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年產(chǎn)10萬噸合成氨變換工段工藝設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文)_-閱讀頁

2024-09-17 15:20本頁面
  

【正文】 的變換氣干組分中 CO% 小于 2% 。 表 22 進中變爐的變換氣干氣組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量,% 100 m3(標 ) 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 ℃ 。 水氣比的確定 考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣,所以取 H2O/CO=。 因此進中變爐的變換氣濕組分 如 23 所示 。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率(濕基) 。 中變的平均溫距為 397℃ 365℃ =32 ℃ 。 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 有關(guān) 公式 : XP= AWqU2? 100% (22) V=KPABCD (23) q= WVU 42 ? (24) U=KP( A+B) +( C+D) (25) W=KP1 (26) 注 : 其中 A、 B、 C、 D 分別代表 CO、 H2O、 CO2及 H2的起始濃度 。 表 24 不同溫度下 CO 的轉(zhuǎn)換率 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 圖 21 所示。 查資料得 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 (25)中 。 01250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450溫 度(℃)CO轉(zhuǎn)化率 Xp 圖 22 最適宜溫度曲線圖 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 ℃ 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 11 表 26 進中變爐一段的變換氣濕氣組分表 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量% 100 m3(標 ) 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% 。 故在一段催化床層反應(yīng)掉的 CO 的量為: 60% = m3(標 ) = kmol 出 一段催化床層的 CO 的量為: = m3(標 ) = kmol 故在一段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2的量為: + = m3(標 ) = kmol 故在一段催化床層反應(yīng)后 剩余的 CO2的量為: += m3(標 ) = kmol 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 ) 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% = =% 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 12 CO2% = =% N2% = =% CH4% = =% 所以 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分 如表 27 所示 。 根據(jù): Kp= ( H2% CO2%) /( H2O% CO%) 計算得 K=。 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 ℃ 。 出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度為: 415 ℃ 。 根據(jù)《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知為簡化計算,擬采用統(tǒng)一基準焓(或稱生成焓)計算 [7]。 △ H0298 —— 該氣體在 25℃ 下的標準生成熱, kcal/kmol( kJ/kmol)。 Cp —— 氣體的等壓比熱容, kcal/( kmol.℃ ) ( kJ/kmol)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 14 將式代入式積分可得統(tǒng)一基準焓的計算通式: Ht=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 (28) 注 :式中常數(shù) a0、 a a a a4與氣體特性常數(shù)及標準生成熱的關(guān)系為: a1=A0, a2=A1/2,a3=A3/4, a4=A3/4, a0=△ H0298- - a2- a 3- a 4。 ni —— 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù), kmol。 現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于表 (29)中 。 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焓列于表 210。 熱熔 計算結(jié)果 如表 213 所示 。 根據(jù)熱量平衡的: Q= Q3 + Q4 Q4= kJ 中變一段催化劑 操作線的計算 有中變一段催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知: 中變爐入口氣體溫度 330 ℃ 。 中變爐入口 CO 變換率 0。 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如 圖 23 所示 : 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 17 0102030405060708090100300 350 400 450溫 度(℃)CO轉(zhuǎn)化率 Xp 圖 23 中變爐催化劑反應(yīng)的操作線圖 中間冷凝過程的物料和熱量計算 此過程采用水來對變換氣進行降溫。 設(shè)冷 凝 水的流量: X kg。 冷 凝 水的進口溫度: 20 ℃ 。 操作壓力: 1750 kpa。 根據(jù)《化工熱力學(xué)》可知 溫度、壓強與焓 值的關(guān)系如表 214 所示 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 18 對溫度進行內(nèi)查法: 1600 kpa 時 : (626600)/()=(700626)/() h= kJ/kg 1800 kpa 時 : ( 626600) /( ) =(700626)/( ) h= kJ/kg 再對壓力使用內(nèi)查法得在 353 ℃ ,626K,1750kp 時的焓值 H 為: (17501600)/()=(18001750)/() H= kJ/kg。 變換氣吸熱 Q2: 由表( 213)知: Cpm= ∑ Yi Cp = kJ/( ) 。 取熱損失為 Q2。 表 216 進中變爐二段變換氣干組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量% 100 M3(標 ) kmol 中變爐二段催化床層的物料衡算: 設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為 (總轉(zhuǎn)化率) 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 20 表 217 變換氣出中變爐二段時變換氣干組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量% 100 M3(標 ) kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2O 的量為: = m3(標 ) = kmol 故出中變爐二段催化床層的變換氣濕組分中 CO 的含量: CO% = =% 同理得 : CO2% = =% H2% = =% N2% = =% CH4% = =% H2O% = =% 所以出中變爐的濕組分 如 218 所示 。 中變爐二段催化床層的熱量衡算: 以知條件 : 進中變爐 二段催化床層的變換氣溫度為: 353 ℃ 。 變換氣反應(yīng)放熱 Q1: 計算變換氣中各組分的生成焓,原理與計算一段床層一樣,使用公式 211 及表 210計算 平均溫度為 632 K 時的生成焓。 表 219 變換氣 各物質(zhì)的生成焓列表 組分 H2 H2O CO CO2 Ht( kcal/kmol) Ht( kJ/kmol) 反應(yīng) 放熱 : CO +H2O=CO2+H2 ( 9) △ H1=( ∑Hi) 始 -( ∑Hi) 末 = kJ/kg 所以得: Q1= = kJ/kg 氣體吸熱 Q2: 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 。 表 221 甲烷的的 a、 b、 c、 d 常數(shù)列表 物質(zhì) a b/103 c/106 d/109 CH4 計算 各物質(zhì)熱熔 結(jié)果 如表 222 所示 。 表 227 變換氣進 低 變爐時濕氣各組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量% 100 m3(標 ) kmol 表 228 變換氣 進 低 變爐干氣各組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量% 100 m3(標 ) kmol 低變爐的物料衡算 要將 CO%降到 %(濕基)以下,則 CO 的實際變換率為: X p% = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=% 則反應(yīng)掉的 CO 的量為: % = M3(標 ) = kmol 出低溫變換爐 CO 的量: = M3(標 ) = kmol 出低溫變換爐 H2 的量: += M3(標 ) = kmol 出低溫變換爐 H2O 的量: = M3(標 ) = kmol 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 25 出低溫變換爐 CO2 的量 : += M3(標 ) = kmol 出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積: V 總(干) =++++ = m3(標 )= kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量: CO% = =% 同理得 : CO2% = =% H2% = =% N2% = =% CH4% = =% 所以 出低變爐的干組分 如表 229 所示 。 表 230 變換氣出低變爐時濕氣的各組分含量表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量% 100 M3(標 ) kmol 對出底 變爐的變換氣溫度進行估算: 根據(jù): Kp=( H2% CO2%) /( H2O% CO%) 計算得 Kp=。 設(shè) 平均溫距為 20 ℃ ,則出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度為: t=223- 20=203 ℃ 低變爐的熱量衡算 以知條件: 進低 變爐催化床層的變換氣溫度為: 181 ℃ 。 變換氣反應(yīng)放熱 Q: 在 203 ℃ 時, T=476 K。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 27 表 231 變換氣各組分的生成焓 組分 H2 H2O CO CO2 Ht( kcal/kmol) Ht( kJ/kmol) 反應(yīng) 放熱: CO +H2O=CO2+H2 ( 1) △ H1=( ∑ Hi) 始 - (∑ Hi) 末 = kJ/kg 所以: Q1= = kJ/kg 氣體吸熱 Q2: 氣體吸熱時的平均溫度:( 181+203) /2= ℃ , T= K。 表 232 變換氣各組分的 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 . 表 233 甲烷的 a、 b、 c、 d 常數(shù) 物質(zhì) a b/103 c/106 b/109 CH4 計算結(jié)果 如表 234 所示。 表 234 低變換爐物料量平衡表 組分 進低溫變換爐的物料量 /m3 出低溫變換爐的物料量 /m3 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 表 235 低變
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