合成氨廠變換工段工藝設(shè)計(jì)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　題 目 年產(chǎn)三萬噸合成氨廠變換工段設(shè)計(jì)</p><p><b>　　計(jì)要求：</b></p><p>　　進(jìn)行工段工藝流程設(shè)計(jì)，繪制帶主要控制點(diǎn)的工藝流程圖。 </p&g

2、t;<p>　　進(jìn)行工段物料計(jì)算、熱量計(jì)算，并繪制物料衡算表、熱量衡算表 。 </p><p>　　進(jìn)行工段設(shè)備設(shè)計(jì)、選型，制備設(shè)備一覽表。 </p><p>　　編寫工段工藝初步設(shè)計(jì)說明書。 </p><p>　　繪制主要設(shè)備結(jié)

3、構(gòu)圖。 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　以在自貢市鴻鶴化工廠的實(shí)際數(shù)據(jù)為</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　目錄</b></p>

4、<p>　　說明書………………………………………………………………………4</p><p>　　前言…………………………………………………………………………………4</p><p>　　1.工藝原理…………………………………………………………………………4</p><p>　　2. 工藝條件…………………………………………………………………………4<

5、;/p><p>　　3. 工藝流程的選擇…………………………………………………………………5</p><p>　　4. 主要設(shè)備的選擇說明 …………………………………………………………5</p><p>　　5. 工藝流程的說明 ………………………………………………………………6</p><p>　　第一章 物料與熱量衡算…………………………

6、………………………7</p><p>　　1．水汽比的確定 …………………………………………………………………7</p><p>　　2．中變爐CO的實(shí)際變換率的求取………………………………………………8</p><p>　　3．中變爐催化劑平衡曲線 ………………………………………………………9</p><p>　　4. 最佳溫度曲線的計(jì)算

7、…………………………………………………………10</p><p>　　5．中變爐一段催化床層的物料衡算……………………………………………11</p><p>　　6．中變一段催化劑操作線的計(jì)算 ………………………………………………17</p><p>　　7．中間冷淋過程的物料和熱量衡算……………………………………………17</p><p>

8、　　8．中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算……………………………………19</p><p>　　9．中變二段催化劑操作線計(jì)算 ………………………………………………23</p><p>　　10.低變爐的物料與熱量衡算……………………………………………………24</p><p>　　11低變催化劑操作線計(jì)算 ………………………………………………………29</p

9、><p>　　12低變爐催化劑平衡曲線………………………………………………………29</p><p>　　13.最佳溫度曲線的計(jì)算 …………………………………………………………30</p><p>　　14廢熱鍋爐的物料和熱量衡算 …………………………………………………31</p><p>　　15.水蒸汽的加入 ………………………………………

10、………………………34</p><p>　　16主換熱器的物料與熱量的衡算………………………………………………34</p><p>　　17.調(diào)溫水加熱器的物料與熱量衡算……………………………………………36</p><p>　　第二章 設(shè)備的計(jì)算……………………………………………………………37</p><p>　　1. 中變爐的計(jì)算 …

11、………………………………………………………………37</p><p>　　2. 主換熱器的計(jì)算…………………………………………………………………42</p><p>　　設(shè)計(jì)的綜述……………………………………………………………………………6</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………49</p><p&

12、gt;　　致謝…………………………………………………………………………………50</p><p>　　第一章 物料與熱量衡算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p><b>　　計(jì)算基準(zhǔn)：1噸氨</b></p><p>　　計(jì)算生產(chǎn)1噸氨需要的變換氣量：</p>

13、;<p>　　（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31 M3(標(biāo))</p><p>　　因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物料可能會(huì)有損失，因此變換氣量取2962.5 M3(標(biāo))</p><p>　　年產(chǎn)3萬噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn)330天）：</p><p>　　日生產(chǎn)量：30000/330=90.9T/d=3.79T

14、/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)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為330℃，取變化氣出爐與入爐的溫差為35℃，出爐的變換氣溫度為365℃。</p><p>　　進(jìn)中變爐干氣壓力=1.75Mpa.</p><p><b

15、>　　1．水氣比的確定：</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）=3.5V水=1184.113m3(標(biāo)) ，n(水)=52.862kmol</p><p>　　因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分</p><p>　　2.中變爐CO的實(shí)際變換率的求取：

16、</p><p>　　假定濕轉(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO濕基含量為8.16％，要求變換氣中CO含量為2％，故根據(jù)變換反應(yīng)：</p><p>　　CO+H2O＝H2+CO2，</p><p>　　則CO的實(shí)際變換率公式為：</p><p>　　Xp％=×100 （2-1） </p><p>　　式中、

17、分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）</p><p><b>　　所以：Xp=</b></p><p><b>　　=74％</b></p><p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：</p><p>　　8.16×74％=6.04</p><p>　　則反應(yīng)后的各組

18、分的量分別為： </p><p>　　H2O％=28.56％-6.04％+0.48％</p><p><b>　　=23％</b></p><p>　　CO％=8.16％ -6.04％</p><p><b>　　=2.12％</b></p><p>　　H2％ =39.8％

19、+6.04％-0.48％</p><p><b>　　=45.36％</b></p><p>　　CO2％=6.86％+6.04％</p><p><b>　　=12.9％</b></p><p>　　中變爐出口的平衡常數(shù)：</p><p>　　Kp= （H2％×C

20、O2％）/（H2O％×CO％）=12</p><p>　　查《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) 》可知Kp=12時(shí)溫度為397℃。</p><p>　　中變的平均溫距為397℃-365℃=32℃</p><p>　　根據(jù)《合成氨工藝與節(jié)能 》可知中溫變換的平均溫距為：30℃到50℃，中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。</p><

21、p>　　3．中變爐催化劑平衡曲線</p><p>　　根據(jù)H2O/CO=3.5，與文獻(xiàn)《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》上的公式</p><p>　　XP=×100％ </p><p><b>　　V=KPAB-CD</b></p><p><b>　　q=</b>

22、;</p><p>　　U=KP（A+B）+（C+D）</p><p><b>　　W=KP-1</b></p><p>　　其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果列于下表：</b></p><p>　　中變爐催化

23、劑平衡曲線如下：</p><p>　　4.最佳溫度曲線的計(jì)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(jì)算。</p><p>　　查《3000噸合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算》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>

24、<p>　　最適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中：</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>　　5．中變爐一段催化床層的物料衡算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為330℃</p><p>

25、;　　進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：</p><p>　　5.1 中變爐一段催化床層的物料衡算</p><p>　　假設(shè)CO在一段催化床層的實(shí)際變換率為60％</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％&

26、#215;338.318=202.9908 M3(標(biāo))</p><p>　　=9.062kmol</p><p>　　出一段催化床層的CO的量為：</p><p>　　338.318-202.9908=135.3272 M3(標(biāo))</p><p>　　=6.0414kmol</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)后剩

27、余的H2的量為：</p><p>　　1650.409+202.9908-2×9.776=1833.8478 M3(標(biāo))</p><p>　　=81.868kmol</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　284.4+202.9908=487.3908 M3(標(biāo))</p>&

28、lt;p>　　=21.758kmol</p><p>　　故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積：</p><p>　　V總（干）=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258</p><p>　　=3136.1638 M3(標(biāo))</p><p>　　故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中CO的

29、含量：</p><p>　　CO％==4.31%</p><p><b>　　同理得：</b></p><p>　　CO2％==15.54%</p><p>　　H2％==58.47%</p><p>　　CO2％==15.54%</p><p>　　N2％==21.13%

30、</p><p>　　CH4％==0.35%</p><p>　　所以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>　　1184.113-202.9908+2×9.776=1000.6742 M3(標(biāo))</p><p>　　=44.6729kmol</p

31、><p>　　故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的體積：</p><p>　　V總（濕）=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258+1000.6742</p><p>　　=4136.838 M3(標(biāo))</p><p>　　=184.68kmol</p><p>　　故出中變爐一

32、段催化床層的變換氣濕組分中H2O的含量</p><p>　　H2O％= =24.19%</p><p>　　故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中CO2的含量</p><p>　　CO2％==11.78％</p><p><b>　　同理可得：</b></p><p>　　CO％==3.27％&l

33、t;/p><p>　　H2％==44.33％</p><p>　　N2％==16.16％</p><p>　　CH4％==0.27％</p><p>　　所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（％）：</p><p>　　5.2對(duì)出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行估算：</p><p>　

34、　已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（％）</p><p>　　根據(jù)：Kp= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）計(jì)算得K=6.6</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》知當(dāng)Kp=6.6時(shí)t=445℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為35℃，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：</p><p&

35、gt;　　445℃-35℃=415℃</p><p>　　5.3．中變爐一段催化床層的熱量衡算</p><p>　　以知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣溫度：330℃</p><p>　　出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415℃</p><p>　　可知反應(yīng)放熱Q：在變化氣中含有CO，H2O，O2，H2 這4種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下2種反應(yīng)：&

36、lt;/p><p>　　CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　O2 + 2H2= 2 H2O （2）</p><p>　　這2個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。</p><p>　　根據(jù)《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知為簡(jiǎn)化計(jì)算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計(jì)算。以P=1atm，t=25℃為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計(jì)算式

37、為：</p><p>　　HT=△H0298=Cpdt </p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　HT —— 氣體在在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；</p><

38、;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(duì)溫度，K；</p><p>　　Cp ——?dú)怏w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(yàn)式：</p>&

39、lt;p>　　Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+…… </p><p>　　式中A0、A1、A2、A3……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(jì)算通式：</p><p>　　Ht=a0+a1×T+a2×

40、;T2+a3×T3+a4×T4 (5-1) </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：</p><p>　　a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4</p

41、><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(jì)算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)行，步驟有多少，只要計(jì)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

42、15;Hi）末 (5-2) </p><p><b>　　式中 : </b></p><p>　　△H ——過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時(shí)為放熱，為負(fù)數(shù)時(shí)系統(tǒng)為吸熱，單位：kcal；（4.1868kJ）;</p><p>　　ni —— 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)，kmol；</p>&

43、lt;p>　　Hi ——始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下；</p><p>　　Hi—— 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(jì)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5-1.1</p><p><b>　　計(jì)算O2的基準(zhǔn)焓：</b>

44、;</p><p>　　根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4</p><p>　　在415℃時(shí)T=415+273=683K</p><p>　　將O2的常數(shù)帶入上式得：</p><p>　　Ht=1.90318×103+5.80298×683

45、+2.15675×10–3×6832-7.40499×10–7×6833</p><p>　　+1.08808×10–10×6834</p><p>　　=6699.742kcal/kmo=28050.412 kJ/kmol</p><p>　　同理根據(jù)以上方法計(jì)算可得變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓列于下表<

46、;/p><p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 =-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759</p><p>　　=-38079.10484kJ/kmol</p><p>　　Q1=9.062×（-38

47、079.10484）</p><p>　　=-345072.8481kJ</p><p>　　O2 + 2H2= 2 H2O （2）</p><p>　　Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-221354.6179kJ</p><p><b>　　氣體反應(yīng)共放熱：</b>

48、</p><p>　　Q=Q1+Q2=345072.8481+221354.6179=566427.4659kJ</p><p><b>　　氣體吸熱Q3</b></p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)教程》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)算熱容，熱容的單位為kJ/（kmol.T）</p>

49、;<p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容:</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果得：</b></p><p><b>　　所以

50、平均熱容：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=34.06 KJ/（kmol.T）</p><p>　　所以氣體吸熱Q3=34.06×184.68×(415-330)</p><p>　　=534667.068kJ</p><p>　　假設(shè)熱損失Q4（一般熱損失都小于總熱量的10%）</p&

51、gt;<p>　　根據(jù)熱量平衡的： </p><p><b>　　Q= Q3 +Q4</b></p><p>　　Q4=31760.979 kJ</p><p>　　6． 中變一段催化劑操作線的計(jì)算</p><p>　　有中變一段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知：</p><p>

52、;　　中變爐入口氣體溫度 330℃</p><p>　　中變爐出口氣體溫度 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>　　7．中間冷凝過程的物

53、料和熱量計(jì)算：</p><p>　　此過程采用水來對(duì)變換氣進(jìn)行降溫。</p><p><b>　　以知條件：</b></p><p>　　變換氣的流量：184.68koml</p><p>　　設(shè)冷凝水的流量：X kg</p><p>　　變換氣的溫度：415℃</p><p&

54、gt;　　冷凝水的進(jìn)口溫度：20℃</p><p>　　進(jìn)二段催化床層的溫度：353℃</p><p>　　操作壓力：1750kp</p><p>　　冷凝水吸熱Q1：據(jù)冷凝水的進(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>　　冷凝水要升溫

55、到353℃，所以設(shè)在353℃, 626K,1750kp時(shí)的焓值為h</p><p><b>　　對(duì)溫度進(jìn)行內(nèi)查法：</b></p><p><b>　　1600kpa時(shí)</b></p><p>　　(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) </p>

56、;<p>　　h=3752.09 kJ/kg</p><p><b>　　1800kpa時(shí)</b></p><p>　?。?26-600）/（h- 3691.7）=(700-626)/( 3918.5-h)</p><p>　　h=3750.668 kJ/kg</p><p>　　再對(duì)壓力使用內(nèi)查法得在35

57、3℃, 626K,1750kp時(shí)的焓值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

58、</b></p><p>　　根據(jù)表5-1.2和表5-1.3得：</p><p>　　所以Cpm= ∑Yi*Cp =33.92 kJ/（kmol.T）</p><p>　　Q2=184.68×33.92×(415-353)=388389.4272 kJ</p><p>　　取熱損失為0.04 Q2</p&

59、gt;<p>　　根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2= X(3751.0235-83.96)</p><p>　　X=101.676kg</p><p>　　=5.649 kmol</p><p>　　=126.53 M3(標(biāo))</p><p>　　水的量為：126.53+1000.6742=1127.2042 M3(標(biāo))</p

60、><p>　　=50.3261 kmol</p><p>　　所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分：</p><p>　　8．中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　所以進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣干組分：</p><p&g

61、t;　　8.1中變爐二段催化床層的物料衡算：</p><p>　　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CO的變化量為：</p><p>　　338.318×0.74=250.35532 M3(標(biāo))</p><p>　　=11.7658 kmol</p><p>　　在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：<

62、;/p><p>　　135.3272-（338.318-250.35532）=47.36452 M3(標(biāo))</p><p>　　=2.11 kmol</p><p>　　出中變爐二段催化床層的CO的量為：</p><p>　　135.3272-47.36452=87.96268 M3(標(biāo))</p><p>　　=3.926

63、9 kmol </p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　487.3908+47.364528= 534.75532M3(標(biāo))</p><p>　　=23.873 kmol</p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：</p>

64、;<p>　　1833.8478+47.36452= 1881.21232M3(標(biāo))</p><p>　　=83.9826 kmol</p><p>　　所以在二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量：</p><p>　　V總（干）=87.96268+534.75532+1881.21232+668.34+11.258</p><p>

65、　　=3183.528 M3(標(biāo))</p><p>　　=142.1218 kmol</p><p>　　所以出中變爐二段催化床層的變換氣干組分：</p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：</p><p>　　1127.2042-47.36452= 1079.84M3(標(biāo))</p><p>　　=

66、48.207 kmol</p><p>　　故出中變爐二段催化床層的變換氣濕組分中CO的含量：</p><p><b>　　CO％=</b></p><p><b>　　=2.06%</b></p><p><b>　　同理得：</b></p><p>

67、;<b>　　CO2％=</b></p><p><b>　　=12.54%</b></p><p><b>　　H2％=</b></p><p><b>　　=44.125%</b></p><p><b>　　N2％=</b>&l

68、t;/p><p><b>　　=15.67%</b></p><p><b>　　CH4％=</b></p><p><b>　　=0.26%</b></p><p><b>　　H2O％=</b></p><p><b>　

69、　=25.33%</b></p><p>　　所以出中變爐的濕組分：</p><p>　　對(duì)出中變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：</p><p>　　根據(jù)：Kp= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）</p><p>　　計(jì)算得Kp=10.6</p><p>　　查《小合成氨

70、廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》知當(dāng)Kp=10.6時(shí)t=409℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為44℃，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：</p><p>　　409℃-44℃=365℃</p><p>　　8.2．中變爐二段催化床層的熱量衡算：</p><p>　　以知條件：進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353</p>&l

71、t;p>　　出中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(jì)算變換氣中各組分的生成焓，原理與計(jì)算一段床層一樣，使用公式5-1及表5-1.1計(jì)算平均溫度為632K時(shí)的生成焓。</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果如下：</b></p><p>　　放熱：

72、 CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 =-38553.74846 kJ/kg</p><p>　　所以得： Q1=2.11*38553.74846</p><p>　　=81348.40955 kJ/kg</p><p><b>　　氣體吸熱Q2：&l

73、t;/b></p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)教程》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)算</p><p>　　熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來

74、計(jì)算熱容:</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　所以得：Cpm=∑Yi*Cp=33.61KJ/（kmol.T）</p><p>　　故：Q2=33.61×190.33×（365-353）</p><p>　　=76763.46kJ</p><p>

75、;<b>　　熱損失：</b></p><p>　　Q3=Q1-Q2=4584.95 kJ</p><p>　　9．中變二段催化劑操作線計(jì)算</p><p>　　由中變二段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知：</p><p>　　中變爐入口氣體溫度 353℃</p><p>　　中變爐出口氣

76、體溫度 365℃</p><p>　　中變爐入口CO變換率 60%</p><p>　　中變爐出口CO變換率 74%</p><p>　　所以中變爐的操作線如圖：</p><p><b>　　]</b></p><p>　　中變換爐物料量平衡表</p>&l

77、t;p>　　中變換爐一段熱量平衡表</p><p>　　中變換爐二段熱量平衡表</p><p>　　10.低變爐的物料與熱量衡算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p><b>　　進(jìn)低變爐的濕組分：</b></p><p>　　所以進(jìn)低變爐催化

78、床層的變換氣干組分：</p><p>　　10.1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(shí)際變換率為：</p><p>　　p％=×100=90.11％</p><p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：</p><p>　　87.96268×90.11％=79

79、.264 M3(標(biāo))</p><p>　　=3.539 kmol</p><p>　　出低溫變換爐CO的量： </p><p>　　87.96268-79.264=8.69868 M3(標(biāo))</p><p>　　=0.38833 kmol</p><p>　　出低溫變換爐H2的量： </p><p

80、>　　1881.21232+79.264=1960.475 M3(標(biāo))</p><p>　　=87.5213 kmol</p><p>　　出低溫變換爐H2O的量：</p><p>　　1079.84-79.264=1000.576 M3(標(biāo))</p><p>　　=44.67 kmol</p><p>　　出低

81、溫變換爐CO2的量: </p><p>　　534.75532 +79.264=614.019 M3(標(biāo))</p><p>　　=27.41 kmol</p><p>　　出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積：</p><p>　　V總（干）=8.69868+1960.475+614.019+668.34+11.258</p>

82、<p>　　=3262.794 M3(標(biāo))=145.66 kmol</p><p>　　故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：</p><p>　　CO％==0.266%</p><p><b>　　同理得：</b></p><p>　　CO2％==18.82%</p><p>

83、　　H2％==60.08%</p><p>　　N2％==20.48%</p><p>　　CH4％==0.35%</p><p><b>　　出低變爐的干組分：</b></p><p>　　出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積：</p><p>　　V總（干）=8.69868+1960.475+

84、614.019+668.34+11.258+1000.576</p><p>　　=4263.37 M3(標(biāo))</p><p>　　=190.33 kmol</p><p>　　故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：</p><p><b>　　CO％==2.0%</b></p><p>

85、　　同理： CO2％==14.4%</p><p>　　H2％==45.98%</p><p>　　N2％==15.68% </p><p>　　CH4％==0.26%</p><p>　　H2O％==23.47%</p><p>　　所以出低變爐的濕組分：</p><p>

86、;　　對(duì)出底變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算：</p><p>　　根據(jù)：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）</p><p>　　計(jì)算得Kp=141.05</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》知當(dāng)Kp=141.05時(shí)t=223℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為20℃，則出中變爐一段催化床層的變換氣

87、溫度為：</p><p>　　t=223－20=203℃</p><p>　　10.2．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>

88、;　　在203℃時(shí)，T=476K，</p><p>　　計(jì)算變換氣中各組分的生成焓原理與計(jì)算一段床層一樣，使用公式5-1及表5-1.1計(jì)算平均溫度為476K時(shí)的生成焓。</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果如下：</b></p><p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>

89、　　△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 =-39958.286 kJ/kg</p><p>　　所以：Q1=3.539×39958.286</p><p>　　=141412.3742 kJ/kg</p><p><b>　　氣體吸熱Q2：</b></p><p>　　氣體吸熱時(shí)的平均溫度：（181+203）

90、/2=191.5℃，T=464.5K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)教程》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)算</p><p>　　熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T） </p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式：Cp=a

91、+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　所以得：Cpm=∑Yi*Cp=32.86kJ/（kmol.T）</p><p>　　故：Q2=32.86×190.33×（203-

92、181）</p><p>　　=138401.9044kJ</p><p>　　熱損失 ： Q3=Q1-Q2</p><p>　　=141412.3742-138401.9044=3010.4698 kJ</p><p>　　低變換爐物料量平衡表</p><p><b>　　低變換爐熱量平衡表</b

93、></p><p>　　11．低變催化劑操作線計(jì)算</p><p>　　有低變二段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知：</p><p>　　低變爐入口氣體溫度 181℃</p><p>　　低變爐出口氣體溫度 203℃</p><p>　　低變爐入口CO變換率 74%</p>

94、<p>　　低變爐出口CO變換率 90.11%</p><p>　　12． 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><

95、;p>　　U=KP（A+B）+（C+D）</p><p><b>　　W=KP-1</b></p><p>　　其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度</p><p>　　低變爐催化劑平衡曲線如下：</p><p>　　13. 最佳溫度曲線的計(jì)算</p><p>　　

96、由于低變爐選用B302型催化劑。</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》B302型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43164kJ/ kmol</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(duì)于CO變換反應(yīng)r=1，則E2=(-△H) + E

97、1</p><p>　　△H為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：</p><p>　　（181+203）/2=192℃，T=465K</p><p>　　CO的反應(yīng)式為： CO +H2O=CO2+H2 </p><p>　　由《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知反應(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(jì)算：</p>

98、<p>　　△H= kcal/ kmol</p><p>　　得：△H=-9422.62 kcal/kmol=-39450.653 kJ/kmol</p><p>　　E2 =39450.653+43164=82614.653 kJ/kmol</p><p>　　最適宜溫度曲線由式Tm= 進(jìn)行計(jì)算</p><p>　　最

99、適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中：</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>　　14．廢熱鍋爐的熱量和物料衡算</p><p><b>　　以知條件：</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：920℃</p

100、><p>　　出廢熱鍋爐的溫度為：330℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水溫：20℃</p><p>　　出設(shè)備的水溫：330℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.3 kmol</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水量：X kmol</p><p>　　在設(shè)備里無物料的變化。</

101、p><p><b>　　熱量衡算：</b></p><p><b>　　入熱：</b></p><p><b>　　水的帶入熱Q1</b></p><p>　　水在20℃時(shí) Cp=33.52 kJ/（kmol.T）</p><p>　　所以：Q1=X

102、5;（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920℃時(shí)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(jì)算熱容。

103、</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.T）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容:</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計(jì)

104、算結(jié)果：</b></p><p>　　故Cpm=∑Yi*Cp=36.4kJ/（kmol.T）</p><p>　　所以： Q2=36.4×168.37×（920+273）</p><p>　　=7311346.618kJ</p><p><b>　?。?）出熱：</b></p>

105、;<p>　　轉(zhuǎn)化氣的帶出熱Q3：</p><p>　　轉(zhuǎn)化氣在330℃時(shí)T=603K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)教程》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)算</p><p>　　熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.T）</p><p><b>　　表5-1.2&l

106、t;/b></p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容:</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　所以：Cpm=∑Yi*Cp=32.66kJ/（kmol.T）</p>&

107、lt;p>　　因此： Q3=32.66×168.37×（330+273）=3316026.759kJ</p><p><b>　　水的帶出熱Q4:</b></p><p>　　水在330℃，T=603K時(shí)的熱容為：Cp=36.55 kJ/（kmol.T）</p><p>　　所以得：Q4=X×36.55

108、15;（330+273）</p><p>　　=22039.65X</p><p><b>　　熱損失Q5:</b></p><p>　　Q5=0.04×(Q1+ Q2)</p><p><b>　　熱量平衡：</b></p><p>　　0.96×(Q1

109、+ Q2)= Q3+ Q4 </p><p>　　0.96（9821.36X +7311346.618）=22039.65X+3316026.759</p><p>　　X=293.619koml</p><p><b>　　廢熱鍋爐熱量平衡表</b></p><p><b>　　15.水蒸汽的加入<

110、;/b></p><p>　　要使H2O/CO=3.5還要加入的水量為：</p><p>　?。?184.113-818.73）÷22.4=16.312 kmol</p><p>　　16．主換熱器的物料與熱量的衡算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>

111、　　進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量：190.33 kmol</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水的量：X kmol</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)備的溫度：365℃</p><p>　　變換氣出設(shè)備的溫度：250℃<

112、/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>　　熱量計(jì)算：</b></p><p><b>　　入熱：</b></p><p><b>　　變換氣帶入熱:Q1</b></

113、p><p>　　變換氣在365℃時(shí)根據(jù)《物理化學(xué)教程》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式</p><p>　　Cp=a+b+CT-2來計(jì)算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol.T）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用

114、公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容:</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　故：Cpm=∑Yi*Cp=33.94kJ/（kmol.T）</p><p>　　所以： Q1=190.33×33.94

115、15;（365+273）</p><p>　　=4121352.528kJ</p><p><b>　　水的帶入熱Q2:</b></p><p>　　水在20℃時(shí)Cp=33.52 kJ/（kmol.T）</p><p>　　所以得： Q2=X*(20+273)*33.52=9821.36*X</p>&l

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

117、t;/p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容:</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　故：Cpm=∑Yi*Cp=33.14kJ/（kmol.T）</p><p>　　所

118、以得： Q3=33.14×523×190.33=3298841.433kJ</p><p><b>　　水的帶出熱Q4:</b></p><p>　　水在90℃時(shí)Cp=34.14 kJ/（kmol.T）</p><p>　　得： Q4=X*34.14*(90+273)</p><p>　　=1

119、2392.82*X</p><p>　　熱損失Q5:取0.04Q</p><p><b>　　根據(jù)熱量平衡：</b></p><p>　　0.96*（Q1+Q2）=Q3+Q4</p><p>　　X=223.16 kmol</p><p><b>　　主換熱器熱量平衡表</b>

120、;</p><p>　　17.調(diào)溫水加熱器的物料與熱量衡算</p><p><b>　　以知條件：</b></p><p>　　入設(shè)備的變換氣溫度：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：190.33kmol</p>&l

121、t;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(shí)T=454K時(shí)根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公</p><p>　　式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)算熱容。 </p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol

122、.T）</p><p><b>　　表5-1.2</b></p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來計(jì)算熱容:</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　

123、Cpm=∑Yi*Cp=32.62kJ/（kmol.T）</p><p>　　得： Q2=190.33×32.62×454</p><p>　　=2835274.946kJ</p><p>　　設(shè)備及管道損失?。?.04Q1</p><p><b>　　變換氣放出的熱量：</b></p>

124、<p>　　Q=Q1-Q2-Q3=331612.83kJ</p><p>　　第二章 設(shè)備的計(jì)算</p><p><b>　　2-1中變爐的計(jì)算</b></p><p>　　2-1.1．觸媒用量的計(jì)算</p><p>　　根據(jù)文獻(xiàn)《3000噸型合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算》可知：</p><

125、p>　　Vr=T0*V0 </p><p>　　式中 Vr ——觸媒體積，M3(標(biāo))</p><p>　　T0 ——標(biāo)準(zhǔn)接觸時(shí)間，h* m3 / M3(標(biāo))</p><p>　　V0——通過觸媒的氣體體積，M3(標(biāo))/h</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)接觸時(shí)間的計(jì)算公式如下：</p><p>　　式中：W=Kp-1;

126、</p><p>　　U=Kp(A+B)+(C+D);</p><p>　　V=KPAB-CD;</p><p><b>　　q=</b></p><p>　　Kp——反應(yīng)平衡常數(shù)；</p><p>　　k1——反應(yīng)速度常數(shù)；</p><p>　　n——變換的CO的量，分子

127、分率；</p><p>　　其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度</p><p>　　2-1.2．第一段床層觸媒用量</p><p>　　計(jì)算基準(zhǔn)：3.79T/h</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　第一段床層變換氣進(jìn)口溫度為：330℃，第

128、一段床層變換氣出口溫度為：415℃</p><p>　　平均溫度為：（330℃+415℃）/2=372.5℃</p><p>　　由《3000噸型合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算》得到在372.5℃時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)k1=4600，加壓時(shí)取校正系數(shù)：2.8，則：k1=4600*2.8=12880.</p><p>　　進(jìn)第一段床層變換氣中N2%=16.12%</p>

129、<p>　　則：V0=（3790÷17）×22.4÷（0.1612×2）=15489.7 M3(標(biāo))/h</p><p>　　出第一段床層變換氣中CO%=3.27%</p><p>　　進(jìn)第一段床層的變換氣濕組分：</p><p>　　n=8.16%-3.27%=4.89%</p><p>

130、　　在372.5℃時(shí)，查《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》Kp=16.030631</p><p>　　則： W=16.030631-1</p><p>　　=15.030631</p><p>　　U=16.030631×(0.0816+0.2856)+(0.0686+0.398)</p><p><b>　　=6

131、.353</b></p><p>　　V=16.030631×0.0816×0.2856-0.0686×0.398</p><p><b>　　=0.3463</b></p><p><b>　　q=</b></p><p><b>　　=4.67

132、13</b></p><p>　　=0.000514h</p><p>　　所以： V01 =T0*V0 =0.000514×15489.7=7 M3 </p><p><b>　　備用系數(shù)?。?.1</b></p><p>　　所以：V0 1=7×1.1=7.7 M3</p>

133、;<p>　　2-1.3 第二段床層觸媒用量</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　第二段床層變換氣進(jìn)口溫度為：353℃，第二段床層變換氣出口溫度為：365℃</p><p>　　平均溫度為：（353℃+365℃）/2=359℃</p><p>　　由《3000噸型合成氨廠工藝

134、和設(shè)備計(jì)算》得到在375℃時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)k1=4600，在317℃時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)k2=2130。</p><p>　　使用內(nèi)插法：（375-359）/（4600-k）=（353.5-317）/（k-2130）</p><p><b>　　k=3684</b></p><p>　　加壓時(shí)取校正系數(shù)：2.8，則：k1=3684*2.8=10315&