依據(jù)所給定的合成氨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料氣中碳氧化物的含量以及變換氣中所要求的CO濃度。</p><p><b>　　對本設(shè)計評述</b></p><p>　　天然氣變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因為能否正常生產(chǎn)出合格的壓縮

27、氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要求。</p><p>　　在本設(shè)計中，根據(jù)已知的天然氣組成，操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。首先對中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)計算結(jié)果對主要設(shè)備選型，最終完成了本設(shè)計的宗旨。設(shè)計中一共有中溫廢熱鍋爐，中變爐，主換熱器，調(diào)溫水換熱器，低變爐幾個主要設(shè)備。 </p>&

28、lt;p>　　由于天然氣變換工段工序是成熟工藝，參考文獻(xiàn)資料較多，在本設(shè)計中，主要參考了《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》和《合成氨工藝學(xué)》這兩本書。由于時間有限，設(shè)計可能不完善，請各位老師指出。謝謝！</p><p>　　第一章 變換工段物料及熱量衡算</p><p>　　第一節(jié) 中溫變換物料衡算及熱量衡算</p><p>　　1．確定轉(zhuǎn)化氣組成：&

29、lt;/p><p>　　已知條件中變爐進(jìn)口氣體組成：</p><p><b>　　計算基準(zhǔn)：1噸氨</b></p><p>　　計算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31 M3(標(biāo))</p><p>　　因為在生產(chǎn)過程中物量可能回有消耗，因此變化氣量取2

30、962.5 M3(標(biāo))</p><p>　　年產(chǎn)5萬噸合成氨生產(chǎn)能力：</p><p>　　日生產(chǎn)量：50000/330=151.52T/d=6.31T/h</p><p>　　要求出中變爐的變換氣干組分中CO％小于2％</p><p>　　進(jìn)中變爐的變換氣干組分：</p><p>　　假設(shè)入中變爐氣體溫度為335攝氏

31、度，取出爐與入爐的溫差為30攝氏度，則出爐溫度為365攝氏度。</p><p>　　進(jìn)中變爐干氣壓力=1.75Mpa.</p><p><b>　　2．水汽比的確定：</b></p><p>　　考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取H2O/CO=3.5</p><p>　　故V（水）=1973.52m3(標(biāo)) n(

32、水)=88.1kmol</p><p>　　因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分:</p><p>　　中變爐CO的實際變換率的求?。?lt;/p><p>　　假定濕轉(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO基含量為8.16％，要求變換氣中CO含量為</p><p>　　2％，故根據(jù)變換反應(yīng)：CO+H2O＝H2+CO2，則CO的實際變換率為：</p>&

33、lt;p>　?。?×100=74％</p><p>　　式中Ya、分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）</p><p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：8.16×74％=6.04</p><p>　　則反應(yīng)后的各組分的量分別為： </p><p>　　H2O％=28.56％-6.04％+0.48％=23％</p

34、><p>　　CO％=8.16％ -6.04％=2.12％</p><p>　　H2％ =39.8％+6.04％-0.48％=45.36％</p><p>　　CO2％=6.86％+6.04％=12.9％</p><p>　　中變爐出口的平衡常數(shù)：</p><p>　　K= （H2％×CO2％）/（H2O％

35、15;CO％）=12</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知K=12時溫度為397℃。</p><p>　　中變的平均溫距為397℃-365℃=32℃</p><p>　　中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。</p><p>　　3.中變爐一段催化床層的物料衡算</p><p>　　假設(shè)CO

36、在一段催化床層的實際變換率為60％。</p><p>　　因為進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：</p><p>　　假使O2與H2 完全反應(yīng)，O2 完全反應(yīng)掉</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：</p><p>　　60％×563.86=338.318M3(標(biāo))=15.1koml</p>&l

37、t;p>　　出一段催化床層的CO的量為：</p><p>　　563.86-338.318=225.545 M3(標(biāo))=10.069koml</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為:</p><p>　　2750.68+338.318-2×16.29=3056.41 M3(標(biāo))=136.447koml</p><

38、;p>　　故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　474+338.318=812.318 M3(標(biāo))=36.26koml</p><p>　　出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：</p><p>　　剩余的H2O的量為：</p><p>　　1973.52-338.318+2×16.29=1667.79

39、M3(標(biāo))=74.45koml</p><p>　　所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：</p><p>　　對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計算：</p><p>　　已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（％）：</p><p>　　對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：</p><p>　　

40、根據(jù)：K=(H2％×CO2％)/（H2O％×CO％)計算得K=6.6</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=6.6時t=445℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為30℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：</p><p>　　445℃-30℃=415℃</p><p>　　4．中變爐一段催化床層的

41、熱量衡算</p><p>　　以知條件：進(jìn)中變爐溫度：335℃</p><p>　　出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415℃</p><p>　　反應(yīng)放熱Q：在變化氣中含有CO，H2O，O2，H2 這4種物質(zhì)會發(fā)生以下2種反應(yīng)：</p><p>　　CO +H2O=CO2+H2 （1-1）</p><p&g

42、t;　　O2 + 2H2= 2 H2O （1-2）</p><p>　　這2個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。</p><p>　　為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計算。以P=1atm，t=25℃為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為：</p><p>　　HT=△H0298=Cpdt

43、 </p><p>　　式中 HT ——氣體在在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；</p><p>　　△H0298 ——該氣體在25℃下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；</p><p>　　T——絕對溫度，K；</p><p>　　Cp ——

44、氣體的等壓比熱容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/（kmol.℃）]</p><p>　　氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式：</p><p>　　Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+…… </p><p>　　式中A0、A1、A2、A3…

45、…氣體的特性常數(shù)</p><p>　　將式代入式積分可得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計算通式：</p><p>　　Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 </p><p>　　式中常數(shù)a0、a1、a2、a3、a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為：&l

46、t;/p><p>　　a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4</p><p>　　a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4</p><p>　　采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計算，不必考

47、慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。</p><p>　　△H=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末 </p><p>　　式中△H ——過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時為放熱，為負(fù)數(shù)時系統(tǒng)為吸熱，kcal；（4.1868kJ）;</p><

48、;p>　　ni --- 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)，kmol；</p><p>　　Hi — 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下；</p><p>　　I — 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）</p><p>　　現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于下表中</p><p>　　氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表</p>

49、;<p><b>　　計算O2的基準(zhǔn)焓：</b></p><p>　　根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4</p><p>　　在415℃時T=415+273=683K</p><p>　　查表可得變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓列于下表：</p>

50、;<p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　△H1=(∑Hi)始-（∑Hi）末</p><p>　　=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759 </p><p>　　=-38079.10484kJ/koml</p><p>　　Q1

51、=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kJ</p><p>　　O2 + 2H2= 2 H2O （2）</p><p>　　Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-368924.3632kJ</p><p><b>　　氣體共放熱：</b></p>

52、<p>　　Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ</p><p><b>　　氣體吸熱Q3：</b></p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃

53、）</p><p><b>　　查表可得：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=34.06 KJ/（kmol.℃）</p><p>　　所以氣體吸熱Q3=34.06*307.8*(415-330)=891111.78kJ</p><p><b>　　假設(shè)熱損失Q4</b></p&

54、gt;<p>　　根據(jù)熱量平衡的： </p><p><b>　　Q= Q3 +Q4</b></p><p>　　Q4=52934.965 kJ</p><p>　　5．中變爐催化劑平衡曲線</p><p>　　根據(jù)H2O/CO=3.5，與公式XP=×100％</p><

55、p><b>　　V=KPAB-CD</b></p><p><b>　　q=</b></p><p>　　U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1</p><p>　　其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度</p><p>　　中變爐催化劑平衡曲線如下：</p

56、><p>　　6.最佳溫度曲線的計算</p><p>　　由于中變爐選用C6型催化劑，</p><p>　　最適宜溫度曲線由式 進(jìn)行計算。</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》C6型催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能分別為E1=10000千卡/公斤分子，E2=19000千卡/公斤分子。</p><p>　　最適宜溫度

57、計算列于下表中：</p><p>　　將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：</p><p><b>　　7．操作線計算</b></p><p>　　有中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知：</p><p>　　中變爐人口氣體溫度 335℃</p><p>　　中變爐出口氣體溫度

58、 415℃</p><p>　　中變爐入口CO變換率 0</p><p>　　中變爐出口CO變換率 60%</p><p>　　由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下：</p><p>　　8．中間冷淋過程的物料和熱量衡算：</p><p>　　此過程采用水來對變換氣進(jìn)行降溫。</p>

59、<p><b>　　以知條件：</b></p><p>　　變換氣的流量：307.8koml</p><p>　　設(shè)冷淋水的流量：X kg</p><p>　　變換氣的溫度：415℃</p><p>　　冷淋水的進(jìn)口溫度：20℃</p><p>　　進(jìn)二段催化床層的溫度：353℃<

60、/p><p>　　操作壓力：1750kp</p><p><b>　　熱量計算： </b></p><p>　　冷淋水吸熱Q1：據(jù)冷淋水的進(jìn)口溫度20℃查《化工熱力學(xué)》可知h1 =83.96kJ/kg</p><p>　　根據(jù)《化工熱力學(xué)》可知</p><p>　　冷淋水要升溫到353℃，所以設(shè)在35

61、3℃, 615K,1750kp時的焓值為h</p><p><b>　　對溫度進(jìn)行內(nèi)查法：</b></p><p><b>　　1600kpa時</b></p><p>　　(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) </p><p>

62、　　h=3752.09 kJ/kg</p><p><b>　　1800kpa時</b></p><p>　　(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)</p><p>　　h=3750.668 kJ/kg</p><p>　　對壓力用內(nèi)差法得353℃，615K，1750Kp時的焓

63、值h為：</p><p>　　(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)</p><p>　　h=3751.0235 kJ/kg</p><p>　　Q1= X( 3813.244875-83.96)</p><p><b>　　變換氣吸熱Q2</b></p&g

64、t;<p>　　根據(jù)表5-1.2和表5-1.3的計算方法得：</p><p>　　所以Cpm= ∑Yi*Cp =33.92 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=308.53*33.92*(415-353)</p><p>　　取熱損失為0.04 Q2</p><p>　　根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2= X(3751

65、.0235-83.96)</p><p>　　X=169.46kg=9.415koml=210.88 M3(標(biāo))</p><p>　　所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分：</p><p>　　水的量為：210.88+1667.79=1878.67 M3(標(biāo))</p><p>　　9．中變爐二段催化床層的物料衡算：</p><p

66、>　　設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為0.74（總轉(zhuǎn)化率）所以在二段CO的變化量563.86*0.74=417.26 M3(標(biāo))</p><p>　　在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：</p><p>　　225.545-（563.86-417.26）=78.94M3(標(biāo))=3.52koml</p><p>　　出中變爐二段催化床層的CO的量為：225.

67、545-78.94=146.605 M3(標(biāo))</p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　812.318+78.94= 891.26M3(標(biāo))</p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：</p><p>　　3056.413+78.94= 3135.353M3(標(biāo))</p>

68、;<p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：</p><p>　　1878.67-78.94= 1799.73M3(標(biāo))</p><p>　　所以出中變爐的濕組分：</p><p>　　對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：</p><p>　　根據(jù)：K= （H2％×CO2％）/（H2O％×C

69、O％）</p><p><b>　　計算得K=10.6</b></p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=10.6時t=409℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為48℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：</p><p>　　409℃-44℃=365℃</p><p>　　1

70、0.中變爐二段催化床層的熱量衡算：</p><p>　　以知條件：進(jìn)變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353℃</p><p>　　出變爐二段催化床層的變換氣溫度為：365℃</p><p>　　變換氣反應(yīng)放熱Q1:</p><p>　　計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，平均溫度為：632K,計算結(jié)果如下：</p>

71、<p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 =-38553.74846 kJ/kg</p><p>　　Q1=3.52*38553.74846=135580.683 kJ/kg</p><p><b>　　氣體吸熱Q2：</b></p&

72、gt;<p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱</p><p><b>　　容。</b></p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>

73、　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：</p><p><b>　　計算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=33.61KJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=33.61*317.22*（365-353）=12789.1kJ</p><p><b>　　熱損失：

74、</b></p><p>　　Q3=Q1-Q2=7641.6 kJ</p><p>　　第二節(jié) 低變爐的物料與熱量計算</p><p><b>　　1.已知條件：</b></p><p><b>　　進(jìn)低變爐的濕組分:</b></p><p><b>

75、;　　進(jìn)低變爐的干組分：</b></p><p>　　2．低變爐的物料衡算：</p><p>　　要將CO％降到0.2％（濕基）以下，則CO的實際變換率為：</p><p>　　％=×100=90.11％</p><p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：146.605×90.11％=132.11 M3(標(biāo))=5.89

76、8 koml</p><p>　　出低溫變換爐CO的量：146.605-132.11=14.495 M3(標(biāo))=0.64722koml</p><p>　　出低溫變換爐H2的量： 3135.353+132.11=3267.463 M3(標(biāo))=145.869 koml</p><p>　　出低溫變換爐H2O的量：1799.73-132.11=1667.62 M3(標(biāo))

77、=74.45koml</p><p>　　出低溫變換爐CO2的量: 891.26 +132.11=1023.37 M3(標(biāo))=45.68koml</p><p><b>　　出低變爐的濕組分：</b></p><p><b>　　出低變爐的干組分：</b></p><p>　　對出低變爐的變換氣溫度

78、進(jìn)行估算：</p><p>　　根據(jù)：K= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）</p><p>　　計算得K=141.05</p><p>　　查《小合成氨廠工藝與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=141.05時t=223℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為20℃，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：</p><

79、;p>　　t=223-20=203℃</p><p>　　3．低變爐的熱量衡算：</p><p>　　以知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為：181℃</p><p>　　出低變爐催化床層的變換氣溫度為：203℃</p><p>　　變換氣反應(yīng)放熱Q1:</p><p>　　在203℃時，T=476K</

80、p><p>　　計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，平均溫度為：476K,計算結(jié)果如下：</p><p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 =-39958.286 kJ/kg</p><p>　　Q1=5.898*39958.286=235

81、687.29 kJ/kg</p><p><b>　　氣體吸熱Q2：</b></p><p>　　氣體吸熱時的平均溫度：（181+203）/2=191.5℃，T=464.5K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱</p><p><

82、;b>　　容。</b></p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：</p><p><b>　　表5-1.3</b></p>&l

83、t;p><b>　　計算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=32.86kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=33.61*317.22*（203-181）=230669.84kJ</p><p>　　熱損失Q3=Q1-Q2=235687.29-230669.84=5017.45 kJ</p>

84、<p>　　4．低變爐催化劑平衡曲線</p><p>　　根據(jù)公式XP=×100％</p><p><b>　　V=KPAB-CD</b></p><p><b>　　q=</b></p><p>　　U=KP（A+B）+（C+D）</p><p><

85、;b>　　W=KP-1</b></p><p>　　其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度</p><p>　　低變爐催化劑平衡曲線如下：</p><p>　　5.最佳溫度曲線的計算</p><p>　　由于低變爐選用B302型催化劑。</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技

86、術(shù)與設(shè)計手冊》B302型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43164kJ/koml</p><p>　　CO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能E2為：</p><p>　　E2- E1=r*(-△H)</p><p>　　對于CO變換反應(yīng)r=1，則E2=(-△H) + E1</p><p>　　△H為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：</p>

87、<p>　　（181+203）/2=192℃，T=465K</p><p>　　CO的反應(yīng)式為： CO +H2O=CO2+H2 </p><p>　　反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)，不同溫度下的反應(yīng)熱可以用以下公式計算：</p><p>　　△H=-1000-0.291*T+2.845×10-3*T2-0.97.3×10-3T3</p>

88、;<p>　　得：△H=-9422.62 kcal/kmol=-39450.653 kJ/kmol</p><p>　　E2 =39450.653+43164=82614.653 kJ/kmol</p><p><b>　　6．最適宜溫度曲線</b></p><p>　　由式Tm= 進(jìn)行計算</p><p>

89、;　　最適宜溫度計算列于下表中：</p><p>　　將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：</p><p>　　第三節(jié)．廢熱鍋爐的熱量和物料計算</p><p><b>　　1．已知條件：</b></p><p>　　進(jìn)廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份：</p><p>　　進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：925℃&

90、lt;/p><p>　　出廢熱鍋爐的溫度為：335℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水溫：20℃</p><p>　　出設(shè)備的水溫：335℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.3koml</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水量：X koml</p><p>　　物量在設(shè)備里無物量的變化

91、。</p><p><b>　　2.熱量計算：</b></p><p><b>　　入熱：</b></p><p><b>　　水的帶入熱Q1</b></p><p>　　水在20℃時 Cp=33.52 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q1=

92、X*（20+273）*33.52</p><p><b>　　=9821.36X</b></p><p>　　轉(zhuǎn)化氣的帶入熱Q2：</p><p>　　轉(zhuǎn)化氣在925℃時T=1193K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</

93、p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計算結(jié)果：&l

94、t;/b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=36.4kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=36.4*280.62*（920+273）=12185577.7kJ</p><p><b>　?。?）出熱：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)化氣的帶出熱：Q3=32.66×280.62

95、5;（330+273）=5526711.3KJ</p><p>　　轉(zhuǎn)化氣在335℃時T=608K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱</p><p><b>　　容。</b></p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）&

96、lt;/p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p><b>　　計算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=32.66kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q3=32.66*280.62*（330+273）=5526711.265kJ</p>&l

97、t;p><b>　　水的帶出熱Q4:</b></p><p>　　水在335℃，T=603K時的熱容為：Cp=36.55 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q4=X*36.55*（330+273）=22039.65X</p><p><b>　　熱損失Q5:</b></p><p>

98、　　Q5=0.04*(Q1+ Q2)</p><p><b>　　熱量平衡：</b></p><p>　　0.96*(Q1+ Q2)= Q3+ Q4 </p><p>　　0.96（9821.36X +12185577.7）=22039.65X+5526711.265</p><p>　　X=489.365koml

99、</p><p><b>　　3.水蒸汽的加入：</b></p><p>　　要使H2O/CO=3.5還要加入的水量為：</p><p>　?。?973.52-1364.55）÷22.4=27.187koml</p><p>　　第四節(jié) 主換熱器的物料與熱量的計算</p><p>

100、<b>　　1.已知條件：</b></p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量：190.33koml</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水的量：Xkoml</p><p>　　物料的量在設(shè)備中無變化。</p><p><b>　　溫度：</b></p><p>　　變換氣進(jìn)設(shè)備的溫

101、度：365℃</p><p>　　變換氣出設(shè)備的溫度：250℃</p><p>　　水進(jìn)設(shè)備的溫度： 20℃</p><p>　　水出設(shè)備的溫度： 90℃</p><p><b>　　2.熱量計算：</b></p><p><b>　　入熱：</b></p&

102、gt;<p><b>　　變換氣帶入熱:Q1</b></p><p>　　變換氣在365℃時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）</p><p><b>　　表5-1.2</b><

103、;/p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=33.94kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q1=31

104、7.22*33.94*（365+273）=6868920.88kJ</p><p><b>　　水的帶入熱Q2:</b></p><p>　　水在20℃時Cp=33.52 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=X*(20+273)*33.52=9821.36*X</p><p><b>　　出熱：&

105、lt;/b></p><p>　　變換氣在出口溫度為250℃，T=523K時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4

106、可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=33.14kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q3=33.14*523*317.22=5498069.

107、055kJ</p><p><b>　　水的帶出熱Q4:</b></p><p>　　水在90℃時Cp=34.14 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q4=X*34.14*(90+273)=12392.82*X</p><p>　　熱損失Q5:取0.04Q</p><p><b&g

108、t;　　根據(jù)熱量平衡：</b></p><p>　　0.96*（Q1+Q2）=Q3+Q4</p><p>　　X=371.93koml</p><p>　　第五節(jié) 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算</p><p><b>　　1.已知條件：</b></p><p>　　入設(shè)備的變換氣溫

109、度：250℃</p><p>　　出設(shè)備的變換氣溫度：181℃</p><p>　　進(jìn)設(shè)備的濕變換氣的量：190.33koml</p><p>　　變換氣帶入的熱量：Q1=3298841.433kJ</p><p>　　變換氣帶出的熱Q2：</p><p>　　變換氣在181℃時T=454K時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO,

110、H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.℃）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：</p><p><b>　　表5-1.3<

111、/b></p><p><b>　　計算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=32.62kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=190.33*32.62*454=2835274.946kJ</p><p>　　設(shè)備及管道損失?。?.04Q1</p><p>&l

112、t;b>　　變換氣放出的熱量：</b></p><p>　　Q=Q1-Q2-Q3=331612.83kJ</p><p>　　第二章 設(shè)備的計算</p><p>　　1. 低溫變換爐計算</p><p>　　1.1 已知條件：平均操作壓力0.83Mpa.</p><p>　　氣體進(jìn)口溫度 18

113、0℃</p><p>　　氣體出口溫度 220℃</p><p>　　氣體流量（干） 6.313×3556.288=22450.85Nm3/h</p><p>　　濕氣流量 6.313×4707.66=29719.45 Nm3/h</p><p>　　進(jìn)低變爐催化劑氣體（干）組分</p>

114、;<p>　　低變爐出口干氣中CO含量： CO%=0.27%</p><p>　　入催化劑蒸汽比 R=0.2445</p><p>　　1.2 催化劑用量計算</p><p>　　B302型低變催化劑的宏觀動力學(xué)方程為：r=1822exp(1-)</p><p>　　根據(jù)低變催化劑的選用原則，故選B302型國產(chǎn)低變催化劑，當(dāng)

115、變換氣中CO（干）為0.27%時，計算得催化劑床層空速為2120（標(biāo)）/（m3.．h）． </p><p>　　對于B204因動力學(xué)方程式中催化劑按體積計,計算出的催化劑床層空速是以體積為單位的“空速”.</p><p>　　因此,催化劑理論用量：V低=</p><p>　　在采用中變串低變的流程中，低變催化劑條件較好，故可以不考慮催化劑備用系數(shù)。<

116、;/p><p>　　1.3 催化劑床層直徑計算</p><p>　　設(shè)計要求催化劑層總阻力＜690Kpa（即700mmH2O）,</p><p>　　催化劑層阻力降采用式（4-6-16）試算</p><p><b>　　ΔP=2.1×</b></p><p>　　B302為非球形催化劑，粒度

117、為5×4.5±0.5，取其平均值為5×4.25=21.25，即轉(zhuǎn)化為球形粒徑，即φ4.6mm，dp=4.6mm=0.0046m</p><p>　　設(shè)催化劑床層直徑為2.5m, 則：</p><p>　　E=0.378+0.308</p><p>　　1.31催化劑床層阻力</p><p>　　氣體平均分子量M=

118、14.7</p><p>　　氣體在進(jìn)入低變催化劑層中的重度γ</p><p>　　γ==2.968Kg/m3</p><p>　　式中：200為氣體的平均溫度值</p><p>　　氣體質(zhì)量流量G==3001.45Kg/(m2.h)</p><p>　　1.3.2催化劑層高</p><p>&

119、lt;b>　　L==2.16 m</b></p><p><b>　　所以：ΔP=</b></p><p>　　=396Kgf/m2=3.96Kpa(396mmH2O)</p><p>　　計算結(jié)果符合要求ΔP＜6.90KPa,故取催化劑直徑2.5m</p><p><b>　　2. 中變廢熱

120、鍋爐</b></p><p>　　取中變廢熱鍋爐入口熱水溫度為80℃,假定出口熱水溫度為150℃,查飽和水蒸氣表得150℃時的焓值IH2O=632.20KJ/㎏, IH2O(g)=2750.7 KJ/㎏,汽化熱為2115.5 KJ/㎏</p><p><b>　　2.1 已知條件:</b></p><p>　　氣體流量及組成(不考慮

121、水蒸氣冷凝量)</p><p>　　進(jìn)氣流量:6.323×10.16=1326.74kmol/h</p><p>　　出氣流量:6.323×10.16=1326.74 kmol/h</p><p><b>　　氣體組成:</b></p><p>　　同中變氣體出口組成(略) =14.77</

122、p><p><b>　　操作狀況:</b></p><p><b>　　換熱器熱負(fù)荷:</b></p><p>　　擬采用單程換熱器,并使熱氣體走管內(nèi),冷氣體走管間,故以熱氣體放出熱量為計算熱負(fù)荷:</p><p>　　Q=6.313×(Q放- Q損) =6.313×(998423.

123、71-35620)</p><p>　　=6080452.43kJ/h</p><p>　　2.2 設(shè)備直徑與列管數(shù)量確定:</p><p>　　為使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,減少熱量損失,提高單位面積換熱能力,擬采用φ25×2.5小列管,單程結(jié)構(gòu),并使熱氣體走管內(nèi),冷氣體走管程.</p><p><b>　　列管數(shù)量估算:</

124、b></p><p>　　管內(nèi)氣體重量流量為:</p><p>　　G=14.77×210.16×6.313=19595.95Kg/h</p><p>　　為使管內(nèi)雷諾準(zhǔn)數(shù)大于10000，估計重量流速為25Kg/(m2.s),則需要列管數(shù)為：n=(根)</p><p><b>　　管板直徑估算：</b

125、></p><p>　　采用正六角形排列，取充填系數(shù)η=0.9，管間距取t=19mm.</p><p>　　D=1.05t=1.05×30=927.12mm</p><p><b>　　設(shè)備規(guī)格選定：</b></p><p>　　中變廢熱鍋爐內(nèi)徑取940mm,列管φ25×2.5，采用正六角形排列

126、，管間距取30mm, 管壁與殼壁凈距不小于15mm。共排13層（553根）</p><p>　　每個弓形內(nèi)布23孔，扣除拉桿6孔得：n=553+6×23-6=685 根</p><p>　　2.3 傳熱系數(shù)計算</p><p><b>　　管內(nèi)給熱系數(shù)計算：</b></p><p>　　管內(nèi)給熱系數(shù)按下式計算：

127、α內(nèi)=0.023Re0.8Pr0.4</p><p><b>　　管內(nèi)氣體平均溫度℃</b></p><p>　　按溫度355℃及壓力0.75Mpa壓力確定物性參數(shù)為：</p><p>　　Cm=2.9356KJ/(㎏.K)</p><p>　　μm=1.2965×10-5Pa.S</p><

128、;p>　　λm=0.1792W/(m.K)</p><p>　　所以：Re=G.d/µm.F==22666.07</p><p>　　Pr= µm.Cm/λm=</p><p>　　==290.95Cal/(m2.h.℃)=338.37</p><p>　　=338.37W/（m2.K）</p><