【正文】 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： 409℃ 44℃ =365 ℃ 。 計算結(jié)果如 表 219 所示 。 表 222 變換氣各組分 在 623K時 的熱熔 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以得： Cpm=∑ Yi Cp= kJ/（ ） 故： Q2= （ 365353） = kJ 熱損失： Q3=Q1Q2= kJ 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 23 中變 爐 物料、熱量恒算結(jié)果列表 表 223 中變爐一段物料平衡表 組分 進中變換爐的物料量 /m3 出一段催化床層的物料量 /m3 CO2 CO H2 N2 O2 —————————— CH4 H2O 合計 表 224 中變爐二段物料平衡表 組分 進二段催化床層的物料量 /m3 出二段催化床層的物料量 /m3 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 表 225 中變爐一段熱量平衡表 反應(yīng)放熱 /kJ 氣體吸熱 /kJ 熱量損失 /kJ CO 反應(yīng)： O2反應(yīng)： 總熱量： 表 226 中變爐二段熱量平衡表 反應(yīng)放熱 /kJ 氣體吸熱 /kJ 熱量損失 /kJ 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 24 低變爐的物料與熱量衡算 已知 進中變爐的濕氣組分如表 227 所示，干變換氣的組分如表 228 所示 。 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng) Kp= 時 t=223 ℃ 。 計算變換氣中各組分的生成焓原理與計算一段床層一樣，計算結(jié)果如 表 231 所示。 表 234 變換氣各組分的熱熔 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以得： Cpm=∑ Yi Cp= kJ/（ ） 故： Q2= （ 203181） = kJ 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 28 熱損失 ： Q3=Q1Q2 == kJ。 已 知 CO， H2， H2O， CO2， N2等氣體的熱熔 可用公式： Cp=a+b+cT2來計算 。 出低 變爐催化床層的變換氣溫度為： 203 ℃ 。 表 229 變換氣出低變爐時的干氣組分及含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量％ 100 m3(標(biāo) ) kmol 出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積： V 總（干） =+++++ = m3(標(biāo) ) = kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = ? =% 同理 ： CO2％ = ? =% 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 26 H2％ = ? =% N2％ = ? =% CH4％ = ? =% H2O％ = ? =% 所以出低變爐的濕組分 如表 230 所示 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 22 表 220 各組分的 a、 b、 c 常數(shù)列表 物質(zhì) CO H2 H2O CO2 N2 a 30 b/103 c/105 CH4可用公式： Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容 。 出中變爐 二段催化床層的變換氣溫度為： 365 ℃ 。 所以在 CO 的變化量為： = m3(標(biāo) ) = kmol 在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的 CO 的量為： （ ） = m3(標(biāo) ) = kmol 出中變爐二段催化床層的 CO 的量為： = M3(標(biāo) ) = kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后 剩余的 CO2的量為： += m3(標(biāo) ) = kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2 的量為： += m3(標(biāo) ) = kmol 所以在 二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量： V 總（干） =++++ = m3(標(biāo) ) = kmol 所以 出中變爐二段 催化床層的變換氣干組分 如表 217 所示 。 Q2= (415353)= kJ。 表 214 溫度、壓強與焓值的關(guān)系表 T/K P/kPa H/(kJ/kg) 600 1600 600 1800 700 1600 700 1800 冷 凝 水 要升溫到 353 ℃ ，所以設(shè)在 353 ℃ , 626 K,1750 kpa 時的焓值為 H。 進二段催化床層的溫度： 353 ℃ 。 以知條件： 變換氣的流量： koml。 中變爐出口氣體溫度 415 ℃ 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 15 表 210 變換氣各組分的基準(zhǔn)焓 組分 O2 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 反應(yīng) 放熱 ： CO +H2O=CO2+H2 （ 7） 反應(yīng)焓變： △ H1=（ ∑ Hi） 始 － （∑ Hi） 末 =+++ = kJ/kmol Q1= （ ） = kJ O2 + 2H2= 2 H2O （ 8） 反應(yīng)焓變： Q2=△ H2=（ ∑niHi）始－（ ∑niHi）末 = kJ 氣體反應(yīng)共放熱： Q=Q1+Q2 =+ = kJ 氣體吸熱 Q3： 根據(jù)《物理化學(xué)教程》知 CO， H2， H2O， CO2， N2可用公式： Cp=a+b+CT2來計算 熱容 ，熱容的單位為 kJ/（ ） 表 211 變換氣組分的 a、 b、 c 常數(shù)列表 物質(zhì) CO H2 H2O CO2 N2 a 30 b/103 c/105 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 16 表 212 甲烷的的 a、 b、 c、 d 常數(shù)列表 物質(zhì) a b/103 c/106 d/109 CH4 CH4可用公式： Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容 。 Hi —— 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓 ,單位： kcal。 氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式 [8]： Cp=A0+A1T+A2T 2+A3T 3+?? 注： 式中 A0、 A A A3??氣體的特性常數(shù) 。以 P=1 atm， t=25 ℃ 為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為： HT=△ H0298=Cpdt (27) 式中： HT —— 氣體在 ?T298在 T K的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓， kcal/kmol( kJ/kmol)。 中變爐一段催化床層的熱量衡算 以知條件：進中變爐一段催化床層的變換氣溫度： 330 ℃ 。 表 27 出中變爐一段的變換氣干組分列表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量％ 100 m3(標(biāo) ) kmol 剩余的 H2O 的量為： +2 = m3(標(biāo) ) = kmol 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的體積： V 總（濕 ） =+++++ = m3(標(biāo) ) = kmol 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中 H2O 的含量 ： H2O％ = =% 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中 CO2的含量 ： CO2％ = %? =％ 同理可得： CO％ = ? =％ H2％ = ? =％ N2％ = ? =％ CH4％ = 000351 ? =％ 所以 出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 如表 28 所示 ： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 13 表 28 出中變爐一段的變換氣濕氣組分列表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量％ 100 m3(標(biāo) ) koml 對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進行估算 已知 出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的 含量 如表 28 所示。 進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 如表 26 所示 。 查《小型合成氨廠工藝和設(shè)備計算》 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 [15]。 計算結(jié)果列于下表 (24)。 所以： Xp= ? ?? ? ?? ?? =74％ 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： 74％ = 則反應(yīng)后的各組分的量分別為： H2O％ =％ ％ +％ =23％ CO％ =％ ％ =％ H2％ =％ +％ ％ =％ CO2％ =％ +％ =％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 9 查《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 》可知 Kp=12 時溫度為 397 ℃ 。 故 V（水 ） =? Vco= m3(標(biāo) )， n(水 )= kmol。 進中變爐的變換氣干組分 如表 22 所示 。 表 21 天然氣進入變換工段時的各組分含量百分比 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量，％ 100 計算基準(zhǔn)： 1 噸氨 /小時 。 圖 11 合成氨變換工段工藝流程圖 主要設(shè)備的選擇說明 中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備有中變爐、低變爐、飽和熱水塔、換熱器等 [10]。本設(shè)計參考 自貢市鴻鵠化工廠的 生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。其次，根據(jù)原料氣的溫度和濕含量情況，則考慮適當(dāng)預(yù)熱和增濕，合理利用余熱。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)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 15 以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。 (3)汽氣比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣。 (2)溫度 變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。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行變換的能耗，比常壓變換再進行壓縮的能耗底。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。與原高變催化劑比較，催化劑用 量 可以減少一半 以上，降低了變換爐床層阻力，降低了壓縮功耗。 全低變工藝 全低變工藝是全部采用低溫活性鈷鉬系變換催化劑進行一氧化碳變換的工藝過程，作為一種節(jié)能新工藝 , 節(jié)能降耗的效果顯著。 中低低變換工藝 中低低流程是在一段鐵鉻系中溫變換催化劑后直接串二段鈷鉬系耐硫變換催化西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 4 劑，利用中溫變換的高溫來提高反應(yīng)速率，脫除有毒雜質(zhì)，利用兩段低溫變換提高變換率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。 根據(jù)催化劑低溫性能，低變爐入口溫度可控制在 180～ 230℃ 。 中串低變換工藝 所謂 中溫變換串低溫變換流程， 就是在 B107 等 FeCr 系催化劑之后串入 CoMo系寬溫變換催化劑 [1]。加壓中溫變換工藝主要特點是：采用低 溫高活性的中變催化劑，降低了工藝上對過量蒸汽的要求；采用段間冷激降溫，減少了系統(tǒng)的熱負(fù)荷和阻力，減小外供蒸汽量；合成與變換，銅洗構(gòu)成第二換熱網(wǎng)絡(luò)，合理利用熱能。從氨可以制的硝酸，繼而再制造硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纖維素等。有利于“提高裝置生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率、延長運行周期”的技術(shù) ,包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進控制技術(shù)等將越來越受到重視。單系列合成氨裝 置生產(chǎn)能力將從 2020t/d 提高至4000~5