变换计算

1第2章变换工段物料及热量衡算2.1中温变换物料衡算及热量衡算2.1.1．确定转化气组成：已知条件中变炉进口气体组成见表2-1。表2-1组分CO2COH2N2CH4O2合计%9.611.4255.7122.560.380.33100计算基准：1吨氨计算生产1吨氨需要的变化气量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31M3(标)因为在生产过程中物量可能回有消耗，因此变化气量取2962.5M3(标)年产5万吨合成氨生产能力：日生产量：50000/330=151.52T/d=6.31T/h要求出中变炉的变换气干组分中CO％小于2％进中变炉的变换气干组分见表2-2。表2-2组分CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.611.4255.7122.560.330.381002M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7634937.5假设入中变炉气体温度为335摄氏度，取出炉与入炉的温差为30摄氏度，则出炉温度为365摄氏度。进中变炉干气压力中P=1.75Mpa.2.1.2．水汽比的确定：考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=1973.52m3(标)n(水)=88.1kmol表2-3因此进中变炉的变换气湿组分:中变炉CO的实际变换率的求取：假定湿转化气为100mol，其中CO基含量为8.16％，要求变换气中CO含量为2％，故根据变换反应：CO+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率为：X％=aaaaYYYY1×100=74％组分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量％6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.533式中Ya、'aY分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）则反应掉的CO的量为：8.16×74％=6.04则反应后的各组分的量分别为：H2O％=28.56％-6.04％+0.48％=23％CO％=8.16％-6.04％=2.12％H2％=39.8％+6.04％-0.48％=45.36％CO2％=6.86％+6.04％=12.9％中变炉出口的平衡常数：K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知K=12时温度为397℃。中变的平均温距为397℃-365℃=32℃中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。2.1.3.中变炉一段催化床层的物料衡算假设CO在一段催化床层的实际变换率为60％。因为进中变炉一段催化床层的变换气湿组分见表2-4表2-4组分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量，％6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53假使O2与H2完全反应，O2完全反应掉故在一段催化床层反应掉的CO的量为：60％×563.86=338.318M3(标)=15.1koml4出一段催化床层的CO的量为：563.86-338.318=225.545M3(标)=10.069koml故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:2750.68+338.318-2×16.29=3056.41M3(标)=136.447koml故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：474+338.318=812.318M3(标)=36.26koml出中变炉一段催化床层的变换气干组分见表2-5表2-5组分CO2COH2N2CH4合计含量％15.5443.158.4721.130.35100M3(标)812.318225.5453056.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的H2O的量为：1973.52-338.318+2×16.29=1667.79M3(标)=74.45koml所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分见表2-6表2-6组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行计算：已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）见表2-7表2-75组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：根据：K=(H2％×CO2％)/（H2O％×CO％)计算得K=6.6查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当K=6.6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℃2.1.4．中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：进中变炉温度：335℃出变炉一段催化床层的变换气温度为：415℃反应放热Q：在变化气中含有CO，H2O，O2，H2这4种物质会发生以下2种反应：CO+H2O=CO2+H2（1-1）O2+2H2=2H2O（1-2）这2个反应都是放热反应。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TK的统一基准焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；△H0298——该气体在25℃下的标准生成热，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；6T——绝对温度，K；Cp——气体的等压比热容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/（kmol.℃）]气体等压比热容与温度的关系有以下经验式：Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+……式中A0、A1、A2、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+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4式中常数a0、a1、a2、a3、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=A3/4a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4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=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）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；（4.1868kJ）;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；I—气体的统一基准焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）现将有关气体的计算常数列于下表中气体统一基准焓（通式）常数见表2-87表2-8分子式a0a1a2a3a4O21.90318×1035.802982.15675×10–3-7.40499×10–71.08808×10–10H2-2.11244×1037.20974-5.5584×10－44.8459×10－7-8.18957×10－11H2O-6.0036×1047.110921.2932×10－31.28506×10－7-5.78039×10－11N2-1.97673×1036.459035.18164×10－42.03296×10－7-7.65632×10－11CO-2.83637×1046.266278.98694×10－45.04519×10－9-4.14272×10－11CO2-96377.888676.3965.05×10－3-1.135×10－60.00计算O2的基准焓：根据基准焓的计算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4在415℃时T=415+273=683K表1-4-2查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表见表2-9表2-9组分O2H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.67833Ht（kJ/kmol）28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6208放热：CO+H2O=CO2+H2（1）△H1=(∑Hi)始-（∑Hi）末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/komlQ1=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kJO2+2H2=2H2O（2）Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-368924.3632kJ气体共放热：Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ8气体吸热Q3：根据《物理化学》知CO,H2,H2O,CO2,N2，可用公式：Cp=a+b+CT-2来计算热容。热容的单位为kJ/（kmol.℃）查2-10表可得表2-10物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-----------Cpm=∑Yi*Cp=34.06KJ/（kmol.℃）所以气体吸热Q3=34.06*307.8*(415-330)=891111.78kJ假设热损失Q4根据热量平衡的：Q=Q3+Q4Q4=52934.965kJ2.1.5．中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.5，与公式XP=AWqU2×100％V=KPAB-CDq=WVU42U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度见表2-11表2-11t3003203403603804009T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：图-100.20.40.60.81250300320340360380400420440460温度（℃）转化率Xp中变炉平衡曲线2.1.6.最佳温度曲线的计算由于中变炉选用C6型催化剂，最适宜温度曲线由式1212ln1EEEERTTee进行计算。查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》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。最适宜温度计算列于下表中,见表2-1210表2-12Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t253273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线图00.10.20.30.40.50.60.70.80.91253274291309326352