合成氨工藝及設(shè)計(jì)計(jì)算

1、第一章 物料與熱量衡算已知條件：表11 原料氣各組分的含量Table 1-1 of the feed gas components in組 分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100計(jì)算基準(zhǔn)：1噸氨計(jì)算生產(chǎn)1噸氨需要的變換氣量：（1000/17）22.4/（222.56）=2920.31 m3(標(biāo))因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物料可能會(huì)有損失，因此變換氣量取2962.5 m3(標(biāo))年產(chǎn)12萬(wàn)噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn)330天）：日生產(chǎn)量：/330=363.6T/d=5.16T/h要求出中變爐的變換氣干組分中CO小于2。進(jìn)中變爐的變換氣干組分：表

2、12 進(jìn)中變爐的變換氣干組分Table 1-2 into the furnace in the variable component of the transformation air-dry組 分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)含量，9.611.4255.7122.560.330.38100m3(標(biāo))284.44338.321650.41668.349.7811.262962.50kmol12.69615.10373.67929.8370.4360.503132.25假設(shè)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為330，取變化氣出爐與入爐的溫差為35，出爐的變換氣溫度為365。進(jìn)中變爐干氣壓力為1.75Mpa.

3、1.1水氣比的確定：考慮到是原煤轉(zhuǎn)化來(lái)的原料氣，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=3.5 V水=1184.113m3(標(biāo)) ，n(水)=52.862kmol因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分如下：表13 進(jìn)中變爐的變換氣濕組分Table 1-3 into the furnace of transformation in the variable component wet gas組 分CO2COH2N2O2CH4H2O合計(jì)含量6.868.1639.8016.120.240.2728.56100m3(標(biāo))284.42338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61

4、kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.121.2中變爐CO的實(shí)際變換率的求?。杭俣褶D(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO濕基含量為8.16，要求變換氣中CO含量為2，故根據(jù)變換反應(yīng)：CO+H2OH2+CO2，則CO的實(shí)際變換率公式為：Xp=X2/X1100%式中X1、X2分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）所以：Xp= 74則反應(yīng)掉的CO的量為：8.1674=6.04則反應(yīng)后的各組分的量分別為： 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=

5、12.9中變爐出口的平衡常數(shù)：Kp= （H2CO2）/（H2OCO）=12查 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) 可知Kp=12時(shí)溫度為397。中變的平均溫距為397-365=32根據(jù)合成氨工藝與節(jié)能 可知中溫變換的平均溫距為：30到50，中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。1.3中變爐催化劑平衡曲線根據(jù)H2O/CO=3.5，與文獻(xiàn)小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)上的公式XP= X2/X1100%V=KP（AB-CD）U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度計(jì)算結(jié)果列于下表：表14 t-T-Xp關(guān)系Table 1-4 t-T-Xp

6、relationst300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058表15 t-T-Xp關(guān)系Table 1-5 t-T-Xp relationst420440460T693713733Xp0.68590.64160.59631.4最佳溫度曲線的計(jì)算由于中變爐選用C6型催化劑，最適宜溫度曲線由式 進(jìn)行計(jì)算。查3000噸合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算C6型催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能分別為:E1=10000KJ/Kmol，E2=19000 KJ/Kmol。最適宜溫度計(jì)算結(jié)果如下：表16 t-T-Xp 組成Tab

7、le 1-6 t-T-Xp compositionXp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5表17 t-T-Xp 組成Table 1-7 t-T-Xp compositionXp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6表18 t-T-Xp 組成Table 1-8 t-T-Xp compositionXp0.490.45T70

8、2.6716.6t429.6443.61.5中變爐一段催化床層的物料衡算已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為330進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分如下：表19 進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分Table 1-9 into the furnace section of catalytic change in the bed of wet gas components transform組 分CO2COH2N2O2CH4H2O合計(jì)含量6.868.1639.816.120.270.2428.56100m3(標(biāo))284.42338.181650.41668.349.7811.261184

9、.114146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.121.5.1 中變爐一段催化床層的物料衡算假設(shè)CO在一段催化床層的實(shí)際變換率為60假使O2 與H2 完全反應(yīng)，O2 完全反應(yīng)掉故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：60338.318=202.9908 m3(標(biāo)) =9.062kmol出一段催化床層的CO的量為：338.318-202.9908=135.3272 m3(標(biāo))=6.0414kmol故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：1650.409+202.9908-29.776=1833.8478 m3(標(biāo))=81.868kmol故在一段催

10、化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：284.4+202.9908=487.3908 m3 (標(biāo))=21.758kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積：V總（干）=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258=3136.1638 m3 (標(biāo))故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中CO的含量：CO=4.31%同理得：CO2=15.54%H2=58.47%CO2=15.54%N2=21.13%CH4=0.35%所以出中變爐一段催化床層的變換氣干組分如下：表1-10 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分Table 1-10 to change in the

11、furnace section of the catalytic bed transform air-dry components組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量15.544.3158.4721.130.35100m3(標(biāo))487.39135.331833.84668.3411.253136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的H2O的量為：1184.113-202.9908+29.776=1000.6742 m3 (標(biāo))=44.6729kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的體積：V總（濕）=135.3272+487.3908+1833.8

12、478+668.34+11.258+1000.6742=4136.838 m3 (標(biāo))=184.68kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中H2O的含量H2O=24.19%故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中CO2的含量CO2=11.78同理可得：CO=3.27H2=44.33N2=16.16CH4=0.27所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）如下：表111出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）Table 1-11 to change in the furnace section of the catalytic bed transform components in

13、 wet gas (%)組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100m3(標(biāo))487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.681.5.2對(duì)出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行估算：已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）如下：表112出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）Table 1-12 to change in the furnace section of the catalytic bed tr

14、ansform components in wet gas (%)組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量11.783.2744.3316.160.2724.19100m3 (標(biāo))487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根據(jù)：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）計(jì)算得K=6.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)知當(dāng)Kp=6.6時(shí)t=445設(shè)平均溫距為35，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：445-35=4151.5.3 中變爐一段催化床層的熱量衡算已知條件：進(jìn)中變爐一

15、段催化床層的變換氣溫度：330 出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415可知反應(yīng)放熱Q在變化氣中含有CO，H2O，O2，H2 這4種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下2種反應(yīng)：CO +H2O=CO2+H2 （1）O2 + 2H2= 2 H2O （2）這2個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。根據(jù)小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)可知為簡(jiǎn)化計(jì)算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計(jì)算。以P=1atm，t=25為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計(jì)算式為：HT=H（298k）=Cpdt式中：HT氣體在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；H(298k)該氣體在25下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol

16、)；T絕對(duì)溫度，K；Cp氣體的等壓比熱容，kcal/（kmol.）4.1868kJ/（kmol.）氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式：Cp=A0+A1T+A2T2+A3T3+式中A0、A1、A2、A3氣體的特性常數(shù)將式代入式積分可得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4式中常數(shù)a0、a1、a2、a3、a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為：a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4a0=H（298k）298.16a1298.162a2298.163a3298.164a4采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計(jì)算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)行，步

17、驟有多少，只要計(jì)算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。H=（niHi）始（niHi）末式中:H 過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時(shí)為放熱，為負(fù)數(shù)時(shí)系統(tǒng)為吸熱，單位：kcal；（4.1868kJ）;ni 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)，kmol；Hi 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下；Hi 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）現(xiàn)將有關(guān)氣體的計(jì)算常數(shù)列于下表中：表1-13 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓Table 1-13 gas benchmarking enthalpy分子式a0a1a2a3a4O21.903181035.802982.15675103-7.404991071.08808101

18、0H2-2.112441037.20974-5.558381044.8459107-8.189571011H2O-6.00361047.110921.293191031.28506107-5.780391011N2-1.976731036.459035.181641042.03296107-7.656321011CO-2.836371046.266278.986941045.04519109-4.142721011CO2-96377.888676.3965.05103-1.1351060.00計(jì)算O2的基準(zhǔn)焓：根據(jù)基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4在415時(shí),T

19、=415+273=683K將O2的常數(shù)帶入上式得：Ht=1.90318103+5.80298683+2.156751036832-7.404991076833+1.0880810106834=6699.742kcal/kmo=28050.412 kJ/kmol同理根據(jù)以上方法計(jì)算可得變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓如下：表114 變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓Table 1-14 gas transform the various components of the benchmark enthalpy組分O2H2H2OCOCO2Ht(kcal/kmol)6699.7422724.221-54502.665

20、-23634.754-89956.678Ht（kJ/kmol）28050.41211405.772-.759-98953.987-.620放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末=-.6208+11405.77+98953.987+.759=-38079.10484kJ/kmolQ1= 9.062（-38079.10484）=-.8481kJO2 + 2H2= 2 H2O （2）Q2=H2=（niHi）始（niHi）末=-.6179kJ氣體反應(yīng)共放熱：Q=Q1+Q2=.8481+.6179=.4659kJ氣體吸熱Q3根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2, H2O, CO

21、2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來(lái)計(jì)算熱容，熱容的單位為kJ/（kmol.K）表1-15 a-b-c關(guān)系Table 1-15 a-b-c relations物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.530.63CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容得：物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp（CO）=31 kJ/（kmol.K） Cp（CO2）=48.2 kJ/（kmol.K）Cp（H2）=29.6 kJ/（kmol.K） Cp（H2O）=

22、37.2 kJ/（kmol.K）Cp（N2）=30.7 kJ/（kmol.K） Cp（CH4）=56.1 kJ/（kmol.K）所以平均熱容：Cpm=YiCp=34.06 KJ/（kmol.K）所以氣體吸熱Q3=34.06184.68(415-330)=.068kJ假設(shè)熱損失Q4（一般熱損失都小于總熱量的10%）根據(jù)熱量平衡的： Q = Q3 +Q4Q4=31760.979 kJ1.6 中變一段催化劑操作線的計(jì)算由中變一段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知：中變爐入口氣體溫度：T入口330中變爐出口氣體溫度：T出口415中變爐入口CO變換率：Xp入口0中變爐出口CO變換率：Xp出口60%1.7中間

23、冷凝過程的物料和熱量計(jì)算：此過程采用水來(lái)對(duì)變換氣進(jìn)行降溫。已知條件： 變換氣的流量：184.68koml 設(shè)冷凝水的流量：X kg 變換氣的溫度：415 冷凝水的進(jìn)口溫度：20 進(jìn)二段催化床層的溫度：353 操作壓力：1750kp冷凝水吸熱Q1，據(jù)冷凝水的進(jìn)口溫度20查化工熱力學(xué)可知h1 =83.96kJ/kg根據(jù)化工熱力學(xué)可知：表1-16 T-P-H關(guān)系Table 1-16 T-P-H relationsT/K P/kPa H/(kJ/kg) 600 1600 3693.2 600 1800 3691.7 700 1600 3919.7 700 1800 3918.5冷凝水要升溫到353，所

24、以設(shè)在353, 626K,1750kp時(shí)的焓值為h對(duì)溫度進(jìn)行內(nèi)查法：1600kPa時(shí)(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) h=3752.09 kJ/kg1800kPa時(shí)（626-600）/（h- 3691.7）=(700-626)/( 3918.5-h) h=3750.668 kJ/kg再對(duì)壓力使用內(nèi)查法得在353, 626K,1750kp時(shí)的焓值h為：(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kJ/kgQ1= X( 3813.-83.96)已知變換氣吸熱Q2Cp(CO

25、)=31 kJ/（kmol.K）, Cp(C2)=48.2 kJ/（kmol.K）, Cp(H2)=29.6 kJ/（kmol.K）, Cp(H2o)=37.2 kJ/（kmol.K）, Cp(N2)=30.7 kJ/（kmol.K）, Cp(CH4)=56.1 kJ/（kmol.K）,所以Cpm= YiCp =33.92 kJ/（kmol.K）Q2=184.6833.92(415-353)=.4272 kJ取熱損失為0.04 Q2根據(jù)熱量平衡：0.96 Q2 = X(3751.0235-83.96)X = 101.676kg= 5.649 kmol= 126.53 m3(標(biāo))水的量為： 12

26、6.53+1000.6742=1127.2042 m3 (標(biāo)) =50.3261 kmol所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分如下：表1-17 進(jìn)二段催化床層的變換氣組分Table 1-17 Sec catalytic bed into the gas component transform組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì)含量m3 (標(biāo))kmol11.432487.3921.763.17135.326.04143.011833.8481.8715.68668.3429.830.2611.260.5026.441127.2050.321004263.37190.331.8中變爐二

27、段催化床層的物料與熱量衡算已知條件：所以進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣干組分如下：表1-18 進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣干組分組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量15.544.3158.4721.130.35100m3 (標(biāo))487.39135.321833.84668.3411.263136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.011.8.1中變爐二段催化床層的物料衡算：設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為0.74（總轉(zhuǎn)化率）所以在CO的變化量為：338.3180.74=250.35532 m3 (標(biāo)) =11.7658 kmol在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量

28、為：135.3272-（338.318-250.35532）=47.36452 m3 (標(biāo))=2.11 kmol出中變爐二段催化床層的CO的量為：135.3272-47.36452=87.96268 m3 (標(biāo)) =3.9269 kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：487.3908+47.= 534.75532 m3 (標(biāo)) = 23.873 kmol故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：1833.8478+47.36452= 1881.21232 m3 (標(biāo)) = 83.9826 kmol所以在二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量：V總（干）=87.96268+534.75532+

29、1881.21232+668.34+11.258=3183.528 m3 (標(biāo))=142.1218 kmol所以出中變爐二段催化床層的變換氣干組分如下：表1-19 出中變爐二段催化床層的變換氣干組分Table 1-19 to change in the furnace Sec catalytic bed of the dry gas component transform組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量m3 (標(biāo))kmol16.79534.7523.872.7687.963.9359.091881.2183.9820.99668.3429.830.3511.260.501003183.5

30、3142.12故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：1127.2042-47.36452= 1079.84 m3 (標(biāo)) =48.207 kmol故出中變爐二段催化床層的變換氣濕組分中CO的含量：CO=2.06%同理得：CO2= 12.54% H2=44.125%N2= 15.67% CH4=0.26%H2O= 25.33%所以出中變爐的濕組分如下：表1-20 出中變爐的濕組分Table 1-20 to change furnace in the wet components組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量m3 (標(biāo))kmol12.54534.7623.872.0687.963.

31、9344.1251881.2183.9815.67668.3429.830.2611.260.5025.331079.8448.211004263.32190.33對(duì)出中變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）計(jì)算得Kp=10.6查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)知當(dāng)Kp =10.6時(shí)，t=409設(shè)平均溫距為44，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：409-44=3651.8.2中變爐二段催化床層的熱量衡算：已知條件：進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353 出中變爐二段催化床層的變換氣溫度為：365變換氣反應(yīng)放熱Q1，計(jì)算變換氣中各組分的生成焓，原理與

32、計(jì)算一段床層一樣，使用公式計(jì)算平均溫度為632K時(shí)的生成焓。計(jì)算結(jié)果如下：表1-21 中變爐二段催化床層平均溫度為632K時(shí)各組分的生成焓Table 1-21 changed in the furnace Sec catalytic bed with an average temperature of 632 K, each component of the formation enthalpy組分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）2373.49936.95-54949.05-.69-24005.565-.5-90536.421-.89放熱： CO +H2O=

33、CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-38553.74846 kJ/kg 所以得： Q1=2.1138553.74846=81348.40955 kJ/kg氣體吸熱Q2，根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來(lái)計(jì)算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.K）表1-22 各組分a-b-c關(guān)系Table 1-22 each component a-b-c relations物質(zhì)COH2H2OCO2N2ab/10-3c/10528.414.1-0.4627.283.260.5023010.710.3344.149.04-8.5327.

34、874.276.7CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容，計(jì)算結(jié)果如下：表1-23 各組分CpTable 1-23 components Cp組分COH2CO2H2ON2CH4Cp/ KJ/（kmol.K）28.5629.2547.336.7830.3153.72所以得：Cpm=YiCp=33.61KJ/（kmol.K）故： Q2=33.61190.33（365-353）=76763.46kJ熱損失：Q3=Q1-Q2=4584.95 kJ1.9中變二段催化劑操作線計(jì)算由中變二段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知： 中變爐入口氣體溫度:t入口353 中變爐出口氣體溫度:t出口365

35、中變爐入口CO變換率：Xp入口60% 中變爐出口CO變換率：Xp出口36%中變換爐物料量平衡表如下：表1-24 中變換爐物料量平衡表Table 1-24 in the transformation of material balance sheet furnace 組分 進(jìn)中變換爐的物料量/m3 出一段催化床層的物料量/m3CO2COH2N2O2CH4H2O合計(jì)284.42338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61487.39135.331833.84668.349.7711.261000.674136.92表1-25進(jìn)二段催化床層的物料量平衡表Tab

36、le 1-25 Sec into the catalytic bed of the material balance組分 進(jìn)二段催化床層的物料量/m3 出二段催化床層的物料量/m3CO2COH2N2O2CH4合計(jì)487.39135.321833.84668.3411.261127.204263.32534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.32中變換爐二段熱量平衡表如下：表1-26中變換爐二段熱量平衡表Table 1-26 in the transformation furnace heat balance Sec反應(yīng)放熱/kJ氣體吸熱/kJ熱量損失/k

37、J81348.4095576763.464584.951.10低變爐的物料與熱量衡算已知條件：進(jìn)低變爐的濕組分如下：表1-27進(jìn)低變爐的濕組分Table 1-27 into the furnace low variable component of the wet組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量m3 (標(biāo))kmol12.54534.7623.872.0687.963.9344.1251881.2183.9815.67668.3429.840.2611.260.5025.331079.8448.211004263.37190.33所以進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分如下：表1-28進(jìn)低

38、變爐催化床層的變換氣干組分Table 1-28 furnace into the low variant of the catalytic bed components transform air-dry組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量m3 (標(biāo))16.792.7659.0920.990.35100534.7623.8787.963.931881.2183.98668.3429.8311.2580.5033183.53142.121.10.1低變爐的物料衡算要將CO降到0.2（濕基）以下，則CO的實(shí)際變換率為：Xp=90.11則反應(yīng)掉的CO的量為：87.9626890.11=79.264

39、 m3 (標(biāo)) =3.539 kmol出低溫變換爐CO的量： 87.96268-79.264=8.69868 m3 (標(biāo)) =0.38833 kmol出低溫變換爐H2的量： 1881.21232+79.264=1960.475 m3 (標(biāo)) =87.5213 kmol出低溫變換爐H2O的量：1079.84-79.264=1000.576 m3 (標(biāo)) =44.67 kmol出低溫變換爐CO2的量: 534.75532 +79.264=614.019 m3 (標(biāo)) =27.41 kmol出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積：V總（干）=8.69868+1960.475+614.019+668.3

40、4+11.258=3262.794 m3 (標(biāo))=145.66 kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：CO=0.266%同理得： CO2=18.82%H2=60.08%N2=20.48%CH4=0.35%出低變爐的干組分如下：表1-29 出低變爐的干組分Table 1-29 to stem low variable component of the furnace組 分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量m3 (標(biāo))kmol18.82614.0227.410.278.700.3960.081960.4887.5220.48668.3429.830.3511.260.50100326

41、2.79145.66出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積：V總（干）=8.69868+1960.475+614.019+668.34+11.258+1000.576=4263.37 m3 (標(biāo))=190.33 kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：CO=2.0%同理： CO2=4.4% H2=45.98% N2=15.68%CH4=0.26%H2O=23.47%所以出低變爐的濕組分如下：表1-30 出低變爐的濕組分Table 1-30 changed to lower the wet furnace components組 分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量m3 (標(biāo))1

42、4.4614.020.28.7045.981960.4815.68668.340.2611.2623.471000.581004263.37190.33kmol27.410.3987.5229.830.5044.67對(duì)出底變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）計(jì)算得Kp=141.05查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)知當(dāng)Kp=141.05時(shí)，t=223設(shè)平均溫距為20，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：t=22320=2031.10.2低變爐的熱量衡算已知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為：181 出低變爐催化床層的變換氣溫度為：203變換氣反應(yīng)放熱Q1，在20

43、3時(shí)，T=476K，計(jì)算變換氣中各組分的生成焓原理與計(jì)算一段床層一樣，使用公式計(jì)算平均溫度為476K時(shí)的生成焓。計(jì)算結(jié)果如下：表1-31 變換氣中各組分為476K時(shí)的生成焓Table 1-31 transform gas into the group at 476 K of the formation enthalpy組分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）1241.5165197.977-56347.304-.084-25178.916-.084-92311.594-.181放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-39958

44、.286 kJ/kg所以： Q1=3.53939958.286=.3742 kJ/kg氣體吸熱Q2，氣體吸熱時(shí)的平均溫度：（181+203）/2=191.5，T=464.5K根據(jù)物理化學(xué)教程知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2來(lái)計(jì)算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.K） 表1-32各組分a-b-c關(guān)系Table 1-32 each component a-b-c relations物質(zhì)COH2H2OCO2N2ab/10-3c/10528.414.1-0.4627.283.260.5023010.710.3344.149.04-8.5327.874.2

45、76.3CH4可用公式：Cp=a+b+CT2+dT3來(lái)計(jì)算熱容，計(jì)算結(jié)果如下：表1-33 各組分CpTable 1-33 components Cp組分COH2CO2H2ON2CH4Cp/ kJ/（kmol.K）30.129.0344.3935.1329.8545.05所以得： Cpm=YiCp=32.86kJ/（kmol.K）故： Q2=32.86190.33（203-181）=.9044kJ熱損失 ： Q3=Q1-Q2=.3742-.9044=3010.4698 kJ低變換爐物料量平衡表如下：表1-34 低變換爐物料量平衡表Table 1-34 transform the low volu

46、me of material balance sheet furnace組分 進(jìn)低溫變換爐的物料量/m3 出低溫變換爐的物料量/m3CO2534.76614.02CO87.968.7H21881.211960.48N2668.34668.34CH411.2611.26H2O1079.841000.58合計(jì)4263.324263.321.11低變催化劑操作線計(jì)算有低變二段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知：低變爐入口氣體溫度:t入口181低變爐出口氣體溫度:t出口 203低變爐入口CO變換率：Xp入口74%低變爐出口CO變換率：Xp出口90.11%1.12低變爐催化劑平衡曲線根據(jù)公式 XP=X2/X

47、1 100V=KP(AB-CD)U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度表1-35 t-T- Xp的關(guān)系Table 1-35 t-T-Xp relationst160 180 200 220 240260T433453473493513533Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.82291.13最佳溫度曲線的計(jì)算由于低變爐選用B302型催化劑。查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)B302型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43164kJ/ kmol,CO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能E2為：E2- E1=r(-H)對(duì)于CO變換反