【正文】 主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對(duì)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過(guò)高，將造成催化劑床層阻力增加；CO 停留時(shí)間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時(shí)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，河南城建學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 緒論 3 不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求 工藝流程確定 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。低變爐選用 C6 型催化劑，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。首先對(duì)中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)主要設(shè)備選型，最終完成了本設(shè)計(jì)的宗旨。分析出了氣體組分對(duì)溫度的影響變化。 設(shè)計(jì)可能不完善，請(qǐng)各位老師 指正。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： %= 則反應(yīng)后的各組分的量分別為： H2O%=%%+%=% CO%=9,21% %=% H2% =%+%%=% CO2%=%+%=% 中變 爐出口的平衡常數(shù)： K= （ H2%CO2%） /（ H2O%CO%） = 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知 K= 時(shí)溫度為 436℃ 。 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。 熱容的單位為 kJ/（ kmol.℃ ） 查表可得： 如表 表 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 變換工段物料及熱量衡算 11 物質(zhì) CO H2 H2O CO2 N2 a 30 b/103 c/105 PmC =∑YiPC = KJ/（ kmol.℃ ） 所以氣體吸熱 3Q =(415330)= 假設(shè)熱損失 Q4 根據(jù)熱量平衡的： Q= 3Q + 4Q 4Q = kJ 中變爐 催化劑平衡曲線 根據(jù) H2O/CO=，與公式 XP= AWqU2? 100% V=KPABCD q= WVU 42 ? U=KP（ A+B） +（ C+D）， W=KP1 其中 A、 B、 C、 D 分別代表 CO、 CO CO2及 H2的起始濃度 如 表 表 t 300 320 340 360 380 400 T 573 593 613 633 653 673 Xp 中變爐催化劑平衡曲線如下： t 420 440 460 T 693 713 733 Xp 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 變換工段物料及熱量衡算 12 01250 300 320 340 360 380 400 420 440 460溫度 （℃）轉(zhuǎn)化率 Xp中變爐平衡曲線 最佳溫度 度曲線的計(jì)算 由于中變爐選用 C6 型催化劑 ， 最適宜溫度曲線由式1212ln1 EEEERTTee?? 進(jìn)行計(jì)算。 熱容的單位為 kJ/（ kmol.℃ ） 如表 表 物質(zhì) CO 2H H2O CO2 N2 a 30 b/ 310? c/ 510? CH4可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容： 如表 表 物質(zhì) a b c d CH4 計(jì)算結(jié)果： 如表 表 組分 CO 2H CO2 H2O N2 CH4 pC pmC =∑Yi ? Cp=（ kmol.℃ ） 2Q = ? ? （ 365353） = 熱損失： 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 變換工段物料及熱量衡算 18 3Q = 1Q 2Q = kJ 低變爐的物料與熱量計(jì)算 已知條件 ： 進(jìn)低變爐的濕組分 ： 如表 表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 % 100 m3(標(biāo) ) kmol 進(jìn)低變爐的干組分： 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量 % 100 M3(標(biāo) ) kmol 低變爐的物料衡算 要將 CO%降到 %（濕基）以下，則 CO 的實(shí)際變換率為： X %= ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=% 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： %=(標(biāo) )= 出低溫變換爐 CO 的量： = m(標(biāo) )= 出低溫變換爐 2H 的量： += m3(標(biāo) )= 出低溫變換爐 2HO的量： = m3(標(biāo) )= 出低溫變換爐 2CO 的量 ： += m3(標(biāo) )= 出低變爐的濕組分： 如表 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 變換工段物料及熱量衡算 19 表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 % 48． 23 100 M3(標(biāo) ) kmol 出低變爐的干組分： 如表 表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量 % 100 M3(標(biāo) ) kmol 對(duì)出低 變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)： K= （ H2%CO2%） /（ H2O%CO%） 計(jì)算得 K= 查《小合成氨廠工藝與設(shè)計(jì)手冊(cè)》知當(dāng) K= 時(shí) t=225℃ 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： t=22530=195℃ 低變爐的熱量衡算 已 知條件： 進(jìn)低 變爐催化床層的變換氣溫度為： 180℃ 出低 變爐催化床層的變換氣溫度為： 195℃ 變換氣反應(yīng) 放熱 1Q ： 在 195℃ 時(shí)， T=468K 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，平均溫度為：468K,計(jì)算結(jié)果如下： 如表 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 變換工段物料及熱量衡算 20 表 組分 2H 2HO CO 2CO Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放熱： CO +H2O=CO2+H2 ○ 1 △ 1H =（ ∑ iH ） 始 －（ ∑ iH ） 末 = kJ/kg 1Q == kJ/kg 氣體吸熱 2Q ： 氣體吸熱時(shí)的平均溫度：（ 180+195） /2=℃ ， T= 根據(jù)《物理化學(xué)》知 CO, 2H , 2HO, 2CO , N2 ，可用公式： pC =a+b+CT2 來(lái)計(jì)算熱容。 熱容的單位為 kJ/（ kmol.℃ ） 如表 表 物質(zhì) CO 2H 2HO 2CO N2 a 30 b/ 310? c/ 510? CH4可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容： 如表 表 物質(zhì) a b c d CH4 計(jì)算結(jié)果： 如表 表 組分 CO 2H 2CO 2HO 2N 4CH Cp 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 變換工段物料及熱量衡算 25 pmC=∑YipC=（ kmol.℃ ） Q2=（ 220+273） = (2)出熱： 轉(zhuǎn)化氣的帶出熱： Q3=（ 330+273） = 轉(zhuǎn)化氣在 335℃ 時(shí) T=608K 根據(jù)《物理化學(xué)》知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式： pC =a+b+CT2來(lái)計(jì)算熱 容。 熱容的單位為 kJ/（ kmol.℃ ） 如表 表 物質(zhì) CO 2H 2HO 2CO N2 a 30 b/103 c/105 CH4可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容： 如表 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 變換工段物料及熱量衡算 27 表 物質(zhì) a b c d CH4 計(jì)算結(jié)果： 如表 表 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp pmC =∑YipC =（ kmol.℃ ） Q1=（ 365+273） = 水的帶入熱 Q2： 水在 20℃ 時(shí) Cp= kJ/（ kmol.℃ ） Q2=X(20+273)=X (2)出熱： 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+CT2來(lái)計(jì)算熱容。 q= WVu 42 ? Kp——反應(yīng)平衡常數(shù)； k1——反應(yīng)速度常數(shù)； n——變換的 CO 的量，分子分率； 其中 A、 B、 C、 D 分別代表 CO、 CO CO2及 H2的起始濃度 第一段床層觸媒用量 計(jì)算基準(zhǔn)： t(NH3)/h 已知條件： 第一段床層變換氣進(jìn)口溫度為： 380℃ ，第一段床層變換氣出口溫度為： 440℃ 平均溫度為：（ 380℃ +440℃ ） /2=410℃ 由《 3000 噸型合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算》得到在 410℃ 時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)k1=4600，加壓時(shí)取校正系數(shù)： ，則： k1=4600=12880。 使用內(nèi)插法：（ 375359） /（ 4600k） =（ ） /（ k2130） k=3684 加壓時(shí)取校正系數(shù)： ，則： k1=3684? =10315 進(jìn)中變爐二段床層的組分： 如表 表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 % CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) m3(標(biāo) ) 100 kmol 出中變爐二段床層的 CO 組分： % n=%%=% 由《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) 》得到在 359℃ 時(shí)反應(yīng)平衡常數(shù)Kp= 則： W== U=(+)+(+)= V== q= 4 1 9 9 2 ??? = ?????? ?? ????? ???? qu ququWn quWnqkKpTo ln22ln = 所以： V02=T0V0 = = 備用系數(shù)?。? 所以： V02 == 中溫變換爐觸媒用量 ： V= V01+V02=+= m3 觸媒直徑的計(jì)算 （ 1）假設(shè)觸媒直徑為 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 設(shè)備的計(jì)算 32 計(jì)算觸媒直徑的公式 ： 催化劑床層阻力降 ： △ P= LE Edpv Gf ??????? ? △ P——?dú)怏w通過(guò)觸媒床的壓力降 。 dp——顆粒直徑 ,米 。Sp Vp=()2 =107 Sp =2()2+ =104 則 ： dp=103 所以 ： E=+103247。rhr? (rh’)(Dh’h’2) =? /180（ ? ） （ ） ?? = 開(kāi)口弓形面積減去列管所占面積： 河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 設(shè)備的計(jì)算 38 S2=Sa=???????? ???????td=???????? ???????2= 2m 平均流通截面積： Sm= 0 9 8 5 0 ??SS = 2m 殼程熱水在壓力 ,溫度 t =215080?=115℃ 時(shí)水的物性參數(shù)： CH2O=(㎏ .℃ ) μ= λ=102W/（ m.℃ ） 管間給熱系 數(shù)按下式計(jì)算 α 外 =λm/de(d0G/181。W) 式中 ： de=0202ndD ndD??= 22 ?? ?? = d0G/18