年产三万吨合成氨厂变换工段设计.doc
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1、班级: 姓名: 题 目 年产三万吨合成氨厂变换工段设计一 设计原始数据:以在自贡市鸿鹤化工厂的实际数据为原始数据组 分CO2COH2N2O2CH4合计含量,9.60 11.42 55.71 22.56 0.330.38100前言41.工艺原理42. 工艺条件43. 工艺流程的选择54. 主要设备的选择说明 55. 工艺流程的说明 6第一章 物料与热量衡算71水汽比的确定 72中变炉CO的实际变换率的求取83中变炉催化剂平衡曲线 94. 最佳温度曲线的计算 105中变炉一段催化床层的物料衡算116中变一段催化剂操作线的计算 177中间冷淋过程的物料和热量衡算178中变炉二段催化床层的物料与热量衡
2、算199中变二段催化剂操作线计算 2310.低变炉的物料与热量衡算2411低变催化剂操作线计算 2912低变炉催化剂平衡曲线2913.最佳温度曲线的计算 3014废热锅炉的物料和热量衡算 3115.水蒸汽的加入 3416主换热器的物料与热量的衡算3417.调温水加热器的物料与热量衡算36第二章 设备的计算371. 中变炉的计算 372. 主换热器的计算42设计的综述6参考文献49致谢50第一章 物料与热量衡算已知条件:组 分CO2COH2N2O2CH4合计含量,9.60 11.42 55.71 22.56 0.330.38100计算基准:1吨氨计算生产1吨氨需要的变换气量:(1000/17)2
3、2.4/(222.56)=2920.31 M3(标)因为在生产过程中物料可能会有损失,因此变换气量取2962.5 M3(标)年产3万吨合成氨生产能力(一年连续生产330天):日生产量:30000/330=90.9T/d=3.79T/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:组 分CO2COH2N2O2CH4合计含量,9.611.4255.7122.560.330.38100M3(标)284.44338.321650.42668.349.7711.262962.5kmol12.69815.10394.50838.2710.5600.645161.785假设进中变炉的变换气
4、温度为330,取变化气出炉与入炉的温差为35,出炉的变换气温度为365。进中变炉干气压力=1.75Mpa.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=3.5故V(水)=3.5V co=1184.113m3(标) ,n(水)=52.862kmol因此进中变炉的变换气湿组分组 分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量6.868.1639.8016.120.240.2728.56100M3(标)284.4338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.1
5、2 2.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8.16,要求变换气中CO含量为2,故根据变换反应:CO+H2OH2+CO2,则CO的实际变换率公式为:Xp=100 (2-1) 式中、分别为原料及变换气中CO的摩尔分率(湿基)所以:Xp=74则反应掉的CO的量为:8.1674=6.04则反应后的各组分的量分别为: H2O=28.56-6.04+0.48=23CO=8.16 -6.04=2.12H2 =39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86+6.04=12.9中变炉出口的平衡常数:Kp= (H2CO2)/(H2OCO)=12查 小合成氨厂工艺
6、技术与设计手册 可知Kp=12时温度为397。中变的平均温距为397-365=32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。3中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.5,与文献小合成氨厂工艺技术与设计手册上的公式XP=100 V=KPAB-CDq=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:t300 320 340 360 380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t 4
7、20 440 460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下:4.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 进行计算。查3000吨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。最适宜温度计算结果列于下表中:Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5 Xp0.670.640.610.580.550.52T63
8、8.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6 Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图:5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330进中变炉一段催化床层的变换气湿组分:组 分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量6.868.1639.816.120.270.2428.56100M3(标)284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61kmol12.6915.1073.6829.8
9、40.440.5052.86185.125.1 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:60338.318=202.9908 M3(标) =9.062kmol出一段催化床层的CO的量为:338.318-202.9908=135.3272 M3(标)=6.0414kmol故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:1650.409+202.9908-29.776=1833.8478 M3(标)=81.868kmol故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为:284.4+202.9908=487.
10、3908 M3(标)=21.758kmol故出中变炉一段催化床层的变换气干组分的体积:V总(干)=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258 =3136.1638 M3(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=4.31%同理得:CO2=15.54%H2=58.47% N2=21.13%CH4=0.35%所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分:组 分CO2COH2N2CH4合计含量15.544.3158.4721.130.35100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.253136.16kmol21.766.
11、0481.8729.830.50140.01剩余的H2O的量为:1184.113-202.9908+29.776=1000.6742 M3(标)=44.6729kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积:V总(湿)=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258+1000.6742=4136.838 M3(标)=184.68kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中H2O的含量 H2O= =24.19%故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的含量 CO2=11.78同理可得: CO=3.27 H2=44.33 N2=16.16 CH4=0.
12、27所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量():组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2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CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.321833.84668.34
13、11.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根据:Kp= (H2CO2)/(H2OCO)计算得K=6.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=6.6时t=445设平均温距为35,则出中变炉一段催化床层的变换气温度为:445-35=4155.3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:330 出中变炉一段催化床层的变换气温度为:415可知反应放热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)O2 + 2H2= 2 H2O (2)这2
14、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+A1T+A2T2+A3T3+ 式中A0、A1、A2、A3气体的特性常数将式代入式
15、积分可得统一基准焓的计算通式:Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 (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=H0298298.16a1298.162a2298.163a3298.164a4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=(niHi)始(niHi)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);n
16、i 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;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 a0 a1 a2 a3 a4O21.90318103 5.802982.15675103-7.404991071.088081010H2-2.112441037.20974-5.558381044.8459107-8.189571011H2O-6.00361047.110921.293191031.28506107-5.780391011N2-1.976731036.4590
17、35.181641042.03296107-7.656321011CO-2.836371046.266278.986941045.04519109-4.142721011CO2-96377.888676.3965.05103-1.1351060.00计算O2的基准焓:根据基准焓的计算通式:Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4在415时T=415+273=683K将O2的常数带入上式得:Ht=1.90318103+5.80298683+2.156751036832-7.404991076833+1.0880810106834=6699.742kcal/kmo=28050.412 kJ
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