【正文】 ……………………………………………………………………… 50 第一章 物料與熱量衡算 已知條件： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量，％ 100 計算 基準(zhǔn)： 1 噸氨 計算生產(chǎn) 1 噸氨需要的 變換氣量： （ 1000/17） （ 2 ） = M3(標(biāo) ) 因為在生產(chǎn)過程中物料可能會有損失，因此變換氣量取 M3(標(biāo) ) 年產(chǎn) 3 萬噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn) 330 天）： 日生產(chǎn)量： 30000/330=要求出中變爐的變換氣干組分中 CO％小于 2％。 進中變爐的變 換氣干組分： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量，％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 假設(shè)進中變爐的變換氣溫度為 330℃，取 變化氣 出爐與入爐的溫差為 35℃，出爐的 變換氣溫度為 365℃。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 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 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℃。 3．中變爐催化劑平衡曲線 根據(jù) H2O/CO=，與文獻《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 》上的公式 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、 H2O、 CO2及 H2的起始濃度 計算結(jié)果列于下表： t 300 320 340 360 380 400 T 573 593 613 633 653 673 Xp t 420 440 460 T 693 713 733 Xp 中變爐催化劑平衡曲線如下： 0102030405060708090100300 350 400 450 500溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 由于中變爐選用 C6型催化劑， 最適宜溫度曲線由式1212ln1 EEEE RTTTmee??? 進行計算。 最適宜 溫度計算結(jié)果列于下表中： Xp T 526 t 256 Xp T 671 t 398 Xp T t 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： 01250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 5．中變爐一段催化床層的物料衡算 已知條件： 進中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為 330℃ 進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 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 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 實際變換率為 60％ 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％ = M3(標(biāo) ) = 出 一段催化床層的 CO 的量為： = M3(標(biāo) ) = 故在一段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2的量為： + = M3(標(biāo) ) = 故在一段催化床層反應(yīng)后 剩余的 CO2的量為： += M3(標(biāo) ) = 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干） =++++ = M3(標(biāo) ) 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： 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) ) = 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) ) = 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的 含量（％） ： 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（％） 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量％ 100 M3(標(biāo) ) koml 根據(jù)： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％）計算得 K= 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng) Kp= 時 t=445℃ 設(shè) 平均溫距為 35℃，則出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度為： 445℃ 35℃ =415℃ ． 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℃ 出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度為： 415℃ 可知 反應(yīng)放熱 Q：在變化氣中含有 CO， H2O， O2， H2 這 4 種物質(zhì)會發(fā)生以下2 種反應(yīng)： CO +H2O=CO2+H2 （ 1） O2 + 2H2= 2 H2O （ 2） 這 2 個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。以 P=1atm， t=25℃ 為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為： HT=△ H0298=Cpdt 式中： HT —— 氣體在 ?T298在 TK 的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓， kcal/kmol()； △ H0298 —— 該氣體在 25℃ 下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱， kcal/kmol()； T—— 絕對溫度， 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)焓的計算通式： Ht=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4 T4 (51) 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－ a3－ a4 采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。 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； Hi—— 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓， kcal/kmol，（ ） 現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于下表中 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表 分子式 a0 a1 a2 a3 a4 O2 10 3 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 計算 O2的基準(zhǔn)焓： 根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式： Ht=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4 T4 在 415℃時 T=415+273=683K 將 O2的常數(shù)帶入上式得： Ht=10 3+ 683+10– 3 10– 76833 +10– 106834 =同理根據(jù)以上方法計算可得變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓列于下表 組分 O2 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放熱： ‘ CO +H2O=CO2+H2 （ 1） △ H1=（ ∑ Hi） 始 － （∑ Hi） 末 =+++ =Q1= （ ） = O2 + 2H2= 2 H2O （ 2） Q2=△ H2=（ ∑ ni Hi） 始 － （∑ ni Hi） 末 = 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+bT+CT2來計算 熱容 ，熱容的單位為 kJ/（ ） 表 物質(zhì) CO H2 H2O CO2 N2 a 28 30 b/103 c/105 CH4可用公式： Cp=a+b+CT2+dT3來計算熱容 : 表 物質(zhì) a b/103 c/106 d/109 CH4 計算結(jié)果得： 物質(zhì) CO CO2 H2 H2O N2 CH4 Cp 31 所以平均熱容： Cpm=∑ Yi*Cp= 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)熱量平衡的： Q= Q3 +Q4 Q4= kJ 6． 中變一段催化劑 操作線的計算