畢業(yè)設(shè)計(jì)---年產(chǎn)12萬噸合成氨變換工段工藝設(shè)計(jì)

1、<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><p>　?。?000/17）×22.4/（2×0.2204）=29

2、89.22 M3(標(biāo))</p><p>　　因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物料可能會有損失，因此變換氣量取3000 M3(標(biāo))</p><p>　　年產(chǎn)10萬噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn)300天）：</p><p>　　日生產(chǎn)量：100000/300=333.3T/d=13.89T/h</p><p>　　要求出低變爐的變換氣干組分中CO％不大于0.3％

3、。</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370℃，取變化氣出爐與入爐的溫差為20℃，出爐的變換氣溫度為390℃。</p><p>　　進(jìn)中變爐干氣壓力。P=1.8Mpa.</p><p><b>　　1．水氣比的確定：</b></p><p>

4、;　　考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取H2O/CO=3.8</p><p>　　故V（水）=3.8Vc=1531.02m3(標(biāo)) ，n(水)=68.35kmol</p><p>　　因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分</p><p><b>　　2.中變爐的計(jì)算</b></p><p>　　2.1中變爐CO的實(shí)際變換率

5、的求取</p><p>　　假定濕轉(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO濕基含量為8.87％，要求變換氣中CO含量為0.2％，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>

6、　　式中、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>　　=75.93％</b></p><p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：</p><p>　　8.87×75.93％=6.73</p><p&

7、gt;　　則反應(yīng)后的各組分的量分別為： </p><p>　　H2O％=33.73％-6.73％</p><p><b>　　=27％</b></p><p>　　CO％=8.87％ -6.73％</p><p><b>　　=2.14％</b></p><p>　　H2％

8、=36.32％+6.73％</p><p><b>　　=43.05％</b></p><p>　　CO2％=5.99％+6.73％</p><p><b>　　=12.72％</b></p><p>　　中變爐出口的平衡常數(shù)：</p><p>　　Kp= （H2％×

9、;CO2％）/（H2O％×CO％）=9.48</p><p>　　查得Kp=9.48時(shí)溫度為424℃。</p><p>　　中變的平均溫距為424℃-390℃=34℃</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><p>　　2.2中變爐

10、催化劑平衡曲線</p><p>　　根據(jù)H2O/CO=3.8</p><p>　　XP=×100％ </p><p><b>　　V=KPAB-CD</b></p><p><b>　　q=</b></p><p>　　U=KP（A+B）+（C

11、+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>　　中變爐催化劑平衡曲線如下：</p><p>　　2.3最佳

12、溫度曲線的計(jì)算</p><p>　　由于中變爐選用QCS-01型催化劑，</p><p>　　最適宜溫度曲線由式 進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　E1=74.49kJ/mol，E2=113.39 kJ/mol。</p><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

13、圖：</p><p>　　2.4中變爐一段催化床層的物料衡算</p><p>　　已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為370℃</p><p>　　進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：</p><p>　　2.4.1 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

14、％</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：</p><p>　　60％×402.9=241.74 M3(標(biāo)) =10.79kmol</p><p>　　出一段催化床層的CO的量為：</p><p>　　402.9-241.74=161.16 M3(標(biāo))=7.19kmol</p><p>　　

15、故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：</p><p>　　1648.8+241.74=1890.54M3(標(biāo))=84.40kmol</p><p>　　故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　272.1+241.74=513.84 M3(標(biāo))=22.94kmol</p><p>　　故出中變爐一段催化床層的變換氣干

16、組分的體積：</p><p>　　V總（干）=161.16+1890.54+513.84+661.2+6.3+8.7=3241.74 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的含量：</p><p>　　CO％==4.97%</p><p><b>　　同理得：</b></p>

17、;<p>　　CO2％==15.85%</p><p>　　H2％==58.32%</p><p>　　Ar％==0.27%</p><p>　　N2％==20.40%</p><p>　　CH4％==0.19%</p><p>　　所以出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：</p><

18、p>　　剩余的H2O的量為：</p><p>　　1531.02-241.74=1289.28 M3(標(biāo))=57.56kmol</p><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）=3241.74+1289.28=4531.02 M3(標(biāo))=202.28kmol</p><p>　　故出中變爐

19、一段催化床層的變換氣濕組分中H2O的含量</p><p>　　H2O％= =28.45%</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％==11.34％</p><p><b>　　同理可得：</b></p><p>　　CO％==3.56％&

20、lt;/p><p>　　H2％==41.72％</p><p>　　N2％==14.59％</p><p>　　CH4％==0.14％</p><p>　　Ar％==0.19％</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>　　2.4.2對出中變爐一段催化

21、床層的變換氣的溫度進(jìn)行估算：</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>　　根據(jù)：Kp= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）計(jì)算得K=5.067</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊》知當(dāng)Kp=5.928時(shí)t=475℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為5

22、0℃，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：</p><p>　　475℃-50℃=425℃</p><p>　　2.4.3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：370℃</p><p>　　出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：425℃</p><p>　　可知反

23、應(yīng)放熱Q：在變化氣中含有CO，H2O，CO2, H2 這4種物質(zhì)會發(fā)生以下1種反應(yīng)：</p><p>　　CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　這個(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》可知為簡化計(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)算式為：<

24、;/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><p>

25、;　　△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 ——?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><p&

26、gt;　　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×T2+a

27、3×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>

28、<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×Hi

29、）末 (5-2) </p><p>　　式中 : △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><p>　　Hi ——始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下；</p><p>

30、;　　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></p><p>　　根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=a0+a1

31、5;T+a2×T2+a3×T3+a4×T4</p><p>　　在448℃時(shí)T=425+273=698K</p><p>　　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</p><p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　△H1=（∑Hi）始－（∑Hi

32、）末 =-376053.07+11697.40+98619.146+227762.88</p><p>　　=-37973.644kJ/kmol</p><p>　　Q1=10.79×（-37973.644）</p><p>　　=-409735.62kJ</p><p><b>　　氣體反應(yīng)共放熱：</b>

33、</p><p>　　Q=409735.62KJ</p><p><b>　　氣體吸熱Q2</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+bT+CT2來計(jì)算熱容，熱容的單位為kJ/（kmol.T）</p><p><b>　　表5-1.2<

34、;/b></p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+bT+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>　　所以平均熱容：</b></p><

35、p>　　Cpm=∑Yi*Cp=34.10KJ/（kmol.T）</p><p>　　所以氣體吸熱Q2=34.10×202.28×(425-370)</p><p>　　=379376.14kJ</p><p>　　假設(shè)熱損失Q3（一般熱損失都小于總熱量的10%）</p><p>　　根據(jù)熱量平衡的： </

36、p><p><b>　　Q= Q2 +Q3</b></p><p>　　Q3=27187.39kJ</p><p>　　2.4.4 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>　　中變爐入口氣體溫度 370℃</p>

37、<p>　　中變爐出口氣體溫度 425℃</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>　　2.5中間冷凝過程的物料和熱量衡算：</p><p>　　此

38、過程采用水來對變換氣進(jìn)行降溫。</p><p><b>　　以知條件：</b></p><p>　　變換氣的流量：202.28koml</p><p>　　設(shè)冷淋水的流量：X kg</p><p>　　變換氣的溫度：425℃</p><p>　　冷淋水的進(jìn)口溫度：20℃</p>&l

39、t;p>　　進(jìn)二段催化床層的溫度：380℃</p><p>　　操作壓力：1800kp</p><p><b>　　熱量計(jì)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>&

40、lt;p>　　冷淋水要升溫到380℃，所以設(shè)在380℃, 653K,1800kp時(shí)的焓值為h</p><p><b>　　對溫度進(jìn)行內(nèi)查法：</b></p><p><b>　　1500kpa時(shí)</b></p><p>　　(653-633 )/(h-3169.2)=(673-653)/(3255.8-h)

41、 </p><p>　　h=3212.5 kJ/kg</p><p><b>　　2000kpa時(shí)</b></p><p>　　(653-633)/(h-3159.3)=(673-653)/(3247.6-h)</p><p>　　h=3203.45 kJ/kg</p><p>　　對

42、壓力用內(nèi)差法得380℃，653K，1800Kp時(shí)的焓值h為：</p><p>　　(1800-1500)/(h-3212.5)=(2000-1800)/(3203.45-h)</p><p>　　h=3207.07 kJ/kg</p><p>　　Q1= X( 3207.07-83.96)</p><p><b>　　變換氣吸熱Q2

43、</b></p><p>　　根據(jù)表5-1.2和表5-1.3的計(jì)算方法得：</p><p>　　所以Cpm= ∑Yi*Cp =34.10 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=202.28*34.10*(425-380)</p><p>　　取熱損失為0.05 Q2</p><p>　　根據(jù)熱量

44、平衡：0.95Q2= X(3207.07-83.96)</p><p>　　X=99.39kg=5.52koml=123.65 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：123.65+1289.28=1412.93 M3(標(biāo))</p><p>　　2.6中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算&

45、lt;/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>　　2.6.1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0.76（總轉(zhuǎn)化率）所以在CO的變化量為：</p><p>　　402.9

46、×0.76=306.20M3(標(biāo))=13.67 kmol</p><p>　　在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：</p><p>　　161.16-(402.9-306.20)=64.46 M3(標(biāo))=2.88kmol</p><p>　　出中變爐二段催化床層的CO的量為：</p><p>　　161.16-64.46=96.

47、7M3(標(biāo))=4.32kmol </p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：</p><p>　　513.84+64.46= 578.3M3(標(biāo))=25.82 kmol</p><p>　　故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：</p><p>　　1890.54+64.

48、46= 1955M3(標(biāo))=87.28 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）=96.7+578.3+1955+661.2+8.7+6.3=3306.2M3(標(biāo)) =147.60kmol</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

49、床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：</p><p>　　1412.93-64.46= 1348.47M3(標(biāo))=60.20kmol</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>　　=2.08%</b>&l

50、t;/p><p><b>　　同理得：</b></p><p><b>　　CO2％=</b></p><p><b>　　=12.42%</b></p><p><b>　　H2％=</b></p><p><b>　　=4

51、2.00%</b></p><p><b>　　N2％=</b></p><p><b>　　=14.21%</b></p><p><b>　　CH4％=</b></p><p><b>　　=0.14%</b></p><

52、;p><b>　　H2O％=</b></p><p><b>　　=28.97%</b></p><p><b>　　Ar％=</b></p><p><b>　　=0.19%</b></p><p>　　所以出中變爐的濕組分：</p>

53、<p>　　對出中變爐二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=8.66</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊》知當(dāng)Kp=8.56時(shí)t=432℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為42℃，則出中

54、變爐二段催化床層的變換氣溫度為：</p><p>　　432℃-42℃=390℃</p><p>　　2.6.2．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：380℃</p><p>　　出中變爐二段催化床層的變換氣溫度為：390℃</p><p>　　變換氣反應(yīng)放

55、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658K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>　　△H1=（∑Hi）始

56、－（∑Hi）末 =-38353.001 kJ/kg</p><p>　　所以得： Q1=2.88*38353.001=110456.64 kJ/kg</p><p><b>　　氣體吸熱Q2：</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+bT+CT2來計(jì)算</p

57、><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來計(jì)算熱容:</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　所以得：Cpm=∑Yi*Cp

58、=33.82KJ/（kmol.T）</p><p>　　故：Q2=33.82×212.77×（390-380）=71958.814kJ</p><p><b>　　熱損失：</b></p><p>　　Q3=Q1-Q2=38497.83kJ</p><p>　　2.6.3．中變二段催化劑操作線計(jì)算&l

59、t;/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 380℃</p><p>　　中變爐出口氣體溫度 390℃</p><p>　　中變爐入口CO變換率 60%</p><p>　　中變爐出口CO變換率 76.6%</p>

60、<p>　　所以中變爐的操作線如圖：</p><p>　　中變換爐物料量平衡表</p><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>　　3.低變爐的物料與熱量衡算</p><p><b>　　進(jìn)低變爐的濕組分：</b></p&

61、gt;<p>　　進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分：</p><p>　　3.1低變爐的物料衡算</p><p>　　要將CO％降到0.3％（濕基）以下，則CO的實(shí)際變換率為：</p><p>　　p％=×100=89.46％</p><p><b>　　取p=90%</b></p>

62、<p>　　則反應(yīng)掉的CO的量為：</p><p>　　96.7×90％=87.03M3(標(biāo))=3.89kmol</p><p>　　出低溫變換爐CO的量： </p><p>　　96.7-87.03=9.67 M3(標(biāo))=0.43 kmol</p><p>　　出低溫變換爐H2的量： </p><

63、p>　　1955+87.03=2042.03M3(標(biāo))=91.16 kmol</p><p>　　出低溫變換爐H2O的量：</p><p>　　1348.47-87.03=1261.44M3(標(biāo))=56.31kmol</p><p>　　出低溫變換爐CO2的量: </p><p>　　578.3 +87.03=665.33M3(標(biāo))=2

64、9.70 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）=9.67+2042.03+665.33+8.7+661.2+6.3=3393.23M3(標(biāo))=151.48 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％==0.28%<

65、;/p><p><b>　　同理得：</b></p><p>　　CO2％==19.61%</p><p>　　H2％==60.18%</p><p>　　N2％==19.49%</p><p>　　CH4％==0.19%</p><p>　　Ar％==0.26%</p&

66、gt;<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（濕）=3393.23+1261.44=4654.67M3(標(biāo))=207.80 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&g

67、t;　　CO％==2.01%</p><p>　　同理： CO2％==14.29%</p><p>　　H2％==45.53%</p><p>　　N2％==14.21% </p><p>　　CH4％==0.14%</p><p>　　Ar％==0.19%</p><p>

68、;　　H2O％==27.10%</p><p>　　所以出低變爐的濕組分：</p><p>　　對出低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=110.16</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)

69、手冊》知當(dāng)Kp=110.16時(shí)t=235℃</p><p>　　設(shè)平均溫距為35℃，則出中變爐段催化床層的變換氣溫度為：</p><p>　　t=235－35=200℃</p><p>　　3.2 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：180</p><p>　　出低變爐催化床

70、層的變換氣溫度為：200℃</p><p>　　變換氣反應(yīng)放熱Q1:</p><p>　　在200℃時(shí)，T=473K，</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>

71、;<p>　　放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）</p><p>　　△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 =-39972.8kJ/kg</p><p>　　所以：Q1=3.670×39972.8=146700.176 kJ</p><p><b>　　氣體吸熱Q2：</b></p>

72、;<p>　　氣體吸熱時(shí)的平均溫度：（180+200）/2=190℃，T=463K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)教程》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+bT+CT2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></

73、p><p>　　CH4可用公式：Cp=a+bT+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=33.041kJ/（kmol.T）</p><p>　　故

74、：Q2=33.041×212.77×（200-180）=140602.67kJ</p><p>　　熱損失 ： Q3=Q1-Q2</p><p>　　=146700.176-140602.67=6097.33 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<

75、;/b></p><p>　　3.3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 180℃</p><p>　　低變爐出口氣體溫度 200℃</p><p>　　低變爐入口CO變換率 76.6%</p

76、><p>　　低變爐出口CO變換率 90.00%</p><p>　　3.4 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>

77、<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&

78、gt;　　由于低變爐選用B303Q型催化劑。</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊》B303Q型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43250kJ/ 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>　　對于CO變換反應(yīng)r=1，則E2=(-

79、△H) + E1</p><p>　　△H為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：</p><p>　?。?80+200）/2=190℃，T=463K</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》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：</

80、p><p>　　△H= kcal/ kmol</p><p>　　得：△H=-38900 kJ/kmol</p><p>　　E2 =38900+43250=82150 kJ/kmol</p><p>　　最適宜溫度曲線由式Tm= 進(jìn)行計(jì)算</p><p>　　最適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中：</p>

81、<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(jì)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：920℃</p><p>　　出廢熱鍋

82、爐的溫度為：370℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的水溫：20℃</p><p>　　出設(shè)備的水溫：370℃</p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：196.88koml</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。</p><p><

83、;b>　　2.熱量計(jì)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.℃）</p><p>　　Q1=X*（20+273）*33.52</p>

84、;<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。</p><p>　　熱容的單位為k

85、J/（kmol.℃）</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

86、>　　Cpm=∑Yi*Cp=36.84kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=36.84*196.88*（920+273）=8652899.63kJ</p><p><b>　?。?）出熱：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)化氣在370℃時(shí)T=643K</p><p>　　根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2,

87、H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計(jì)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><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p&

88、gt;<p>　　Cpm=∑Yi*Cp=32.28kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q3=32.28*196.88*（370+273）=4086449.16kJ</p><p><b>　　水的帶出熱Q4:</b></p><p>　　水在370℃，T=643K時(shí)的熱容為：Cp=38.25 kJ/（kmol.℃）<

89、/p><p>　　Q4=X*38.25*（370+273）=24594.75X</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+ Q2)=

90、 Q3+ Q4 </p><p>　　0.96(9821.36X+8652899.63)=24594.75X+4086449.16 X=278.27koml</p><p><b>　　3.水蒸汽的加入：</b></p><p>　　要使H2O/CO=3.8還要加入的水量為

91、：</p><p>　?。?531.02-1410.15）÷22.4=5.40koml</p><p>　　第四節(jié) 主換熱器的物料與熱量的計(jì)算</p><p><b>　　1.已知條件：</b></p><p>　　進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量：207.80koml</p><p>　　進(jìn)

92、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)備的溫度：390℃</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><

93、;p>　　水出設(shè)備的溫度： 100℃</p><p><b>　　2.熱量計(jì)算：</b></p><p><b>　　入熱：</b></p><p><b>　　變換氣帶入熱:Q1</b></p><p>　　變換氣在390℃時(shí)根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2

94、O, 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.℃）</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>

95、</p><p><b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=31.19kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q1=207.80*31.19*（390+273）=4297089.97kJ</p><p><b>　　水的帶入熱Q2:</b></p>

96、<p>　　水在20℃時(shí)Cp=33.52 kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=X*(20+273)*33.52=9821.36*X</p><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)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b

97、+CT-2來計(jì)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(jì)算熱容：</p><p><b>　　表5-1.3</b></p><p>&l

98、t;b>　　計(jì)算結(jié)果：</b></p><p>　　Cpm=∑Yi*Cp=33.34kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q3=33.34*523*207.80=3623371.20kJ</p><p><b>　　水的帶出熱Q4:</b></p><p>　　水在100℃時(shí)Cp=34.45 kJ

99、/（kmol.℃）</p><p>　　Q4=X*34.45*(30+273)=12849.85*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=146.68ko

100、ml</p><p>　　第五節(jié) 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計(jì)算</p><p><b>　　1.已知條件：</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：180℃</p><p>　　進(jìn)設(shè)備的濕變換氣的量：207.80koml</p&g

101、t;<p>　　變換氣帶入的熱量：Q1= 3623371.20kJ</p><p>　　變換氣帶出的熱:Q2</p><p>　　變換氣在180℃時(shí)T=453K時(shí)根據(jù)《物理化學(xué)》知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，</p><p>　　Cp=a+b+CT-2來計(jì)算熱容。</p><p>　　熱容的單位為kJ/（kmol

102、.℃）</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>　　C

103、pm=∑Yi*Cp=32.62kJ/（kmol.℃）</p><p>　　Q2=207.80*32.62*453=3070631.51kJ</p><p>　　設(shè)備及管道損失?。篞3=0.04Q1=144934.85</p><p>　　變換氣放出的熱量：Q=Q1-Q2-Q3=407804.84kJ</p><p>　　第二章 設(shè)備的計(jì)算

104、</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)可知：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))<

105、/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;</p><p>　　U=Kp(A+B)+(C+D);</p><p>　　V=KPAB-CD;</p><p><b>　　q=<

106、/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><

107、;p>　　計(jì)算基準(zhǔn)：13.89T/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：370℃，第一段床層變換氣出口溫度為：425℃</p><p>　　平均溫度為：（370℃+425℃）/2=397.5℃</p><p>　　在397.5℃時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)k1=930

108、0，加壓時(shí)取校正系數(shù)：2.8，</p><p>　　則：k1=9300×2.8=26040</p><p>　　進(jìn)第一段床層變換氣中N2%=14.57%</p><p>　　則：V0=（13890÷17）×22.4÷（0.1457×2）=62807.54M3(標(biāo))/h</p><p>　　出第

109、一段床層變換氣中CO%=3.56%</p><p>　　進(jìn)第一段床層的變換氣濕組分：</p><p>　　n=8.87%-3.56%=5.31%</p><p>　　在397.5℃時(shí)，Kp=12.32</p><p>　　則： W=12.32-1=11.32</p><p>　　U=12.32×(0.0

110、887+0.3373)+(0.0599+0.3632)=5.67</p><p>　　V=12.32×0.0887×0.3373-0.05990×3632=0.347</p><p><b>　　q=</b></p><p><b>　　=4.05</b></p><p&g

111、t;<b>　　=0.000184</b></p><p>　　所以： V01 =T0*V0 =0.000184×62807.54=11.56 M3 </p><p><b>　　備用系數(shù)?。?.1</b></p><p>　　所以：V0 1=11.56×1.1=12.72 M3</p>

112、<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：380℃，第二段床層變換氣出口溫度為：390℃</p><p>　　平均溫度為：（380℃+390℃）/2=385℃</p><p>　　由《3000噸型合成氨廠工藝和設(shè)

113、備計(jì)算》得到在385℃時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)k1=8150， </p><p>　　加壓時(shí)取校正系數(shù)：2.8，則：k1=8150*2.8=22820</p><p>　　進(jìn)中變爐二段床層的組分：</p><p>　　出中變爐二段床層的CO組分：2.08%</p><p>　　n=3.46%-2.08%=1.38%</p><p&g

114、t;　　在385℃時(shí)反應(yīng)平衡常數(shù)Kp=13.68</p><p>　　則： W=13.68-1=12.68</p><p>　　U=13.68×(0.0346+0.3036)+(0.4062+0.1104)=4.70</p><p>　　V=13.68×0.0346×0.3036-0.4062×0.1104=0. 099

115、</p><p><b>　　q==4.08</b></p><p><b>　　=0.00012h</b></p><p>　　所以： V02=T0*V0 =0.00012×62807.54</p><p><b>　　= 7.54M3 </b></p>

116、<p><b>　　備用系數(shù)?。?.1</b></p><p>　　所以：V02 =7.54×1.1=8.29 M3</p><p>　　中溫變換爐觸媒用量:</p><p>　　V= V01+V02=12.72+8.29= 21.01M3</p><p>　　QCS-01型觸媒堆重度:1.45k

117、g/L</p><p>　　2-1.4 觸媒直徑的計(jì)算</p><p>　?。?）假設(shè)觸媒直徑為2.5m</p><p>　　計(jì)算觸媒直徑的公式:</p><p><b>　　催化劑床層阻力降:</b></p><p><b>　　△P=</b></p><

118、;p>　　△P——?dú)怏w通過觸媒床的壓力降;</p><p>　　f ——摩擦系數(shù),一般取1.5;</p><p>　　G——?dú)怏w重量流速,公斤/(米3*小時(shí));</p><p>　　r ——?dú)怏w在操作狀態(tài)下的重度, 公斤/米3;</p><p>　　dp——顆粒直徑,米;</p><p>　　L——觸媒床高度,米

119、;</p><p>　　E=0.378+0.308 dp/ Dt</p><p>　　Dt——觸媒層直徑,米;</p><p>　　QCS-01型觸媒外型尺寸為￠3.7毫米球體則: dp=3.7×10-3</p><p>　　所以: E=0.378+0.308×3.7×10-3÷2.5</p

120、><p><b>　　=0.378</b></p><p>　?。?）中變爐第一段催化床層的阻力降:</p><p>　　第一段催化床層變換氣的平均溫度：397.5℃</p><p>　　第一段催化床層變換氣的壓力:1800kp</p><p>　　第一段催化床層變換氣的平均分子量：</p>

121、;<p>　　M=∑YiMi=16.1kg/koml</p><p>　　第一段催化床層變換氣的重度：</p><p><b>　　r= </b></p><p>　　=5.198kg/m3 </p><p>　　氣體重度流量(濕)G：</p><p>　　G=

122、 </p><p>　　=9201.105 kg/m3 *h</p><p>　　第一段催化床層的高度:</p><p>　　L= </p><p><b>　　=2.59m</b></p><p>　　第一段催化劑床層阻力降:</p>

123、<p>　　△P = </p><p>　　=2906.46kgf/m3=0.2906kgf/cm3 =29.06kpa </p><p>　　（3） 中變爐第二段催化床層的阻力降:</p><p>　　第二段催化床層變換氣的平均溫度385℃</p><p>　　第二段催化床層變換氣的平

124、均分子量:M=∑YiMi=16.1kg/ kmol</p><p>　　第二段催化床層變換氣的重度:</p><p>　　r= </p><p>　　=5.30kg/m3 </p><p>　　氣體重度流量(濕)G</p><p><b>　　G=</b></p>

125、;<p>　　=9201.105 kg/m3 *h</p><p>　　第二段催化床層的高度:</p><p>　　L= </p><p><b>　　=2.82m</b></p><p>　　第二段催化劑床層阻力降:</p><p>　　△P =

126、 </p><p>　　=3103.66kgf/m2=0.3104kgf/cm2=31.04kpa</p><p>　　中變爐催化劑的總阻降：</p><p>　　△P總=29.06+31.04</p><p><b>　　=60.1kpa</b></p><p>　

127、　所以計(jì)算得中變爐催化劑的總阻降符合要求，中變爐催化劑床層直徑2.5m可用.</p><p><b>　　2-2低變爐的計(jì)算</b></p><p>　　2-2.1．觸媒用量的計(jì)算</p><p>　　Vr=T0*V0 </p><p>　　式中 Vr ——觸媒體積，M3(標(biāo))</p><p>

128、　　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;</p><p>　　U=Kp(A+B)+(C+D);</p><p>　　V=KPAB-CD;</p&

129、gt;<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>　

130、　2-2.2．床層觸媒用量</p><p>　　計(jì)算基準(zhǔn)：13.89T/h</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　床層變換氣進(jìn)口溫度為：180℃，第一段床層變換氣出口溫度為：200℃</p><p>　　平均溫度為：（180℃+200℃）/2=190℃</p><p>

131、;　　190℃時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)k1=4125，加壓時(shí)取校正系數(shù)：2.8，則：k1=4125*2.8=11550</p><p>　　進(jìn)第一段床層變換氣中N2%=14.21%</p><p>　　則：V0=（13890÷17）×22.4÷（0.1421×2）=64398.73M3(標(biāo))/h</p><p>　　出低變爐變換氣中CO

132、%=0.21%</p><p>　　進(jìn)低變爐的變換氣濕組分：</p><p>　　n=2.08%-0.21%=1.87%</p><p>　　在190℃時(shí)，Kp=286.34</p><p>　　則： W=286.34-1=285.34</p><p>　　U=286.34×(0.0208+0.2897

133、)+(0.42+0.1242)</p><p><b>　　=89.45</b></p><p>　　V=286.34×0.0208×0.2897-0.42×0.1242</p><p><b>　　=1.67</b></p><p><b>　　q=<

134、/b></p><p><b>　　=78.07</b></p><p>　　=0.000861h</p><p>　　所以： V01 =T0*V0 =0.000861×64398.73=55.45 M3 </p><p><b>　　備用系數(shù)?。?.1</b></p>

135、<p>　　所以：V0 1=55.45×1.1=61.00 M3</p><p>　　2-1.4 觸媒直徑的計(jì)算</p><p>　?。?）假設(shè)觸媒直徑為3.0m</p><p>　　計(jì)算觸媒直徑的公式:</p><p><b>　　催化劑床層阻力降:</b></p><p&g

136、t;<b>　　△P=</b></p><p>　　△P——?dú)怏w通過觸媒床的壓力降;</p><p>　　f ——摩擦系數(shù),一般取1.5;</p><p>　　G——?dú)怏w重量流速,公斤/(米3*小時(shí));</p><p>　　r ——?dú)怏w在操作狀態(tài)下的重度, 公斤/米3;</p><p>　　dp—