【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點(diǎn)，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為 ～ ,中型氨廠為 8 ～ 。本設(shè)計(jì)的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來(lái)，故壓力可取。 溫度 變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對(duì)反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 CO 平衡含量增大，反應(yīng)推動(dòng)力變小，對(duì)反 應(yīng)速率不利，可見(jiàn)溫度對(duì)兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應(yīng)溫對(duì)一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為 eme 22 1 1TT RT E1 lnE E E? ? ? 式中 Tm、 Te—分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。 水 氣比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣 .改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡變換率，從而有利于降低 CO 殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過(guò)量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分 Fe3O4的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過(guò)程中最主要消耗指標(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，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求 [7]。 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。本設(shè)計(jì)選用中串低工藝，轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐進(jìn)入廢熱鍋 爐，在廢熱鍋爐中變換氣從 920℃ 降到330℃ ，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到 3 到 5 之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 3%以下。再通過(guò)換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到 180℃ 左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 %以下，再進(jìn)入甲烷化工段 [ 8]。 主要設(shè)備的選擇說(shuō)明 9 中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低變爐選用 C6型催化劑，以上設(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。 10 第二章 變換工段物料及熱量衡算 中溫變換物料衡算及熱量衡算 確定轉(zhuǎn)化氣組成 表 21 中變爐進(jìn)口氣體組成 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計(jì) % 100 計(jì)算基準(zhǔn)： 噸氨 計(jì)算生產(chǎn) 1 噸氨需要的變化氣量：（ 1700/17） /（ 2） =， 因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中物量可能會(huì) 有消耗，因此變化氣量取 。 年產(chǎn) 8 萬(wàn)噸合成氨生產(chǎn)能力： 日生產(chǎn)量： 80000/330=要求出中變爐的變換氣濕 組分中 CO％小于 2％ 表 22 進(jìn)中變爐的變換氣干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計(jì) 含量，％ 100 kmol 假設(shè)入中變爐氣體溫度為 3350C，取出爐與入爐的溫差為 300C，則出爐溫度為3650C。 進(jìn)中變爐干氣壓力 中P =。 水汽比的確定 考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來(lái)的原料氣，所以取 H2O/CO= 故 V（水） =(標(biāo) ) n(水 )= 11 因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 : 表 23 進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計(jì) 含量％ 100 m3(標(biāo) ) kmol 中變爐 CO 的實(shí)際變換率的求?。? 假定濕轉(zhuǎn)化氣為 100mol，其中 CO 基含量為 ％，要求變換氣中 CO 含量為 2％，故根據(jù)變換反應(yīng)： CO+H2O＝ H2+CO2，則 CO 的實(shí)際變換率為： ? ?X 1 0 0 7 4 .41aaaaYYYY ??? ? ???％ ％ 式中 Ya、 39。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％ =％ ％ =％ H2％ =％ +％ ％ =％ CO2％ =％ +％ =％ O2％ =％ CH4％ =％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： K= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知 K=12 時(shí)溫度為 397℃ 。 中變的平均溫距為 397℃ 365℃ =32℃ 中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO 可用。 中變爐一段催化床層的物料衡算 假設(shè) CO 在一段催化床層的實(shí)際變換率為 60％。 因?yàn)檫M(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 ； 12 表 24 進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計(jì) 含量％ 100 m3(標(biāo) ) kmol 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％ =(標(biāo) )= 出一段催化床層的 CO 的量為： = m3(標(biāo) ) kmol 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 H2的量為 : += m3(標(biāo) )= kmol 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 CO2的量為： += m3(標(biāo) )= 表 25 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(標(biāo) ) kmol 剩余的 H2O 的量為： +2=(標(biāo) )= 所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 如表 ： 表 26 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(標(biāo) ) 7 kmol 13 對(duì)出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計(jì)算： 已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量 : 表 27 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(標(biāo) ) 7 kmol 對(duì) 出變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)： 2 2 2K ( H CO ) / H O 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=465℃ 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： 465℃ 30℃ =435℃ 中變爐一段催化床層的熱量衡算 以知條件：進(jìn)中變爐溫度： 335℃ 出變爐一段催化床層的變換氣溫度為： 435℃ 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)： 2 2 2CO H O CO H ?? ? ? （ 11） 2 2 2 O 2H 2H O ??? （ 13） 這 2 個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。 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)算式為： HT=△ H0298+298T CpdT? 式中 HT ——?dú)怏w在 ?T298在 TK 的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓 △ H0298 ——該氣體在 25℃ 下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱 14 T——絕對(duì)溫度， K； Cp,m——?dú)怏w的等壓比熱容 氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式： Cp,m=a+bT+cT 2 式中 a、 b、 c…… 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= 298H?△ + （ T298） a+(T22982)b+(T32983)c 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(guò)程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過(guò)程的總熱效果。 △ H=（ ∑niHi）始－（ ∑niHi）末 式中 △ H ——過(guò)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 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； 現(xiàn)將有關(guān)氣體的計(jì)算常數(shù)列于下表中 表 28 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù) 物質(zhì) CO H2 H2O CO2