化学工程与工艺毕业设计（论文）-年产12万吨合成氨变换工段工艺设计.doc

兰州交通大学毕业设计第一章 物料与热量衡算已知条件：组 分CO2COH2N2ArCH4合计含量 9.07 13.43 54.96 22.04 0.290.21100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）=2989.22 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3000 M3(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）=3.8Vc=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)272.1402.91648.8661.28.76.315314539.1kmol12.1517.9973.6129.520.390.2868.35202.6441 兰州交通大学毕业设计2.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+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 =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=27CO=8.87 -6.73=2.14H2 =36.32+6.73=43.05CO2=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。2.2中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.8XP=×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 380400T573593613633653673Xp0.92860.90800.88420.85740.82780.7956T 420 440 460T693713733Xp0.76130.72530.6880中变炉催化剂平衡曲线如下：2.3最佳温度曲线的计算由于中变炉选用QCS-01型催化剂，最适宜温度曲线由式 进行计算。E1=74.49kJ/mol，E2=113.39 kJ/mol。最适宜温度计算结果列于下表中：Xp0.92860.90800.88420.85740.82780.7956T573593613633653673T272290308326344362 Xp0.76130.72530.6880T693713733T380397414将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：2.4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5.998.8736.3214.570.190.1433.73100M3(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=241.74 M3(标) =10.79kmol出一段催化床层的CO的量为：402.9-241.74=161.16 M3(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=513.84 M3(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=3241.74 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=4.97%同理得：CO2=15.85%H2=58.32%Ar=0.27% N2=20.40%CH4=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：1531.02-241.74=1289.28 M3(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=4531.02 M3(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= =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=11.34同理可得： CO=3.56 H2=41.72 N2=14.59 CH4=0.14 Ar=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=4252.4.3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=H0298298.16a1298.162×a2298.163×a3298.164×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；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 a4O21.90318×1035.802982.15675×103-7.40499×1071.08808×1010H2-2.11244×1037.20974-5.55838×144.8459×107-8.18957×1011H2O-6.0036×1047.110921.29319×1031.28506×107-5.78039×1011N2-1.97673×1036.459035.18164×1042.03296×107-7.65632×1011CO-2.83637×1046.266278.98694×1045.04519×109-4.14272×1011CO2-96377.888676.3965.05×103-1.135×1060.00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H2 H2O CO CO2Ht（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+11697.40+98619.146+227762.88=-37973.644kJ/kmolQ1=10.79×（-37973.644）=-409735.62kJ 气体反应共放热：Q=409735.62KJ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+bT+CT2来计算热容，热容的单位为kJ/（kmol.T）表5-1.2物质COH2H2OCO2N2ArA28.4127.283044.1427.8720.7723b/10-34.13.2610.719.044.27-c/105-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式：Cp=a+bT+CT2+dT3来计算热容:表5-1.3物质Ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果得：物质COCO2H2H2ON2ArCH4Cp3148.229.637.230.720.727756.1所以平均热容： Cpm=Yi*Cp=34.10KJ/（kmol.T）所以气体吸热Q2=34.10×202.28×(425-370)=379376.14kJ假设热损失Q3（一般热损失都小于总热量的10%）根据热量平衡的： Q= Q2 +Q3Q3=27187.39kJ2.4.4 中变一段催化剂操作线的计算 有中变一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 370 中变炉出口气体温度 425 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：2.5中间冷凝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。以知条件： 变换气的流量：202.28koml 设冷淋水的流量：X kg 变换气的温度：425 冷淋水的进口温度：20 进二段催化床层的温度：380 操作压力：1800kp热量计算： 冷淋水吸热Q1：据冷淋水的进口温度20查化工热力学可知h1 =83.96kJ/kg根据化工热力学可知T/kP/kPaH/(kJ/kg)36015003169.236020003159.340015003255.840020003247.6冷淋水要升温到380，所以设在380, 653K,1800kp时的焓值为h对温度进行内查法：1500kpa时(653-633 )/(h-3169.2)=(673-653)/(3255.8-h) h=3212.5 kJ/kg2000kpa时(653-633)/(h-3159.3)=(673-653)/(3247.6-h) h=3203.45 kJ/kg对压力用内差法得380，653K，1800Kp时的焓值h为：(1800-1500)/(h-3212.5)=(2000-1800)/(3203.45-h)h=3207.07 kJ/kgQ1= X( 3207.07-83.96)变换气吸热Q2根据表5-1.2和表5-1.3的计算方法得：物质COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以Cpm= Yi*Cp =34.10 kJ/（kmol.）Q2=202.28*34.10*(425-380)取热损失为0.05 Q2根据热量平衡：0.95Q2= X(3207.07-83.96) X=99.39kg=5.52koml=123.65 M3(标)所以进二段催化床层的变换气组分：水的量为：123.65+1289.28=1412.93 M3(标)组 分CO2COH2N2CH4ArH2O合计含量11.043.4640.6214.210.140.1930.36100M3(标)513.84161.161890.54661.26.38.71412.934654.67Kmol22.947.1984.4029.520.280.3963.08202.282.6中变炉二段催化床层的物料与热量衡算已知条件：所以进中变炉二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)513.84161.161890.54661.26.38.73241.74Kmol22.947.1984.4029.520.280.39144.722.6.1中变炉二段催化床层的物料衡算：设中变炉二段催化床层的转化率为0.76（总转化率）所以在CO的变化量为：402.9×0.76=306.20M3(标)=13.67 kmol在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为：161.16-(402.9-306.20)=64.46 M3(标)=2.88kmol出中变炉二段催化床层的CO的量为：161.16-64.46=96.7M3(标)=4.32kmol 故在二段催化床层反应后剩余的CO2的量为：513.84+64.46= 578.3M3(标)=25.82 kmol故在二段催化床层反应后剩余的H2的量为：1890.54+64.46= 1955M3(标)=87.28 kmol所以在二段催化床层反应后的变换气总量： V总（干）=96.7+578.3+1955+661.2+8.7+6.3=3306.2M3(标) =147.60kmol所以出中变炉二段催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH2N2CH4Ar合计含量17.492.9259.1320.000.190.26100M3(标)578.396.71955661.216.38.73306.2kmol25.824.3287.2829.520.280.39147.60故在二段催化床层反应后剩余的H2O的量为：1412.93-64.46= 1348.47M3(标)=60.20kmol故出中变炉二段催化床层的变换气湿组分中CO的含量：CO= =2.08%同理得：CO2= =12.42%H2= =42.00% N2= =14.21%CH4= =0.14% H2O= =28.97% Ar= =0.19%所以出中变炉的湿组分：组 分CO2COH2N2CH4H2OAr合计含量12.422.0842.0014.210.1428.970.19100M3(标)578.396.71955661.26.31348478.74654.67Kmol25.824.3287.2829.520.2860.200.39207.80对出中变炉二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=8.66查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=8.56时t=432设平均温距为42，则出中变炉二段催化床层的变换气温度为：432-42=3902.6.2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：380 出中变炉二段催化床层的变换气温度为：390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5-1及表5-1.1计算平均温度为658K时的生成焓。计算结果如下：组分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）2513.614-54772.366 -23857.721-90306.203Ht（kJ/kmol）10521.616-229268.882-99864.885-378008.384放热： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-38353.001 kJ/kg所以得： Q1=2.88*38353.001=110456.64 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+bT+CT2来计算热容。热容的单位为kJ/（kmol.T）表5-1.2物质COH2H2OCO2N2ArA28.4127.283044.1427.8720.7723b/10-34.13.2610.719.044.27-c/105-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3来计算热容:物质Ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：物质COCO2H2H2ON2ArCH4Cp31.38649.66529.73138.50231.220.772358.72所以得：Cpm=Yi*Cp=33.82KJ/（kmol.T）故：Q2=33.82×212.77×（390-380）=71958.814kJ热损失：Q3=Q1-Q2=38497.83kJ2.6.3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 380 中变炉出口气体温度 390 中变炉入口CO变换率 60% 中变炉出口CO变换率 76.6%所以中变炉的操作线如图：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/m3CO2272.1513.84CO402.9161.16H21648.81890.54N2661.2661.2Ar8.78.7CH46.36.3H2O1531.021289.28合计4539.14531.02 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/m3CO2513.84578.3CO161.1696.7H21890.541955N2661.2661.2Ar8.78.7CH46.36.3H2O1412.931348.47合计4654.674654.67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/kJ40973.62379376.1430359.48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/kJ110456.6471958.81438497.833.低变炉的物料与热量衡算进低变炉的湿组分：组 分CO2COH2N2CH4H2OAr合计含量12.422.0842.0014.210.1428.970.19100M3(标)578.396.71955661.26.31348478.74654.67Kmol25.824.3287.2829.520.2860.200.39207.80进低变炉催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH2N2CH4Ar合计含量17.492.9259.1320.000.190.26100M3(标)578.396.71955661.26.38.73306.2kmol25.824.3287.2829.520.280.39147.603.1低变炉的物料衡算要将CO降到0.3（湿基）以下，则CO的实际变换率为：p=×100=89.46取p=90%则反应掉的CO的量为：96.7×90=87.03M3(标)=3.89kmol出低温变换炉CO的量： 96.7-87.03=9.67 M3(标)=0.43 kmol出低温变换炉H2的量： 1955+87.03=2042.03M3(标)=91.16 kmol出低温变换炉H2O的量：1348.47-87.03=1261.44M3(标)=56.31kmol出低温变换炉CO2的量: 578.3 +87.03=665.33M3(标)=29.70 kmol出低变炉催化床层的变换气干组分的体积：V总（干）=9.67+2042.03+665.33+8.7+661.2+6.3=3393.23M3(标)=151.48 kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO的含量：CO=0.28%同理得：CO2=19.61%H2=60.18%N2=19.49%CH4=0.19%Ar=0.26%出低变炉的干组分：组 分COCO2H2N2CH4Ar合计含量0.2819.6160.1819.490.190.26100M3(标)9.67665.332042.03661.26.38.73393.23kmol0.4329.7091.1629.520.280.39151.48出低变炉催化床层的变换气湿组分的体积：V总（湿）=3393.23+1261.44=4654.67M3(标)=207.80 kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO的含量：CO=2.01%同理： CO2=14.29% H2=45.53% N2=14.21% CH4=0.14% Ar=0.19% H2O=27.10%所以出低变炉的湿组分：组 分CO2COH2N2CH4ArH2O合计含量14.290.2143.8714.210.140.1927.10100M3(标)665.339.672042.03661.26.38.71261.444654.67kmol29.700.4391.1629.520.280.1856.31207.80对出低变炉的变换气温度进行估算：根据：Kp=（H2×CO2）/（H2O×CO）计算得Kp=110.16查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=110.16时t=235设平均温距为35，则出中变炉段催化床层的变换气温度为： t=23535=2003.2 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：180出低变炉催化床层的变换气温度为：200变换气反应放热Q1:在200时，T=473K，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5-1及表5-1.1计算平均温度为476K时的生成焓。计算结果如下：组分H2 H2O CO CO2Ht（kcal/kmol）1220.592-56372.535-25200.23-92342.86Ht（kJ/kmol）5109.22-235967.08-105484.43-386533.53放热： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-39972.8kJ/kg所以：Q1=3.670×39972.8=146700.176 kJ气体吸热Q2：气体吸热时的平均温度：（180+200）/2=190，T=463K根据物理化学教程知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+bT+CT2来计算热容。热容的单位为kJ/（kmol.T） 表5-1.2物质COH2H2OCO2N2ArA28.4127.283044.1427.8720.7723b/10-34.13.2610.719.044.27-c/105-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式：Cp=a+bT+CT2+dT3来计算热容表5-1.3物质Ab/10-3c/10-6b/10-9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：物质COCO2H2H2ON2ArCH4Cp31.27049.49829.62138.40931.1520.772358.61所以得：Cpm=Yi*Cp=33.041kJ/（kmol.T）故：Q2=33.041×212.77×（200-180）=140602.67kJ热损失 ： Q3=Q1-Q2=146700.176-140602.67=6097.33 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/m3CO2578.3665.33CO96.79.67H219552042.03N2661.2665.33Ar8.78.7CH46.36.3H2O1348.471261.44合计4654.674654.67低变换炉热量平衡表反应放热/kJ气体吸热/kJ热量损失/kJ146700.176140602.676097.333.3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 180 低变炉出口气体温度 200 低变炉入口CO变换率 76.6% 低变炉出口CO变换率 90.00%3.4 低变炉催化剂平衡曲线根据公式XP=×100V=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t160180200220240260T43345347349351