【文章內(nèi)容簡介】 100 M3 kmol 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 假使 O2與 H2 完全反應(yīng)， O2 完全反應(yīng)掉 故在一段催化床層反應(yīng)掉的 CO 的量為： 60％ = Nm3= 出一段催化床層的 CO 的量為： = Nm3 = 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 H2的量為： += = 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 CO2的量為： += Nm3= 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干 ） =VCO+VCO2+VH2+VN2+VCH4 =+ +++ = Nm3 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ = =% H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% 所以 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分如下表： 表 35 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量 ％ 100 M3 kmol 剩余的 H2O 的量為： +2= Nm3 = 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的總體積： V 總（濕） = VCO+VCO2+VH2+VN2+VCH4+VH2O 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 +++++ = = 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％ =100=％ 同理可得： CO％ = 100=％ H2％ = 100=％ N2％ = 100=％ CH4％ = 100=％ 所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的 含量如下表 ： 表 36 出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 ％ 100 M3 koml 對(duì)出 變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算： 已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的 含量如下表： 表 37 出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 ％ 100 M3 koml 根據(jù)： K=(H2％ CO2％ )/（ H2O％ CO％ )計(jì)算得 K= 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》知當(dāng) K= 時(shí) t=445℃ 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： 445℃ 30℃ =415℃ 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 中變爐一段催化床層的熱量衡算 已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣溫度： 330℃ 出中變爐一段催化床層的變換氣溫度： 415℃ 可知反應(yīng)放熱 Q：在 變換氣中含有 CO， H2O， O2， H2 這 4 種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下 2種反應(yīng)： CO + H2O = CO2 + H2 （ 3–1） O2 + 2H2 = 2 H2O （ 3–2） 以上這 2 個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。 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： HT=△H0298=Cpdt 式中： HT —— 氣體在 ?T298在 T（ K） 的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓， kcal/kmol()； △H0298 —— 該氣體在 25℃ 下的標(biāo)準(zhǔn)生成焓， kcal/kmol()； T—— 絕對(duì)溫度， K； Cp —— 氣體的等壓比熱容， kcal/（ kmol.℃ ） [（ kmol.℃ ） ] 氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式： Cp=A0+A1T+A2T 2+A3T 3+…… 式中 A0、 A A A3…… 氣體的特性常數(shù) 將式代入式積分可得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式： HT =a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 式中常數(shù) a0、 a a a a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4 a0=△H0298－ － a2－ a 3－ a 4 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。 △H=（ ∑niH i） 始 －（ ∑niH i） 末 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， kcal；（ ） 。 ni 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)， kmol； Hi — 始 態(tài)溫度下 或末態(tài) 溫度下 氣體的統(tǒng) 一基準(zhǔn) 焓 ， kcal/kmol ，（ ） 現(xiàn)將有關(guān)氣體的計(jì)算常 數(shù)列于氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 表 38 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表 分子式 a0 a1 a2 a3 a4 O2 103 10–3 10–7 10–10 H2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 H2O 104 10－ 3 10－ 7 10－ 11 N2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 CO 104 10－ 4 10－ 9 10－ 11 CO2 10－ 3 10－ 6 計(jì)算 O2的基準(zhǔn)焓： 根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式： HT=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 在 415℃ 時(shí) T=415+273=688K 將 O2的常數(shù)帶入上式得： HT=103+688+10–310–76883 +10–106884 =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： 表 39 變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓 組分 O2 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放熱： CO +H2O=CO2+H2 （ 3–3） △H1=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =（ +） （ ） =Q1=nCO△H1=（ ） = O2 + 2H2= 2 H2O （ 3–4） 同理： △H2=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =2 （ ）－（ 2+） = kJ/kmol Q2= nO2△H2=（ ） 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 = 氣體反應(yīng)共放熱： Q=Q1+Q2=+= 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(jì)算熱容 ，熱容的單位為 kJ/（ ）。結(jié)果 表 310 各組分熱容常數(shù) 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(jì) 算熱容，結(jié)果 表 311 熱容常數(shù) 物質(zhì) a b/103 c/106 d/109 CH4 則在 415℃ 時(shí) T=688K 時(shí)計(jì)算結(jié)果如下表： 表 312 各組分熱容 物質(zhì) CO CO2 H2 H2O N2 CH4 Cp 31 所以平均熱容： Cpm=∑（ Yi*Cp） =31++ +++ = KJ/（ ） 所以氣體吸熱 Q3=(415330) = 假設(shè)熱損失 Q4（一般熱損失都小于總熱量的 10%） 根據(jù)熱量平衡得： Q= Q3 +Q4 Q4= kJ 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 中變爐催化劑平衡曲線 根據(jù) H2O/CO=，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 XP=AWqU2?100％ ① V=KPABCD ② q= WVU 42 ? ③ U=KP（ A+B） +（ C+D） ④ W=KP1 ⑤ 其中 A、 B、 C、 D 分別代表 CO、 H2O、 CO2及 H2的起始濃度 將 ② 、 ③ 、 ④ 、 ⑤ 式代入 ① 式并查的不同溫度下的 KP值便可計(jì)算出 XP值。 計(jì)算結(jié)果列于下表： 表 313 不同溫度下的 XP t 300 320 340 360 380 400 420 440 460 T 573 593 613 633 653 673 693 713 733 XP 中變爐催化劑平衡曲線如下： 最佳溫度曲線的計(jì)算 由于中變爐選用 C6型催化劑， 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 最適宜溫度曲線由式1212ln1 EEEE RTTTmee??? 進(jìn)行計(jì)算。 查《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。 在中變爐催化劑平衡曲線上查的 Te 值，根據(jù)最適溫度計(jì)算式可算出最適溫度。 最適宜 溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中 表 314 最適宜 溫度 XP Te 573 593 613 633 653 673 699 T t XP Te 714 727 739 751 760 770 805 T t 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： t03060901201501802102402703000 1CO轉(zhuǎn)化率Xp溫度（℃）t 操作線計(jì)算 由中變催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知： 中變爐人口氣體溫度 330℃ 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 中變爐出口氣體溫度 415℃ 中變爐入口 CO 變換率 0 中變爐出口 CO 變換率 60% 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下 010203040506070330 415溫度 （℃）轉(zhuǎn)化率 Xp操作線 中間冷淋過程的物料和熱量衡算 此過程采用水來對(duì)變換氣進(jìn)行降溫。 已知條件：變換氣的流量： 設(shè)冷凝水的流量： X kg 變換氣的溫度： 415℃ 冷凝水的進(jìn)口溫度： 20℃ 進(jìn)二段催化床層的溫度： 353℃ 操作壓力： 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 =根據(jù)《化工熱力學(xué)》可知： 表 315 各溫度下的焓 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℃ , 626K,1750kPa 時(shí)的焓值為 H 齊魯工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 對(duì)溫度進(jìn)行內(nèi)查法： 1600kPa 時(shí)： (626600 )/ ()=(700626)/() H= kJ/kg 1800kPa 時(shí) ： （ 626600） /（ H ） =(700626)/( ) H= kJ/kg 再對(duì)壓力使用內(nèi)查法得在 353℃ , 626