年产2万吨合成氨变换工段工艺设计设计doc.docx

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年产2万吨合成氨变换工段工艺设计设计doc

第一章物料与热量衡算

已知条件：

组分

CO2

CH4

合计

含量％

9.07

13.43

54.96

22.04

0.29

0.21

100

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/（2×0.2204）=2989.22M3（标）

因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取3000M3（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

CO2

CH4

合计

含量，％

9.07

13.43

54.96

22.04

0.29

0.21

100

M3（标）

272.1

402.9

1648.8

661.2

8.7

6.3

3000

kmol

12.14

17.99

73.61

29.52

0.39

0.28

133.93

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）=3.8

Vc=1531.02m3（标），n（水）=68.35kmol

因此进中变炉的变换气湿组分

组分

CO2

CH4

H2O

合计

含量％

5.99

8.87

36.32

14.57

0.19

0.14

33.73

100

M3（标）

272.1

402.9

1648.8

661.2

8.7

6.3

1531

4539.1

kmol

12.15

17.99

73.61

29.52

0.39

0.28

68.35

202.64

2.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+H2O＝H2+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：

8.87×75.93％=6.73

则反应后的各组分的量分别为：

H2O％=33.73％-6.73％

=27％

CO％=8.87％-6.73％

=2.14％

H2％=36.32％+6.73％

=43.05％

CO2％=5.99％+6.73％

=12.72％

中变炉出口的平衡常数：

Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=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=3.8

XP=

×100％

V=KPAB-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：

300

320

340

360

380

400

573

593

613

633

653

673

0.9286

0.9080

0.8842

0.8574

0.8278

0.7956

420

440

460

693

713

733

0.7613

0.7253

0.6880

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=113.39kJ/mol。

最适宜温度计算结果列于下表中：

0.9286

0.9080

0.8842

0.8574

0.8278

0.7956

573

593

613

633

653

673

272

290

308

326

344

362

0.7613

0.7253

0.6880

693

713

733

380

397

414

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

CO2

CH4

H2O

合计

含量％

5.99

8.87

36.32

14.57

0.19

0.14

33.73

100

M3（标）

272.1

402.9

1648.8

661.2

8.7

6.3

1531.02

4539.1

kmol

12.15

17.99

73.61

29.52

0.39

0.28

68.35

202.64

2.4.1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％

故在一段催化床层反应掉的CO的量为：

60％×402.9=241.74M3（标）=10.79kmol

出一段催化床层的CO的量为：

402.9-241.74=161.16M3（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=513.84M3（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=3241.74M3（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

CO2

CH4

合计

含量％

15.85

4.97

58.32

20.40

0.19

0.27

100

M3（标）

513.84

161.16

1890.54

661.2

6.3

8.7

3241.74

Kmol

22.94

7.19

84.40

29.52

0.28

0.39

144.72

剩余的H2O的量为：

1531.02-241.74=1289.28M3（标）=57.56kmol

故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积：

V总（湿）=3241.74+1289.28=4531.02M3（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

CO2

CH4

H2O

合计

含量％

11.34

3.56

41.72

14.59

0.14

0.19

28.45

100

M3（标）

513.84

161.16

1890.5

661.2

6.3

8.7

1289.28

4531.02

Kmol

22.94

7.19

84.40

29.52

0.28

0.39

57.56

202.28

2.4.2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

CO2

CH4

H2O

合计

含量％

11.34

3.56

41.72

14.59

0.14

0.19

28.45

100

M3（标）

513.84

161.16

1890.5

661.2

6.3

8.7

1289.28

4531.02

Kmol

22.94

7.19

84.40

29.52

0.28

0.39

57.56

202.28

根据：

Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）计算得K=5.067

查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当Kp=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℃=425℃

2.4.3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/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+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（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=A3/4

a0=△H0298－298.16a1－298.162×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（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

1.90318×103

5.80298

2.15675×10–3

-7.40499×10–7

1.08808×10–10

-2.11244×103

7.20974

-5.55838×1－4

4.8459×10－7

-8.18957×10－11

H2O

-6.0036×104

7.11092

1.29319×10－3

1.28506×10－7

-5.78039×10－11

-1.97673×103

6.45903

5.18164×10－4

2.03296×10－7

-7.65632×10－11

-2.83637×104

6.26627

8.98694×10－4

5.04519×10－9

-4.14272×10－11

CO2

-96377.88867

6.396

5.05×10－3

-1.135×10－6

0.00

计算O2的基准焓：

根据基准焓的计算通式：

Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4

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

H2O

CO2

Ht（kcal/kmol）

2794.508

-54412.553

-23560.11

-89839.079

Ht（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/kmol

Q1=

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

H2O

CO2

28.41

27.28

44.14

27.87

20.7723

b/10-3

4.1

3.26

10.71

9.04

4.27

---------

c/105

-0.46

0.502

0.33

-8.53

-----------

----------

CH4可用公式：

Cp=a+bT+CT2+dT3来计算热容:

表5-1.3

物质

b/10-3

c/10-6

d/10-9

CH4

17.45

60.46

1.117

-7.2

计算结果得：

物质

CO2

H2O

CH4

48.2

29.6

37.2

30.7

20.7277

56.1

所以平均热容：

Cpm=∑Yi*Cp=34.10KJ/（kmol.T）

所以气体吸热Q2=34.10×202.28×（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+Q3

Q3=27187.39kJ

2.4.4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：

Xkg

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/k

P/kPa

H/（kJ/kg）

360

1500

3169.2

360

2000

3159.3

400

1500

3255.8

400

2000

3247.6

冷淋水要升温到380℃，所以设在380℃,653K,1800kp时的焓值为h

对温度进行内查法：

1500kpa时

（653-633）/（h-3169.2）=（673-653）/（3255.8-h）

h=3212.5kJ/kg

2000kpa时

（653-633）/（h-3159.3）=（673-653）/（3247.6-h）

h=3203.45kJ/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=3207.07kJ/kg

Q1=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

CO2

H2O

CH4

48.2

29.6

37.2

30.7

56.1

所以Cpm=∑Yi*Cp=34.10kJ/（kmol.℃）

Q2=202.28*34.10*（425-380）

取热损失为0.05Q2

根据热量平衡：

0.95Q2=X（3207.07-83.96）

X=99.39kg=5.52koml=123.65M3（标）

所以进二段催化床层的变换气组分：

水的量为：

123.65+1289.28=1412.93M3（标）

组分

CO2

CH4

H2O

合计

含量％

11.04

3.46

40.62

14.21

0.14

0.19

30.36

100

M3（标）

513.84

161.16

1890.54

661.2

6.3

8.7

1412.93

4654.67

Kmol

22.94

7.19

84.40

29.52

0.28

0.39

63.08

202.28

2.6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

CO2

CH4

合计

含量％

15.85

4.97

58.32

20.40

0.19

0.27

100

M3（标）

513.84

161.16

1890.54

661.2

6.3

8.7

3241.74

Kmol

22.94

7.19

84.40

29.52

0.28

0.39

144.72

2.6.1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：

402.9×0.76=306.20M3（标）=13.67kmol

在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为：

161.16-（402.9-306.20）=64.46M3（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）=25.82kmol

故在二段催化床层反应后剩余的H2的量为：

1890.54+64.46=1955M3（标）=87.28kmol

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）=147.60kmol

所以出中变炉二段催化床层的变换气干组分：

组分

CO2

CH4

合计

含量％

17.49

2.92

59.13

20.00

0.19

0.26

100

M3（标）

578.3

96.7

1955

661.21

6.3

8.7

3306.2

kmol

25.82

4.32

87.28

29.52

0.28

0.39

147.60

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%

H2O％=

=28.97%

Ar％=

=0.19%

所以出中变炉的湿组分：

组分

CO2

CH4

H2O

合计

含量％

12.42

2.08

42.00

14.21

0.14

28.97

0.19

100

M3（标）

578.3

96.7

1955

661.2

6.3

1348．47

8.7

4654.67

Kmol

25.82

4.32

87.28

29.52

0.28

60.20

0.39

207.80

对出中变炉二段催化床层的变换气温度进行估算：

根据：

Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）

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℃=390℃

2.6.2．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

H2O

CO2

Ht（kcal/kmol）

2513.614

-54772.366

-23857.721

-90306.203

Ht（kJ/kmol）

10521.616

-229268.882

-99864.885

-378008.384

放热：

CO+H2O=CO2+H2

（1）

△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末=-38353.001kJ/kg

所以得：

Q1=2.88*38353.001=110456.64kJ/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

H2O

CO2

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