年产15万吨合成氨一氧化碳变换公段工艺设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

年产15万吨合成氨一氧化碳变换公段工艺设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

应， O2 完全反应掉 故在一段催化床层反应掉的 CO 的量为： 60％ = Nm3= 出一段催化床层的 CO 的量为： = Nm3 = 故在一段催化床层反应后剩余的 H2 的量为： += = 故在一段催化床层反应后剩余的 CO2 的量为： += Nm3= 故出中变炉一段催化床层的变换气干组分的体积： V 总（干 ） =VCO+VCO2+VH2+VN2+VCH4 =+ +++ = Nm3 故出中变炉一段催化床层的变换气干组分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ = =% H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% 所以 出中变炉一段催化床层的变换气干组分如下表： 表 35 出中变炉一段催化床层的变换气干组分 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合计 含量 ％ 100 M 3 kmol 剩余的 H2O 的量为： +2= Nm3 = 故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的总体积： V 总（湿） = VCO+VCO2+VH2+VN2+VCH4+VH2O 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 10 +++++ = = 故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中 H2O 的含量 H2O％ = =% 故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中 CO2 的含量 CO2％ = 100=％ 同理可得： CO％ = 100=％ H2％ = 100=％ N2％ = 100=％ CH4％ = 100=％ 所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的 含量如下 表 ： 表 36 出中变炉一段催化床层的变换气湿组分 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 含量 ％ 100 M 3 koml 对出 变炉一段催化床层的变换气温度进行估算： 已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的 含量如下表： 表 37 出 中变炉一段催化床层的变换气湿组分 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合计 含量 ％ 100 M 3 koml 根据： K=(H2％ CO2％ )/（ H2O％ CO％ )计算得 K= 查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当 K= 时 t=445℃ 设 平均温距为 30℃，则出 变炉一段催化床层的变换气温度为： 445℃ 30℃ =415℃ 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 11 中变炉一段催化床层的热量衡算 已知条件：进中变炉一段催化床层的变换气温度： 330℃ 出中变炉一段催化床层的变换气温度： 415℃ 可知反应放热 Q：在变换气中含有 CO， H2O， O2， H2 这 4 种物质会发生以下 2种反应： CO + H2O = CO2 + H2 （ 3–1） O2 + 2H2 = 2 H2O （ 3–2） 以上这 2 个反应都是放热反应。 根据《 小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知为简化计算，拟采用统一基准焓（或称生成焓）计算。 以 P=1atm， t=25℃ 为基准的气体的统一基准焓计算式为： HT=△H0298=Cpdt 式中： HT —— 气体在 T298在 T（ K） 的统一基准焓， kcal/kmol()； △H0298 —— 该气体在 25℃ 下的标准生成焓， kcal/kmol()； T—— 绝对温度， K； Cp —— 气体的等压比热容， kcal/（ kmol.℃ ） [（ kmol.℃ ） ] 气体等压比热容与温度的关系有以下经验式： Cp=A0+A1T+A2T 2+A3T 3+…… 式中 A0、 A A A3…… 气体的特性常数 将式代入式积分可得统一基准焓的计算通式： HT =a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 式中常数 a0、 a a a a4 与气体特性常数及标准生成热的关系为： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4 a0=△H0298－ － a2－ a 3－ a 4 采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算，不必考虑系统中反应如何进行，步骤有多少，只要计算出过程始态和末态焓差，即得出该过程的总热效果。 △H=（ ∑niH i） 始 －（ ∑niH i） 末 式中 △H —— 过程热效应，其值为正数时为放热，为负数时系统为吸热， kcal；（ ）。 ni 始态或末态气体的千摩尔数， kmol； Hi — 始 态温 度下 或末态 温度 下气 体的 统一 基准焓 ， kcal/kmol ，（ ） 现将有关气体的计算常数列于气体统一基准焓（通式）常数表 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 12 表 38 气体统一基准焓（通式）常数表 分子式 a0 a1 a2 a3 a4 O2 103 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 计算 O2 的基准焓： 根据基准焓的计算通式： HT=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 在 415℃ 时 T=415+273=688K 将 O2 的常数带入上式得： HT=103+688+10–310–76883 +10–106884 =同理根据以上方法计算可得变换气的各个组分的基准焓列于下表： 表 39 变换气的各个组分的基准焓 组分 O2 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放热： CO +H2O=CO2+H2 （ 3–3） △H1=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =（ +） （ ） =Q1=nCO△H1=（ ） = O2 + 2H2= 2 H2O （ 3–4） 同理： △H2=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =2 （ ）－（ 2+） = kJ/kmol Q2= nO2△H2=（ ） 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 13 = 气体反应共放热： Q=Q1+Q2=+= 气体吸热 Q3 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/（ ）。 结果 表 310 各组分热容常数 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，结果 表 311 热容常数 物质 a b/103 c/106 d/109 CH4 则在 415℃ 时 T=688K 时计算结果如下表： 表 312 各组分热容 物质 CO CO2 H2 H2O N2 CH4 Cp 31 所以平均热容： Cpm=∑（ Yi*Cp） =31++ +++ = KJ/（ ） 所以气体吸热 Q3=(415330) = 假设热损失 Q4（一般热损失都小于总热量的 10%） 根据热量平衡得： Q= Q3 +Q4 Q4= kJ 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 14 中变炉催化剂平衡曲线 根据 H2O/CO=，与文献《 小合成氨厂工艺技术与设计手册 》上的公式 XP=AWqU2100％ ① V=KPABCD ② q= WVU 42  ③ U=KP（ A+B） +（ C+D） ④ W=KP1 ⑤ 其中 A、 B、 C、 D 分别代表 CO、 H2O、 CO2 及 H2 的起始浓度 将 ② 、 ③ 、 ④ 、 ⑤ 式代入 ① 式并查的不同温度下的 KP 值便可计算出 XP 值。 计算结果列于下表： 表 313 不同温度下的 XP t 300 320 340 360 380 400 420 440 460 T 573 593 613 633 653 673 693 713 733 XP 中变炉催化剂平衡曲线如下： 最佳温度曲线的计算 由于中变炉选用 C6 型催化剂， 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 15 最适宜温度曲线由式1212ln1 EEEE RTTTmee 进行计算。 查《合成氨厂工艺和设备计算》 C6 型催化剂的正负反应活化能分别为 E1=10000千卡 /公斤分子， E2=19000 千卡 /公斤分子。 在中变炉催化剂平衡曲线上查的 Te 值，根据最适温度计算式可算出最适温度。 最适宜 温度计算结果列于下表中 表 314 最适宜 温度 XP Te 573 593 613 633 653 673 699 T t XP Te 714 727 739 751 760 770 805 T t 将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图： t03060901201501802102402703000 1CO转化率Xp温度（℃）t 操作线计算 由中变催化剂变换率及热平衡计算结果知： 中变炉人口气体温度 330℃ 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 16 中变炉出口气体温度 415℃ 中变炉入口 CO 变换率 0 中变炉出口 CO 变换率 60% 由此可作出中变炉催化剂反应的操作线如下 010203040506070330 415温度 （℃）转化率 Xp操作线 中间冷淋过程的物料和热量衡算 此过程采用水来对变换气进行降温。 已知条件：变换气的流量： 设冷凝水的流量： X kg 变换气的温度： 415℃ 冷凝水的进口温度： 20℃ 进二段催化床层的温度： 353℃ 操作压力： 冷凝水吸热 Q1：据冷凝水的进口温度 20℃查《化工热力学》可知 h1 =根据《化工热力学》可知： 表 315 各温度下的焓 T/K P/kPa H/(kJ/kg) 600 1600 600 1800 700 1600 700 1800 冷凝水要升温到 353℃ ，所以设在 353℃ , 626K,1750kPa 时的焓值为 H 齐鲁工业大学 20xx 届本科生毕业设计 17 对温度进行内查法： 1600kPa 时： (626600 )/ ()=(700626)/() H= kJ/kg 1800kPa 时 ： （ 626600） /（ H ） =(700626)/( ) H= kJ/kg 再对压力使用内查法得在 353℃ , 626K,1750kPa 时的焓值 H 为： (17501600)/()=(18001750)/() 故： H= kJ/kg。