年产20万吨合成氨变换工段工艺设计(编辑修改稿)

年产20万吨合成氨变换工段工艺设计(编辑修改稿)内容摘要：

较高的蒸汽量。 一、二段间宜喷水降温，其调温手段灵活 ，同时取得增加汽气比的效应，符合触媒后期变换反应的要求，采用炉内喷水比炉外喷水增湿，减少设备，节省投资，缩短管线，减少阻力。 冷凝水宜用软水。 若用硬水，易造成设备腐蚀，且易结垢，堵塞催化剂空隙，增大床层阻力。 第三段 CO 变换反应量是比较低的，不必追求增加汽气比的效应。 因此，二、三段间降温放出的热，应当用以加热半水煤气，以便三段出口的变换气热能能够加以充分利用，且三段入口汽气比仍远高于安全状态的需要，所以采用间接换热为 好。 [7] 13 4 变换工艺的计算 中变炉的计算 （以一吨为基准计算） 已知条件 表 1 半水煤气的组分（干） 组分 2CO 2CO 2H 2N 4CH 2O 合 计 % 100 3Nm Kmol 10754 (2)压力 进工段半水煤气压力 进工段蒸汽压力 MPa （ 3）温度 进系统半水煤气温度 35℃ 进中变炉一段催化剂气体温度 320℃ 过热蒸汽温度 350℃ 出中变系统变换气温度 40℃ 精练来循环水温度 70℃ 出系统变换气（干）中 CO 含量 % 计算生产 1 吨氨需要的 变化气量： 31 0 0 0 2 2 .4 3 0 2 2 .1 31 7 2 2 1 .8 M  (标 )同理计算得其各组分的体积及物质的量并列于上表。 年产 20 万吨合成氨生产能力： 每小时 生产量： 202000 27 .8 /30 0 24 th 中变炉物料及热量计算 干变换气量及热量计算：设氧与氢在变换炉一段催化剂内完全燃烧生成水，由 ： 2 2 2O 2H 2H O 知，实际参加 CO变换 反应 的半水煤气量为 ： 2 3O3 0 2 2 . 1 3 3 V 3 0 2 2 . 1 3 3 1 2 . 0 9 2 9 8 5 . 8 6 N m   － 则干变换气量应为 ..coV V V y X变 14 式中： y —— 半水煤气体积； yco —— 混合气中 CO含量，体积 %； CO 总变换率为 ： 39。 ( ) 1 0 0 %(1 0 0 39。 ) 1 0 0 %C O C OC O C OVVX VV    式中 coy 3 022 .13 28 .5 0% / 2985 .86 28 .82%   X 2 8 . 8 5 3 . 0 1 0 0 / [ 1 0 0 3 . 0 2 8 . 8 5 ] 1 0 0 % 8 7 . 0 %      （ ） （ ） 则 3V 2 9 8 5 . 8 6 1 2 8 . 8 5 % 8 7 . 0 % 3 7 3 5 . 2 2 N m    变 （ ） CO 变换总量 ： 2 9 8 5 . 8 6 2 8 . 8 5 % 8 7 . 0 % 3 3 . 4 6 k m o l   变换气中 CO的量 ： 32 9 8 5 . 8 6 2 8 . 8 5 % 7 4 9 . 4 1 1 2 . 0 5 . 0 k m o lNm  － 总蒸汽比计算：设中变炉出口温度为 362℃ ，平衡温距取为 20℃ t 362 20 382   ℃. CO 的变换反应式为 ： 2 2 2C O H O C O H   设 a b c d 则 a= c= d= CO 的反应量 33C O 2 8 . 5 8 7 . 0 % 2 4 . 8 / N m / 1 0 0 N m  V 干半水煤气 ， 查 表 得382℃ 时 Kp=，          p c o 2 H 2 O c o H 2 O 2 2K P P / P P C C O d C O 2 O / [ a C O b C O O         V V V V 代入数据，得 ： ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 )b        解得 ： b  即汽：气 = ： 需总蒸汽量（包括喷水的冷凝水量） ： 33 0 2 2 . 1 3 6 3 . 4 8 2 % 1 7 7 1 . 4 6 N m 8 5 . 6 7 m o lK   中变炉一段催化剂层物料及热量计 算 入炉蒸汽比（汽 /气）计算：设CO一段催化剂层转化率为 56%，且 O2在一段催化剂层与氧气完全燃烧生成水， 则 CO 反应量为： 33C O 2 8 . 5 0 5 6 % 1 5 . 9 6 N m / 1 0 0 N m  （ 干半水煤气 ） CO 总反应量 ： 33 0 2 2 . 1 3 1 5 . 9 6 / 1 0 0 4 8 2 . 3 3 N m 2 1 . 5 3 k m o l   15 气体 出一段催 化剂层温度为 482℃ ,平衡温 度 40℃ ，出口气体平衡温度为482 40 522 ℃，查得 522℃ 的 pK  ,则 ：          p c o 2 H 2 O c o H 2 O 2 2K P P / P P C C O d C O 2 O / a C O b C O O         V V V V 代入数据，得 ： ))(( ))((   b= 解得 b= 即汽：气 = 入炉蒸汽量 33 0 2 2 . 1 3 3 9 . 9 6 / 1 0 0 1 2 0 7 . 6 7 N m 5 3 . 9 1 k m o l   表 2 入炉湿气组成 组成 CO2 CO H2 N2 CH4 CO2 H2O 合计 % 100 N m3 kmol 平衡变换率计算及出一段催化剂层组成 ， 设 482℃ 的 CO 平衡变换率为 Xp查得 Kp=。 则 ：          p c o 2 H 2 O c o H 2 O 2 2K P P / P P C C O d C O 2 O / a C O b C O O         V V V V代入数据，得 ： Kp=))(( ))((   XpXp XpXp= 解上式得 pX % 实际变换率为平衡变换率的 6 2 % / 6 2 % 9 3 % 出一段催化剂干气体量： 3 0 2 2 . 1 3 4 8 2 . 3 3 1 2 . 0 9 3 3 4 6 8 . 1 9    出 一 段 催 化 剂 剩 余 蒸 汽 量 ：31 2 0 7 . 5 8 4 8 2 . 3 3 1 2 . 0 9 2 7 4 9 . 4 3 N m 3 3 . 4 6 k m o l     表 3 出一段催化剂层湿气组成 组成 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 % 100 N m3 kmol 热量衡算 计算 CO 变换反应气体温升 16 入热 CO 反应放热 Q： 设气体由 320℃ 升到 480℃ ， 平衡温度 400℃ 时的热效应 查得 △H= kJ /kmol。 [1] 1Q 21 .5 33 38 52 8 .0 82 96 23 .4 24 k J   Q2的燃烧热： 2Q 0. 54 11 56 00 4 .1 86 8 26 13 56 .8 0 kJ    合计： kJ 出热 气体温升吸热 Q3： 设气体温升为 △t ， 气体在平均温度 400℃ 下 查 图 461~图 468 得各组分的比热容为： [8] CO2 kJ/ kmol℃ CO kJ/ kmol℃ H2 kJ/ kmol℃ N 2 kJ/ kmol℃ CH4 kJ/ kmol℃ H 2O kJ/ kmol℃ 计算得平均比热容为： ℃。 3Q 34 .7926 188 .294 t  V 热损失 Q4：取 Q4= 热平衡 1 2 3 4Q Q Q Q   即 1 0 9 0 9 8 0 . 2 2 4 1 7 5 2 6 . 2 5 6 5 5 1 . 2 4 t V 解得 t V ℃ 气体出口温度 t 3 2 0 1 6 3 .8 6 4 8 3 .8 6   ℃ 与前面假设温度一致。 一段催化剂平衡曲线计算 根据中变炉一段入口气中蒸汽比（汽 /气） ，计算各温度下的平衡变换率。 表 4 气体变换率 t/℃ 300 320 340 360 380 400 Xp t/℃ 420 440 460 480 500 Xp 由表中数据作图即得平衡曲线气体组分与蒸汽比不同时 ， 计算平衡变换率亦不同。 最适合温度曲线计算 最适合温度曲线计算 ， 以 B109 催化剂的数据进行计 17 算。 由于 B109 催化剂 E1=67156 kJ / kmol， CO变换的逆反应活化能 E2为 ：  2 1 RE E r H  V 对于变换反应 r=1则 ：  2 R 1E H E  V △H R 为反应热 ，取其平均温度下的值，即 320 480 400（ ） ℃，得： RH 9 1 9 9 . 2 1 c a l / k m o l 3 8 5 1 5 . 3 4 k J / k m o l  V 2E 10 5 6 7 k J / k m o l 表 5 气体最适宜温度 Xp tm/℃ Xp tm/℃ Xp tm/℃ 用以上数据作图即得最适宜温度曲线。 操作线计算 ： 由一段催化剂变换率及热平衡计算结果知： 一段入口气体温度 320℃ 一段出口气体温度 480℃ 一段入口 CO变换率 0 一段出口 CO变换率 56% 由此可作出一段催化剂反应的操作线。 中变炉二段催化剂层物料及热量计算 中间冷激过程的物料及热量计算。 358 .6 16 39 .9 6 3 02 2 .1 3 / 1 00 56 3 .8 N m 25 .1 7k m ol 45 3 .0 6k g    （ ） 表 6 入二段催化剂床层气体组成 组成 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 % 100 N m3 kmol 喷水前气体温度为 480℃ ，设喷水后降温 △t。 气体放出热 Q1设喷水后气体温度为 360℃ ，气体从 480℃ 降到 360℃ 的平均温度为 420℃ 下，查 图 461 图 462 并计算得比热容为 ： [8] p .mC 3 1 5 k J / k m o l 18 1Q 213 .46 35 .315 t V 冷 凝水吸收热 Q2 ： 进水温度为 70℃ ， 查得 70℃ 时水的焓为 kJ/kg； 360℃ 、 时蒸汽的焓 为 kJ /kg。 则 2Q 24 42 .6 29 2 .9 9 45 3 .0 6 97 39 02 .3 k J   （ ） 热损失 Q3， 取 3Q  热平衡 1 2 3Q Q Q 即 7 5 3 2 . 3 4 t 9 7 3 9。