年产3万吨合成氨厂变换工段毕业设计

年产3万吨合成氨厂变换工段毕业设计内容摘要：

对出中变炉 一段催化床层的变换气温度进行估算： 根据： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） 计算得 Kp= 查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当 Kp= 时 t=409℃ 设 平均温距为 44℃，则出中变炉 一段催化床 层的变换气温度为： 409℃ 44℃ =365℃ ．中变炉二段催化床层的热量衡算： 以知条件： 进中变炉 二段催化床层的变换气温度为： 353 出中变炉 二段催化床层的变换气温度为： 365℃ 变换气反应放热 Q1: 计算变换气中各组分的生成焓，原理与计算一段床层一样，使用公式 51 及表 计算 平均温度为 632K 时的生成焓。 计算结果如下： 组分 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放热： CO +H2O=CO2+H2 （ 1） △ H1=（ ∑ Hi） 始 － （∑ Hi） 末 = kJ/kg 所以得： Q1=* = kJ/kg 气体吸热 Q2： 根据《物理化学教程》知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT2 来计算 热容。 热容的单位为 kJ/（ ） 表 物质 CO H2 H2O CO2 N2 a 30 b/103 c/105 CH4 可用公式： Cp=a+b+CT2+dT3 来计算热容 : 物质 a b/103 c/106 d/109 CH4 计算结果： 组分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以得： Cpm=∑ Yi*Cp=（ ） 故： Q2= （ 365353） = 热损失： Q3=Q1Q2= kJ 9．中变二段催化剂操作线计算 由中变二段催化剂变换率及热平衡计算结果知： 中变炉入口气体温度 353℃ 中变炉出口气体温度 365℃ 中变炉入口 CO 变换率 60% 中变炉出口 CO 变换率 74% 01020304050607080352 354 356 358 360 362 364 366温 度（℃）CO转化率 Xp 所以中变炉的操作线如图： 0102030405060708090100300 325 350 375 400 425温 度（℃）CO转化率 Xp ] 中变换炉物料量平衡表 组分 进中变换炉的物料量 /m3 出一段催化床层的物料量 /m3 CO2 CO H2 N2 O2 —————————— CH4 H2O 合计 组分 进二段催化床层的物料量 /m3 出二段催化床层的物料量 /m3 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 中变换炉一段热量平衡表 反应放热 /kJ 气体吸 热 /kJ 热量损失 /kJ CO 反应： O2 反应： 总热量： 中变换炉二段热量平衡表 反应放热 /kJ 气体吸热 /kJ 热量损失 /kJ 已知条件： 进低变炉的湿组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 含量％ 100 M3(标 ) kmol 所以 进低变炉催化床层的变换气干组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合计 含量％ 100 M3(标 ) kmol 低变炉的物料衡算 要将 CO％降到 ％（湿基）以下，则 CO 的实际变换率为： X p％ =  aaaa YY YY  1 100=％ 则反应掉的 CO 的量为： ％ = M3(标 ) = kmol 出低温变换炉 CO 的量： = M3(标 ) = kmol 出低温变换炉 H2 的 量： += M3(标 ) = kmol 出低温变换炉 H2O 的量： = M3(标 ) = kmol 出低温变换炉 CO2 的量 : += M3(标 ) = kmol 出低变炉催化床层的变换气干组分的体积： V 总（干） =++++ = M3(标 )= kmol 故出低变炉催化床层的变换气干组分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ ==% H2％ ==% N2％ ==% CH4％ ==% 出低变炉的干组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合计 含量％ 100 M3(标 ) kmol 出低变炉催化床层的变换气湿组分的体积： V 总（干） =+++++ = M3(标 ) = kmol 故出低变炉催化床层的变换气干组分中 CO 的含量： CO％ =  =% 同理： CO2％ =  =% H2％ =  =% N2％ =  =% CH4％ =  =% H2O％ =  =% 所以出低变炉的湿组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 含量％ 100 M3(标 ) kmol 对出底 变炉的变换气温度进行估算： 根据： Kp=（ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） 计算得 Kp= 查《小合成氨 厂工艺技术与设计手册》知当 Kp= 时 t=223℃ 设 平均温距为 20℃，则出中变炉 一段催化床层的变换气温度为： t=223－ 20=203℃ ．低变炉的热量衡算 以知条件： 进低 变炉催化床层的变换气温度为： 181℃ 出低 变炉催化床层的变换气温度为： 203℃ 变换气反应放热 Q1: 在 203℃时， T=476K， 计算变换气中各组分的生成焓原理与计算一段床层一样，使用公式 51 及表 计算 平均温度为 476K 时的生成焓。 计算结果如下： 组分 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放热： CO +H2O=CO2+H2 （ 1） △ H1=（ ∑ Hi） 始 － （∑ Hi） 末 = kJ/kg 所以： Q1= = kJ/kg 气体吸热 Q2： 气体吸热时的平均温度：（ 181+203） /2=℃， T= 根据《物理化学教程》知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT2 来计算 热容。 热容的单位为 kJ/（ ） 表 物质 CO H2 H2O CO2 N2 a 30 b/103 c/105 CH4 可用公式： Cp=a+b+CT2+dT3 来计算热容 表 物质 a b/103 c/106 b/109 CH4 计算结果： 组分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以得： Cpm=∑ Yi*Cp=（ ） 故： Q2= （ 203181） = 热损失 ： Q3=Q1Q2 == kJ 低变换炉物料量平衡表 组分 进低温变换炉的物料量 /m3 出低温变换炉的物料量 /m3 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 低变换炉热量平衡表 反应放热 /kJ 气体吸热 /kJ 热量损失 /kJ 11．低变催化剂操作线计算 有低变二段催化剂变换率及热平衡计算结果知： 低变炉入口气体温度 181℃ 低变炉出口气体温度 203℃ 低变炉入口 CO 变换率 74% 低变炉出口 CO 变换率 % 0102030405060708090100175 180 185 190 195 200 205温 度（℃）CO转化率 Xp 12． 低变炉催化剂平衡曲线 根据 公式 XP= AWqU2 100％ V=KPABCD q= WVU 42  U=KP（ A+B） +（ C+D） W=KP1 其中 A、 B、 C、 D 分别代表 CO、 H2O、 CO2 及 H2 的起始浓度 t 160 180 200 220 240 260 T 433 453 473 493 513 533 Xp t 280 T 553 Xp 低 变炉催化剂平衡曲线如下： 0102030405060708090100100 150 200 250 300温 度（℃）CO转化率 Xp 13. 最佳温度曲线的计算 由于低变炉选用 B302 型催化剂。 查《 小合成氨厂 工艺技术与设计手册 》 B302 型催化剂的正反应活化能分别为E1=43164kJ/ kmol CO 变化反应的逆反应活化能 E2 为： E2 E1=r (△ H) 对于 CO 变换反应 r=1，则 E2=(△ H) + E1 △ H 为反应热，取其平均温度下的值，即： （ 181+203） /2=192℃ ， T=465K CO 的反应式为： CO +H2O=CO2+H2 由《 小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知反应热是温度的函数，不同温度下的反应热可以用以下公式计算： △ H= 3623 109 7 0 0 0 0 TTT   kcal/ kmol 得： △ H= kcal/kmol= kJ/kmol E2 =+43164= kJ/kmol 最适宜温度曲线由式 Tm=1212ln1 EEEE RTTee 进行计算 最适宜温度计算结果列于下表中： Xp T 402 421 440 457 475 493 t 129 148 167 184 201 220 Xp T 510 t 237 将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图： 020406080100100 150 200 250温 度（℃）CO转化率 Xp 14．废热锅炉的热量和物料衡算 以知条件： 进废热锅炉的转化气组份： 组份 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 H2O 合计 ％ 100 M3(标 ) kmol 进废热锅炉的温度为： 920℃ 出废热锅炉的温度为： 330℃ 进出设备的水温： 20℃ 出设备的水温： 330℃ 进出设备的转化气（湿）： kmol 进出设备的水量：。