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1、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 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 合计含量 9.07 13.43 54.96 22.04 0.29 0.21 100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/（20.2204）=2989.22 M 3(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：/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 CO2 CO H2 N2 A
2、r CH4 合计含量， 9.07 13.43 54.96 22.04 0.29 0.21 100M3(标) 272.1 402.9 1648.8 661.2 8.7 6.3 3000kmol 12.14 17.99 73.61 29.52 0.39 0.28 133.93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
3、组 分 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 H2O 合计含量 5.99 8.87 36.32 14.57 0.19 0.14 33.73 100M3(标) 272.1 402.9 1648.8 661.2 8.7 6.3 1531 4539.1kmol 12.15 17.99 73.61 29.52 0.39 0.28 68.35 202.64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+H2OH 2+CO2，则 CO的实际变换率公式为：Xp= 1
4、00 （2-1） aY1式中 、 分别为原料及变换气中 CO的摩尔分率（湿基）a所以：X p =8.7201.=75.93则反应掉的 CO的量为：8.8775.93=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= （H 2CO 2）/（H 2OCO）=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
5、/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= 100 AWqUV=KPAB-CDq= V42U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中 A、B、C、D 分别代表 CO、H 2O、CO 2及 H2的起始浓度计算结果列于下表：T 300 320 340 360 380 400T 573 593 613 633 653 673Xp 0.9286 0.9080 0.8842 0.8574 0.8278 0.7956T 420 440 460T 693 713 733Xp 0.7613 0.7253 0.6880中变炉催化剂平衡曲线如下：00.10.2
6、0.30.40.50.60.70.80.91300 320 340 360 380 400 420 440 460 480T(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 进行计算。122ln1ERTmeE1=74.49kJ/mol，E 2=113.39 kJ/mol。最适宜温度计算结果列于下表中：Xp 0.9286 0.9080 0.8842 0.8574 0.8278 0.7956T 573 593 613 633 653 673T 272 290 308 326 344 362Xp 0.7613 0.7253 0.6880
7、T 693 713 733T 380 397 414将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91272 292 312 332 352 372 392 412 432T(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 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 H2O 合计含量 5.99 8.87 36.32 14.57 0.19 0.14 33.73 100兰州交通大学毕业设计5M3(标) 272.1 402.9 1648.8 661.2 8.7 6.
8、3 1531.02 4539.1kmol 12.15 17.99 73.61 29.52 0.39 0.28 68.35 202.642.4.1 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：60402.9=241.74 M 3(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
9、=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%16.3247同理得：CO2= =15.85%5.81H2= =58.32%9043.7Ar= =0.27%N2= =20.40%61.4CH4= =0.19%3.7所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 Ar 合计含量 15.85 4.97 58.32 20.40 0.19 0.
10、27 100M3(标) 513.84 161.16 1890.54 661.2 6.3 8.7 3241.74Kmol 22.94 7.19 84.40 29.52 0.28 0.39 144.72剩余的 H2O的量为：兰州交通大学毕业设计61531.02-241.74=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%189.4530故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中 CO2的含
11、量CO2= =11.34.1同理可得：CO= =3.566.5430H2= =41.72189.N2= =14.595CH4= =0.146.310Ar= =0.1987.2所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（）：组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 Ar H2O 合计含量 11.34 3.56 41.72 14.59 0.14 0.19 28.45 100M3(标) 513.84 161.16 1890.5 661.2 6.3 8.7 1289.28 4531.02Kmol 22.94 7.19 84.40 29.52 0.28 0.39 57.56 202.282.4.2对出
12、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 CO2 CO H2 N2 CH4 Ar H2O 合计含量 11.34 3.56 41.72 14.59 0.14 0.19 28.45 100M3(标) 513.84 161.16 1890.5 661.2 6.3 8.7 1289.28 4531.02Kmol 22.94 7.19 84.40 29.52 0.28 0.39 57.56 202.28根据：Kp= （H 2CO 2）/（H 2OCO）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
13、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=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，H 2O，CO 2, 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=H 0298=Cpdt 式中：HT 气体在 在 TK的统一基准焓，kc
14、al/kmol(4.1868kJ/kmol)；T298H 0298 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、A 1、A 2、A 3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+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 (5-1) 式中常数 a0、a 1、a 2、a 3、a 4与气体特性常数及标准生成热的关系为：a1=A0, a2=A1/2, a3=A
15、3/4, a4=A3/4a0=H 0298298.16a 1298.16 2a2298.16 3a3298.16 4a4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）;兰州交通大学毕业设计8ni 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 a4
