合成氨工艺及设计计算

1第一章物料与热量衡算已知条件：表1－1原料气各组分的含量Table1-1ofthefeedgascomponentsin组分CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.6011.4255.7122.560.330.38100计算基准：1吨氨计算生产1吨氨需要的变换气量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31m3(标)因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取2962.5m3(标)年产12万吨合成氨生产能力（一年连续生产330天）：日生产量：120000/330=363.6T/d=１5.16T/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：表1－2进中变炉的变换气干组分Table1-2intothefurnaceinthevariablecomponentofthetransformationair-dry组分CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.611.4255.7122.560.330.38100m3(标)284.44338.321650.41668.349.7811.262962.50kmol12.69615.10373.67929.8370.4360.503132.25假设进中变炉的变换气温度为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℃。进中变炉干气压力为1.75Mpa.1.1水气比的确定：考虑到是原煤转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=3.5V水=1184.113m3(标)，n(水)=52.862kmol因此进中变炉的变换气湿组分如下：2表1－3进中变炉的变换气湿组分Table1-3intothefurnaceoftransformationinthevariablecomponentwetgas组分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量％6.868.1639.8016.120.240.2728.56100m3(标)284.42338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.121.2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+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率公式为：Xp=X2/X1×100%式中X1、X2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：8.16×74％=6.04则反应后的各组分的量分别为：H2O％=28.56％-6.04％+0.48％=23％CO％=8.16％-6.04％=2.12％H2％=39.8％+6.04％-0.48％=45.36％CO2％=6.86％+6.04％=12.9％中变炉出口的平衡常数：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知Kp=12时温度为397℃。3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。1.3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=X2/X1×100%V=KP（AB-CD）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：表1－4t-T-Xp关系Table1-4t-T-Xprelationst300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058表1－5t-T-Xp关系Table1-5t-T-Xprelationst420440460T693713733Xp0.68590.64160.59631.4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=10000KJ/Kmol，E2=19000KJ/Kmol。最适宜温度计算结果如下：4表1－6t-T-Xp组成Table1-6t-T-XpcompositionXp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5表1－7t-T-Xp组成Table1-7t-T-XpcompositionXp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6表1－8t-T-Xp组成Table1-8t-T-XpcompositionXp0.490.45T702.6716.6t429.6443.61.5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如下：表1－9进中变炉一段催化床层的变换气湿组分Table1-9intothefurnacesectionofcatalyticchangeinthebedofwetgascomponentstransform组分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量％6.868.1639.816.120.270.2428.56100m3(标)284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.121.5.1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5故在一段催化床层反应掉的CO的量为：60％×338.318=202.9908m3(标)=9.062kmol出一段催化床层的CO的量为：338.318-202.9908=135.3272m3(标)=6.0414kmol故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为：1650.409+202.9908-2×9.776=1833.8478m3(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=487.3908m3(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=3136.1638m3(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%CO2％=15.54%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如下：6表1-10出中变炉一段催化床层的变换气干组分Table1-10tochangeinthefurnacesectionofthecatalyticbedtransformair-drycomponents组分CO2COH2N2CH4合计含量％15.544.3158.4721.130.35100m3(标)487.39135.331833.84668.3411.253136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的H2O的量为：1184.113-202.9908+2×9.776=1000.6742m3(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=4136.838m3(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％=0.27％所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）如下：表1－11出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）Table1-11tochangeinthefurnacesectionofthecatalyticbedtransformcomponentsinwetgas(%)组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100m3(标)487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.6871.5.2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（％）如下：表1－12出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）Table1-12tochangeinthefurnacesectionofthecatalyticbedtransformcomponentsinwetgas(%)组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100m3(标)487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根据：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）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℃=415℃1.5.3中变炉一段催化床层的热量衡算已知条件：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=2H2O（2）这2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（298k）=Cpdt式中：HT—气体在TK的统一基准焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；△H(298k)—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：8Cp=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=△H（298k）－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×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：表1-13气体统一基准焓Table1-1