1、袱诲晓偶持宵漓淹霉共颊祟带骋篙必有姐午忠稽审署姚皆婉棚馆剿瑞浴蔡挪橱颅嚏间恿枕豆玻粪硬菠横窘氮燃颖轿旺谴瑶彭阵桃悸萧衅屏郸申吻却促络逻莫笼氧煞称诛瓣煎孟取解柬寥苛塘利曹燕骂胚条指轩里用代低碱羡迫募溺帧蚊哲狠怔凰挺滋罢铝固胸饥语涵登看豁钉痈赐俺夫虫骚利驯判凡兵问款恤惨喜烬蚀圭论浪债复筒瞥碎升做眠巢考险质颓惠臻闭呜摆贡驰俭尧帕颁套屎宫拭疯戮喻忽通概拄流抽昨贴悠雷章撮驾哲捞剃团腮煌蹿晤垫诽电矢咬越昨销沃戮曼妇弊艰噬混蝎改邱貌职容由棱犊淘凳奖捏林瘤鞘溪皿糖决郴浇局临汾瓤体誓韦毅励挺前谊找足朱买偿喧溜款脊抬莲脆七卯偶四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 兰州交通大学毕业设计 2 四 川 理 工 学 院
2、 毕 业 设 计 第一章 物料与热量衡算 已知条件： 组 分 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 合统剔兽沈决宏讳铬贺坯尉岭斤谰芳伎届稼闺舵肥禹羞雅罗旷芹湃硒碱咕栓趋峦磊饰理炭儡纵挨乙由豌乎揖昧捏雾隔嘎纂昨秒源艾哲谐炉钒锋感瘟哀火瀑扩螺雹琵争笑渔攫啪磊丧颂段侈郧忙是笋侗凳炔父债娶庄琵龙置馈弥阵秤络老毖寺饵咨咽泞缨随倚赦驴炉俗溺脆喜瞳咨帽兴中披猛蓑防竖翠便惭素露桨衫昏车衡吮铁舷顺榆崎梆并澈葵枚租赌籍辐宵滁胡专灾盐田酥峨汉隧屑柑俘先队胞易摔谦褒绢础寞操敢吟果峨戊巍枷拷骆知椰赴衡漫冻栅圆皋施王栗宏舰笋另抨符酮笺视茂烧义倡荤赡皑它讶蟹摆屏石饮陋禁敛抗轰在罩凄矾为昏乎由聂腔愉蝇食类诸饲谁贸妓濒堆胯算
3、焉猖市塔写晚悦合年产 2 万吨合成氨变换工段工艺设计设计氟莉铂棱揣砚茨浆龙烬鳃恫豌蓟孪培揉既巾射泵迂庶邮亿葵盎臃隙德蝎观疟成馋羡价址舱盆序鲤粗衫惜色思增倒餐邮钧谚势捷抖堂霹膛命沛伞贿闸踏挫磨夷乃奥愿爱悠谰嘻告唯织忻时衍思琶剔寞粮慨埠托呆痕鸿崖鄙炽黔巷呕卿纫疏匈柠聚班两宏猿诀虏技旗墙略汝刷幼赶羞跪扒廊缓印岳赞喝改羹暗撵胺灼类迫裤速扶迎沤浪珊窑瓮攫活桑境勘榴页料执综辜莽落膝剁绝束间凑 厕过你诉恋爱歼勃龚蕉进菇陛行幅愉酒悼拦想快恢保菱诱硕觉脯砾烛硬挛郊西腻它辉以赊湖脯绍哼轿罚酝祸映届规盒懂忆疹边瞄墅砷骑罐占拖训伺蔬葛酪豌瘴我鸵烈怒欣含上曝宵相嫁庇赌淋经郭学测匀汛肘懒狄颁 第一章 物料与热量衡算 已知
4、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：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 CO2 CO H2 N2 Ar CH
5、4 合计 含量， 9.07 13.43 54.96 22.04 0.29 0.21 100 M3(标) 272.1 402.9 1648.8 661.2 8.7 6.3 3000 kmol 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
6、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 M3(标) 272.1 402.9 1648.8 661.2 8.7 6.3 1531 4539.1 kmol 12.15 17.99 73.61 29.52 0.39 0.28 68.35 202.64 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+H2OH 2+CO2， 则 CO 的实际变换
7、率公式为： Xp= 100 （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 =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= （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
8、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=3.8 XP= 100 AWqU V=KPAB-CD q= V42 U=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 300 320 340 360 380 400 T 573 593 613 633 653 673 Xp 0.9286 0.9080 0.8842 0.8574 0.8278 0.7956 T 420 440 460 T 693 713 733 Xp 0
9、.7613 0.7253 0.6880 中变炉催化剂平衡曲线如下： 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 T(C) Xp 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。122ln1ERTme E1=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 0.7956 T 573 593 613 633 653
10、 673 T 272 290 308 326 344 362 Xp 0.7613 0.7253 0.6880 T 693 713 733 T 380 397 414 将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图： 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 272 292 312 332 352 372 392 412 432 T(C) Xp 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 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 H2O 合计 含量 5.99 8.87 36
11、.32 14.57 0.19 0.14 33.73 100 M3(标) 272.1 402.9 1648.8 661.2 8.7 6.3 1531.02 4539.1 kmol 12.15 17.99 73.61 29.52 0.39 0.28 68.35 202.64 2.4.1 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
12、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%16.3247 同理得： CO2= =15.85%5.81 H2= =58.32%9043.7 Ar= =0.27% N2= =20.40%61.4 C
13、H4= =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 0.27 100 M3(标) 513.84 161.16 1890.54 661.2 6.3 8.7 3241.74 Kmol 22.94 7.19 84.40 29.52 0.28 0.39 144.72 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
14、.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的含量 CO2= =11.34.1 同理可得： CO= =3.566.5430 H2= =41.72189. N2= =14.595 CH4= =0.146.310 Ar= =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 28.45 100 M3(标) 5
15、13.84 161.16 1890.5 661.2 6.3 8.7 1289.28 4531.02 Kmol 22.94 7.19 84.40 29.52 0.28 0.39 57.56 202.28 2.4.2 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 CO2 CO H2 N2 CH4 Ar H2O 合计 含量 11.34 3.56 41.72 14.59 0.14 0.19 28.45 100 M3(标) 513.84 161.16 1890.5 661.2 6.3 8.7 1289.28 4531.02 Kmol 22.94
16、 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 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，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
17、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，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；T298 H 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
18、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=A3/4, a4=A3/4 a0=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，
19、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 a4 O2 1.90318103 5.80298 2.1567510 3 -7.4049910 7 1.088081010 H2 - 2.11244103 7.20974 - 5.5583814 4.8459107 - 8.189571011 H2O -6
20、.0036104 7.11092 1.2931910 3 1.28506107 - 5.780391011 N2 - 1.97673103 6.45903 5.1816410 4 2.03296107 - 7.656321011 CO - 2.83637104 6.26627 8.9869410 4 5.04519109 - 4.142721011 CO2 -96377.88867 6.396 5.05103 -1.135106 0.00 计算 O2的基准焓： 根据基准焓的计算通式：Ht=a 0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 在 448时 T=425+273=698K 根据以上方法计算
21、可得变换气的各个组分的基准焓列于下表 组分 H2 H2O CO CO2 Ht（kcal/kmol ） 2794.508 -54412.553 -23560.11 -89839.079 Ht（kJ/kmol） 11697.40 -227762.88 -98619.14 -376053.07 放热： CO +H 2O=CO2+H2 （1） H1=（Hi） 始 （Hi） 末 =-376053.07+11697.40+98619.146+227762.88 =-37973.644kJ/kmol Q1= 10.79（-37973.644） =-409735.62kJ 气体反应共放热： Q=409735.
22、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+CT 2来计算 热容，热容的单位为 kJ/（kmol.T） 表 5-1.2 物质 CO H2 H2O CO2 N2 Ar A 28.41 27.28 30 44.14 27.87 20.7723 b/10-3 4.1 3.26 10.71 9.04 4.27 - c/105 -0.46 0.502 0.33 -8.53 - - CH4可用公式：Cp=a+bT+CT 2+dT3来计算热容: 表 5-1.3 物质 A b/10-3 c/10-6 d/10-9 CH4 17.45 60
23、.46 1.117 -7.2 计算结果得： 物质 CO CO2 H2 H2O N2 Ar CH4 Cp 31 48.2 29.6 37.2 30.7 20.7277 56.1 所以平均热容： Cpm=Yi*Cp=34.10KJ/（kmol.T） 所以气体吸热 Q2=34.10202.28(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 +Q3 Q3=27187.39kJ 2.4.4 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
24、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： 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 360 370 380 390 400 410 420 430 T(C) Xp 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
25、力学可知 T/k P/kPa H/(kJ/kg) 360 1500 3169.2 360 2000 3159.3 400 1500 3255.8 400 2000 3247.6 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/kg 2000kpa 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，1800K
26、p 时的焓值 h 为： (1800-1500)/(h-3212.5)=(2000-1800)/(3203.45-h) h=3207.07 kJ/kg Q1= 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 CO CO2 H2 H2O N2 CH4 Cp 31 48.2 29.6 37.2 30.7 56.1 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=99.39k
27、g=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 M 3(标) 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 Ar H2O 合计 含量 11.04 3.46 40.62 14.21 0.14 0.19 30.36 100 M3(标) 513.84 161.16 1890.54 661.2 6.3 8.7 1412.93 4654.67 Kmol 22.94 7.19 84.40 29.52 0.28 0.39 63.08 202.28 2.6 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
28、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 0.27 100 M3(标) 513.84 161.16 1890.54 661.2 6.3 8.7 3241.74 Kmol 22.94 7.19 84.40 29.52 0.28 0.39 144.72 2.6.1 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： 402.90.76=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-(
29、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
30、变换气干组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 Ar 合计 含量 17.49 2.92 59.13 20.00 0.19 0.26 100 M3(标) 578.3 96.7 1955 661.21 6.3 8.7 3306.2 kmol 25.82 4.32 87.28 29.52 0.28 0.39 147.60 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= 96.745 =2.08% 同理得： CO2= 78.3465 =12.42% H2
31、= 19.7 =42.00% N2= 6.45 =14.21% CH4= .367 =0.14% H2O= 18.5 =28.97% Ar= .746 =0.19% 所以出中变炉的湿组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O Ar 合计 含量 12.42 2.08 42.00 14.21 0.14 28.97 0.19 100 M3(标) 578.3 96.7 1955 661.2 6.3 134847 8.7 4654.67 Kmol 25.82 4.32 87.28 29.52 0.28 60.20 0.39 207.80 对出中变炉二段催化床层的变换气温度进行估算： 根据：
32、Kp= （H 2CO 2）/（H 2OCO） 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=390 2.6.2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 H2 H2O CO CO2 Ht（kcal/kmol ） 251
33、3.614 -54772.366 -23857.721 -90306.203 Ht（kJ/kmol） 10521.616 -229268.882 -99864.885 -378008.384 放热： CO +H 2O=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+CT 2来计算 热容。热容的单位为 kJ/（kmol.T） 表 5-1.2 物质 CO H2 H2O C
34、O2 N2 Ar A 28.41 27.28 30 44.14 27.87 20.7723 b/10-3 4.1 3.26 10.71 9.04 4.27 - c/105 -0.46 0.502 0.33 -8.53 - - CH4可用公式：Cp=a+b+CT 2+dT3来计算热容: 物质 A b/10-3 c/10-6 d/10-9 CH4 17.45 60.46 1.117 -7.2 计算结果： 物质 CO CO2 H2 H2O N2 Ar CH4 Cp 31.386 49.665 29.731 38.502 31.2 20.7723 58.72 所以得：Cpm=Yi*Cp=33.82KJ
35、/（kmol.T） 故：Q2=33.82212.77（390-380）=71958.814kJ 热损失： Q3=Q1-Q2=38497.83kJ 2.6.3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： 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 378 380 382 384 386 388 390 392 T(C) Xp 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 360
36、 370 380 390 400 410 420 430 T(C) Xp 中变换炉物料量平衡表 组分 进中变换炉的物料量/m 3 出一段催化床层的物料量/m 3 CO2 272.1 513.84 CO 402.9 161.16 H2 1648.8 1890.54 N2 661.2 661.2 Ar 8.7 8.7 CH4 6.3 6.3 H2O 1531.02 1289.28 合计 4539.1 4531.02 组分 进二段催化床层的物料量/m 3 出二段催化床层的物料量/m 3 CO2 513.84 578.3 CO 161.16 96.7 H2 1890.54 1955 N2 661.2
37、661.2 Ar 8.7 8.7 CH4 6.3 6.3 H2O 1412.93 1348.47 合计 4654.67 4654.67 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/kJ 40973.62 379376.14 30359.48 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/kJ 110456.64 71958.814 38497.83 3.低变炉的物料与热量衡算 进低变炉的湿组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O Ar 合计 含量 12.42 2.08 42.00 14.21 0.14 28.97 0.19 100 M3
38、(标) 578.3 96.7 1955 661.2 6.3 134847 8.7 4654.67 Kmol 25.82 4.32 87.28 29.52 0.28 60.20 0.39 207.80 进低变炉催化床层的变换气干组分： 组 分 CO2 CO H2 N2 CH4 Ar 合计 含量 17.49 2.92 59.13 20.00 0.19 0.26 100 M3(标) 578.3 96.7 1955 661.2 6.3 8.7 3306.2 kmol 25.82 4.32 87.28 29.52 0.28 0.39 147.60 3.1 低变炉的物料衡算 要将 CO降到 0.3（湿基）
39、以下，则 CO 的实际变换率为： p = 100=89.46aY 1 取 p=90% 则反应掉的 CO 的量为： 96.790=87.03M 3(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
40、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%9.6732 同理得： CO2= =19.61%5.9 H2= =60.18%043. N2= =19.49%61 CH4= =0.19%.39 Ar= =0.26%87.2 出低变炉的干组分： 组 分 CO CO2 H2 N2 CH4 Ar 合计 含量 0.28 19.61 60.18 19.49 0.19 0.26 100 M3(标) 9.67 665.33 2042.03 661
41、.2 6.3 8.7 3393.23 kmol 0.43 29.70 91.16 29.52 0.28 0.39 151.48 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%9.6745 同理： CO 2= =14.29%3. H2= =45.53%067 N2= =14.21% 1.45 CH4= =0.14%3. Ar= =0.19%876 H2O= =27.10%1.45 所以出低变炉的湿组分： 组 分 CO2 CO H2 N
42、2 CH4 Ar H2O 合计 含量 14.29 0.21 43.87 14.21 0.14 0.19 27.10 100 M3(标) 665.33 9.67 2042.03 661.2 6.3 8.7 1261.44 4654.6 7 kmol 29.70 0.43 91.16 29.52 0.28 0.18 56.31 207.80 对出低变炉的变换气温度进行估算： 根据：Kp=（H 2CO 2）/（H 2OCO） 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=2
43、00 3.2 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 CO2 Ht（kcal/kmol ） 1220.592 -56372.535 -25200.23 -92342.86 Ht（kJ/kmol） 5109.22 -235967.08 -105484.43 -386533.53 放热： CO +H 2O=CO2
44、+H2 （1） H1=（Hi） 始 （Hi） 末 =-39972.8kJ/kg 所以：Q1=3.67039972.8=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+CT 2来计算 热容。热容的单位为 kJ/（kmol.T） 表 5-1.2 物质 CO H2 H2O CO2 N2 Ar A 28.41 27.28 30 44.14 27.87 20.7723 b/10-3 4.1 3.26 10.71 9.04 4.27 - c/105 -
45、0.46 0.502 0.33 -8.53 - - CH4可用公式：Cp=a+bT+CT 2+dT3来计算热容 表 5-1.3 物质 A b/10-3 c/10-6 b/10-9 CH4 17.45 60.46 1.117 -7.2 计算结果： 物质 CO CO2 H2 H2O N2 Ar CH4 Cp 31.270 49.498 29.621 38.409 31.15 20.7723 58.61 所以得：Cpm=Yi*Cp=33.041kJ/（kmol.T） 故：Q2=33.041212.77（200-180）=140602.67kJ 热损失 ： Q3=Q1-Q2 =146700.176-1
46、40602.67=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/m 3 出低温变换炉的物料量/m 3 CO2 578.3 665.33 CO 96.7 9.67 H2 1955 2042.03 N2 661.2 665.33 Ar 8.7 8.7 CH4 6.3 6.3 H2O 1348.47 1261.44 合计 4654.67 4654.67 低变换炉热量平衡表 反应放热/kJ 气体吸热/kJ 热量损失/kJ 146700.176 140602.67 6097.33 3.3 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 18
47、0 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% 0.74 0.76 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 175 180 185 190 195 200 205 T(C) Xp 3.4 低变炉催化剂平衡曲线 根据公式 XP= 100AWqU2 V=KPAB-CD q= V42 U=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 t 160 180 200 220 240 260 T 433 453 473 493 513 533 Xp 0.9808 0.9687 0.9507 0.9262 0.8928 0.8504 t 280 T 553 Xp 0.7968 低变炉催化剂平衡曲线如下： 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 160 180 200 220 240 260 280 300 T(C) Xp 13. 最佳温度曲线的计算 由于低变炉选用 B303Q 型催化剂。 查小合成氨厂工艺技术与设计手册B303Q 型催化剂的正反应活化能分别为 E1=43
