化学工程与工艺-年产12万吨合成氨变换工段工艺设计

兰州交通大学毕业设计1第一章物料与热量衡算已知条件：组分CO2COH2N2ArCH4合计含量％9.0713.4354.9622.040.290.21100计算基准：1吨氨计算生产1吨氨需要的变换气量：（1000/17）×22.4/（2×0.2204）=2989.22M3(标)因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取3000M3(标)年产10万吨合成氨生产能力（一年连续生产300天）：日生产量：100000/300=333.3T/d=13.89T/h要求出低变炉的变换气干组分中CO％不大于0.3％。进中变炉的变换气干组分：组分CO2COH2N2ArCH4合计含量，％9.0713.4354.9622.040.290.21100M3(标)272.1402.91648.8661.28.76.33000kmol12.1417.9973.6129.520.390.28133.93假设进中变炉的变换气温度为370℃，取变化气出炉与入炉的温差为20℃，出炉的变换气温度为390℃。进中变炉干气压力。P=1.8Mpa.1．水气比的确定：考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.8故V（水）=3.8Vc=1531.02m3(标)，n(水)=68.35kmol因此进中变炉的变换气湿组分组分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量％5.998.8736.3214.570.190.1433.73100M3(标)272.1402.91648.8661.28.76.315314539.1kmol12.1517.9973.6129.520.390.2868.35202.64兰州交通大学毕业设计22.中变炉的计算2.1中变炉CO的实际变换率的求取假定湿转化气为100mol，其中CO湿基含量为8.87％，要求变换气中CO含量为0.2％，故根据变换反应：CO+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率公式为：Xp％=aaaaYYYY1×100（2-1）式中aY、'aY分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）所以：Xp=8.87210010028.87=75.93％则反应掉的CO的量为：8.87×75.93％=6.73则反应后的各组分的量分别为：H2O％=33.73％-6.73％=27％CO％=8.87％-6.73％=2.14％H2％=36.32％+6.73％=43.05％CO2％=5.99％+6.73％=12.72％中变炉出口的平衡常数：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=9.48查得Kp=9.48时温度为424℃。中变的平均温距为424℃-390℃=34℃根据《合成氨工艺与节能》可知中温变换的平均温距为：30℃到50℃，中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。兰州交通大学毕业设计32.2中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.8XP=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、H2O、CO2及H2的起始浓度计算结果列于下表：T300320340360380400T573593613633653673Xp0.92860.90800.88420.85740.82780.7956T420440460T693713733Xp0.76130.72530.6880中变炉催化剂平衡曲线如下：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91300320340360380400420440460480T(`C)Xp2.3最佳温度曲线的计算由于中变炉选用QCS-01型催化剂，兰州交通大学毕业设计4最适宜温度曲线由式1212ln1EEEERTTTmee进行计算。E1=74.49kJ/mol，E2=113.39kJ/mol。最适宜温度计算结果列于下表中：Xp0.92860.90800.88420.85740.82780.7956T573593613633653673T272290308326344362Xp0.76130.72530.6880T693713733T380397414将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91272292312332352372392412432T(`C)Xp2.4中变炉一段催化床层的物料衡算已知条件：进中变炉一段催化床层的变换气的温度为370℃进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：组分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量％5.998.8736.3214.570.190.1433.73100兰州交通大学毕业设计5M3(标)272.1402.91648.8661.28.76.31531.024539.1kmol12.1517.9973.6129.520.390.2868.35202.642.4.1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％故在一段催化床层反应掉的CO的量为：60％×402.9=241.74M3(标)=10.79kmol出一段催化床层的CO的量为：402.9-241.74=161.16M3(标)=7.19kmol故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为：1648.8+241.74=1890.54M3(标)=84.40kmol故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：272.1+241.74=513.84M3(标)=22.94kmol故出中变炉一段催化床层的变换气干组分的体积：V总（干）=161.16+1890.54+513.84+661.2+6.3+8.7=3241.74M3(标)故出中变炉一段催化床层的变换气干组分中CO的含量：CO％=161.163241.74=4.97%同理得：CO2％=513.843241.74=15.85%H2％=1890.543241.74=58.32%Ar％=8.73241.74=0.27%N2％=661.23241.74=20.40%CH4％=6.33241.74=0.19%所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：组分CO2COH2N2CH4Ar合计含量％15.854.9758.3220.400.190.27100M3(标)513.84161.161890.54661.26.38.73241.74Kmol22.947.1984.4029.520.280.39144.72剩余的H2O的量为：兰州交通大学毕业设计61531.02-241.74=1289.28M3(标)=57.56kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积：V总（湿）=3241.74+1289.28=4531.02M3(标)=202.28kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中H2O的含量H2O％=1289.284531.02=28.45%故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的含量CO2％=513.844531.02=11.34％同理可得：CO％=161.154531.02=3.56％H2％=1890.544531.02=41.72％N2％=661.24531.02=14.59％CH4％=6.34531.02=0.14％Ar％=8.74531.02=0.19％所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）：组分CO2COH2N2CH4ArH2O合计含量％11.343.5641.7214.590.140.1928.45100M3(标)513.84161.161890.5661.26.38.71289.284531.02Kmol22.947.1984.4029.520.280.3957.56202.282.4.2对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行估算：已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）组分CO2COH2N2CH4ArH2O合计含量％11.343.5641.7214.590.140.1928.45100M3(标)513.84161.161890.5661.26.38.71289.284531.02Kmol22.947.1984.4029.520.280.3957.56202.28根据：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）计算得K=5.067查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当Kp=5.928时t=475℃兰州交通大学毕业设计7设平均温距为50℃，则出中变炉一段催化床层的变换气温度为：475℃-50℃=425℃2.4.3中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：进中变炉一段催化床层的变换气温度：370℃出中变炉一段催化床层的变换气温度为：425℃可知反应放热Q：在变化气中含有CO，H2O，CO2,H2这4种物质会发生以下1种反应：CO+H2O=CO2+H2（1）这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)；T——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(5-1)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(5-2)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，单位：kcal；（4.1868kJ）;ni——始态或末态气体的千摩尔数，kmol；兰州交通大学毕业设计8Hi——始态温度下或末态温度下；Hi——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）常数表5-1.1分子式a0a1a2A3a4O21.90318×1035.802982.15675×10–3-7.40499×10–71.08808×10–10H2-2.11244×1037.20974-5.55838×1－44.8459×10－7-8.18957×10－11H2O-6.0036×1047.110921.29319×10－31.28506×10－7-5.78039×10－11N2-1.97673×1036.459035.18164×10－42.03296×10－7-7.65632×10－11CO-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448℃时T=425+273=698K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组分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）2794.508-54412.553-23560.11-89839.079Ht（kJ/kmol）11697.40-227762.88-98619.14-376053.07放热：CO+H2O=CO2+H2（1）△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末=-376053.07+116