变换计算.docx

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1、第 2 章变换工段物料及热量衡算2.1 中温变换物料衡算及热量衡算2.1.1. 确定转化气组成：条件中变炉进口气体组成见表 2-1。组CO2COH2N2CH4O2合计分%9.611.4255.7122.560.380.33100表 2-1计算基准：1 吨氨计算生产 1 吨氨需要的变化气量：1000/1722.4/222.56=2920.31 M3(标)由于在生产过程中物量可能回有消耗，因此变化气量取2962.5M3(标)年产 5 万吨合成氨生产力量：日生产量：50000/330=151.52T/d=6.31T/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见表 2-2。表

2、2-2组 分CO2COH2N2O2CH4合计含量， 9.611.4255.7122.560.330.38100102750.64937.M3(标)474563.861113.916.2918.76385假设入中变炉气体温度为 335 摄氏度，取出炉与入炉的温差为30 摄氏度，则出炉温度为 365 摄氏度。进中变炉干气压力 P=1.75Mpa.中2.1.2. 水汽比确实定：2考虑到是自然气蒸汽转化来的原料气，所以取 H O/CO=3.5 故 V水水=1973.52m3(标)n( )=88.1kmol表 2-3组 分CO2COH2N2O2CH4H O2合计含量6.868.1639.816.120.

3、240.2728.56100M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53因此进中变炉的变换气湿组分:中变炉 CO 的实际变换率的求取：假定湿转化气为 100mol，其中 CO 基含量为 8.16，要求变换气中CO 含量为 2，故依据变换反响：CO+H2OH2+CO2，则CO 的实际变换率为：Y- Y (YX =a1 +aa)100=74Ya式中 Ya、Y ” 分别为原料及变换气中 CO 的摩尔分率湿基a则反响掉的 CO 的量为：8.1674=

4、6.04 则反响后的各组分的量分别为：2H O=28.56-6.04+0.48=23 CO=8.16 -6.04=2.122H =39.8+6.04-0.48=45.36CO =6.86+6.04=12.92中变炉出口的平衡常数：K= H CO /H OCO=12222查小合成氨厂工艺技术与设计手册可知 K=12 时温度为 397。中变的平均温距为 397-365=32中变的平均温距合理，故取的 H O/CO 可用。22.1.3. 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。由于进中变炉一段催化床层的变换气湿组分见表 2-4表 2-4组 分含量，CO26.86C

5、O8.16H239.8N216.12O20.24CH40.27H O228.56合计100M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53假使 O 与 H22完全反响，O2完全反响掉故在一段催化床层反响掉的 CO 的量为：60563.86=338.318M3(标)=15.1koml出一段催化床层的 CO 的量为：563.86-338.318=225.545 M3(标)=10.069koml故在一段催化床层反响后剩余的 H2的量为:2750.68+

6、338.318-216.29=3056.41 M3(标)=136.447koml故在一段催化床层反响后剩余的 CO2的量为：474+338.318=812.318 M3(标)=36.26koml出中变炉一段催化床层的变换气干组分见表 2-5表 2-5组 分CO2COH2N2CH4合计含量15.5443.158.4721.130.35100M3(标)812.318225.5453056.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的 H O 的量为：21973.52-338.318+216.29=1667.79M3(标)

7、=74.45koml所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分见表 2-6表 2-6组 分CO2COH2N2CH4H O2合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进展计算：出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量见表 2-7表 2-7组 分CO2COH2N2CH4H O2合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)

8、812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8对出变炉一段催化床层的变换气温度进展估算：依据：K=(H2CO2)/H2OCO)计算得 K=6.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当 K=6.6 时 t=445 设平均温距为 30，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：445-30=4152.1.4. 中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：进中变炉温度：335出变炉一段催化床层的变换气温度为：415反响放热 Q：在变化气中含有CO，H O，O2，H 这 4 种物质会发生以

9、下222 种反响：CO +H2O=CO2+H21-1O2 + 2H2= 2 H2O1-2这 2 个反响都是放热反响。为简化计算，拟承受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 T298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确定温度，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

10、以下阅历式：Cp=A0+A1T+A2T2+A3T3+式中 A 、A 、A 、A 气体的特性常数0123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=A3/413a0=H0298298.16a 298.162a2298.163a 298.164a4承受气体的统一基准焓进展热量平衡计算，不必考虑系统中反响如何进展，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末式中H 过程热效应，其值为

11、正数时为放热，为负数时系统为吸热，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；I 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见表 2-8表 2-8分子式a0a1a2a3a4O21.903181035.802982.15675103-7.404991071.088081010H2-2.112441037.20974-5.55841044.8459107-8.189571011H2O-6.00361047.110921.29321031.28506107-5.78

12、0391011N2-1.976731036.459035.181641042.03296107-7.656321011CO-2.836371046.266278.986941045.04519109-4.142721011CO2-96377.888676.3965.05103-1.1351060.00计算 O的基准焓：2依据基准焓的计算通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 在 415时 T=415+273=683K 表 1-4-2查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表见表 2-9表 2-9组分O2H2H2OCOCO2Htkcal/kmol6699.7422724.221-5

13、4502.665-23634.754-89956.67833HtkJ/kmol28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6208放热：CO +H2O=CO2+H21H1=(Hi)始-Hi末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/komlQ1=15.1-38079.10484=-575121.414kJO + 2H = 2 H O2222Q2=H2=niHi始niHi末=-368924.3632kJ 气体共放热： Q=Q1+Q2=575121.414+368924.36

14、32=944045.7772kJ气体吸热 Q3：依据物理化学知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2来计算热容。热容的单位为 kJ/kmol. 查 2-10 表可得表 2-10物质COH2H O2CO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-Cpm=Yi*Cp=34.06 KJ/kmol.所以气体吸热 Q3=34.06*307.8*(415-330)=891111.78kJ假设热损失 Q4依据热量平衡的：Q= Q3 +Q4 Q4=52934.9

15、65 kJ2.1.5. 中变炉催化剂平衡曲线依据 H O/CO=3.5，与公式 X= U - q1002V=KPAB-CDU 2 - 4WVq=P2 AWU=KPA+B+C+D，W=KP-1t300表 2-11320340360380400其中 A、B、C、D 分别代表 CO、CO2、CO2 及H2 的起始浓度见表 2-11T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：图-1中变炉平衡曲线10.80.60.40.20250

16、 300 320 340 360 380 400420440 460Xp率化转温度 2.1.6. 最正确温度曲线的计算由于中变炉选用 C6 型催化剂，T最适宜温度曲线由式1 +eRTeE- EEln2E进展计算。211查小合成氨厂工艺技术与设计手册C6 型催化剂的正负反响活化能分别为 E1=10000 千卡/公斤分子，E2=19000 千卡/公斤分子。最适宜温度计算列于下表中,见表 2-12XpTtXpTt表 2-120.90120.87370.84240.80740.76870.7058526546.8564.2581.5598.8624.5253273.8291.2308.5325.835

17、1.50.670.640.610.580.550.52638.2649.4660.7671681.6692.6365.2376.4387.3398408.6419.6XpTt0.49702.6429.60.45716.6443.6pX率化转最适宜温度线温度将以上数据作图即得最适宜温度曲线图10.90.80.70.60.50.40.30.20.10253 274 291 309 326 352 365376387 398409 420 430 4442.1.7. 操作线计算有中变催化剂变换率及热平衡计算结果知： 中变炉人口气体温度335中变炉出口气体温度415 中变炉入口 CO 变换率0中变炉出

18、口 CO 变换率60%由此可作出中变炉催化剂反响的操作线如以下图-37060Xp 50率 40化 30转 20100 操作线330415温度 2.1.8. 中间冷淋过程的物料和热量衡算：此过程承受水来对变换气进展降温。以知条件：变换气的流量：307.8koml 设冷淋水的流量：X kg变换气的温度：415冷淋水的进口温度：20热量计算：进二段催化床层的温度：353 操作压力：1750kp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依据化工热力学可知表 2-13表 2-13T/kP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691

19、.770016003919.770018003918.5冷淋水要升温到 353，所以设在 353, 615K,1750kp 时的焓值为 h对温度进展内查法：1600kpa 时(626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09 kJ/kg1800kpa 时(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)h=3750.668 kJ/kg对压力用内差法得 353，615K，1750Kp 时的焓值 h 为：(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0

20、235 kJ/kgQ1= X( 3813.244875-83.96)变换气吸热 Q2依据表的计算方法得表 2-14物质COCO2H2H2ON2CH4表 2-14组 分CO2COH2N2CH4H O2合计含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3(标)812.318225.5453056.4131113.918.761878.677105.61koml36.26510.068136.4549.730.83883.87317.22Cp3148.229.637.230.756.1所以 Cpm= Yi*Cp =33.92 kJ/kmol.Q2=308.53*33.92*(

21、415-353)取热损失为 0.04 Q2依据热量平衡：0.96 Q2= X(3751.0235-83.96)X=169.46kg=9.415koml=210.88 M3(标)所以进二段催化床层的变换气组分：水的量为：210.88+1667.79=1878.67 M3(标)2.1.9. 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 0.74总转化率 所以在二段 CO 的变化量 563.86*0.74=417.26 M3(标) 在中变炉二段催化床层的转化的 CO 的量为：225.545-563.86-417.26=78.94M3(标)=3.52koml出中变炉二段催化床层的 CO

22、 的量为：225.545-78.94=146.605 M3(标)故在二段催化床层反响后剩余的 CO2812.318+78.94= 891.26M3(标)的量为：故在二段催化床层反响后剩余的 H2 的量为：3056.413+78.94= 3135.353M3(标)故在二段催化床层反响后剩余的 H2O 的量为：1878.67-78.94= 1799.73M3(标)所以出中变炉的湿组分见表 2-16组 分CO2COH2N2CH4H O2合计含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(标)891.26146.6053135.3531113.918.761799.73710

23、5.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22表 2-16对出变炉一段催化床层的变换气温度进展估算： 依据：K= H CO /H OCO222计算得 K=10.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当 K=10.6 时 t=409 设平均温距为 48，则出变炉一段催化床层的变换气温度为： 409-44=3652.1.10. 中变炉二段催化床层的热量衡算：以知条件：进变炉二段催化床层的变换气温度为：353 出变炉二段催化床层的变换气温度为：365变换气反响放热 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，平均温度为：632K,计算结果如下

24、：组分H2Ht kcal/kmol 2373.4HtkJ/kmol 9936.95H2O-54949.05-230060.69CO-24005.565-100506.5CO2-90536.421-379057.89表 2-17放热：CO +H O=CO +H1222H1=Hi始Hi末=-38553.74846 kJ/kg Q1=3.52*38553.74846=135580.683 kJ/kg气体吸热 Q2：依据物理化学知 CO, H2, H2O, CO2, N2Cp=a+b+CT-2 来计算热容。热容的单位为 kJ/kmol.，可用公式：表 2-18物质COH2H2OCO2N2a28.412

25、7.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-CH 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：4物质CH4a17.45b60.46c1.17d-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72Cpm=Yi*Cp =33.61KJ/kmol.Q2=33.61*317.22*365-353=12789.1kJ热损失：Q3=Q1-Q2=7641.6 kJ2.2 低变炉的物料与热量计算2.2.1.条件：进低变炉的湿组分:表 2-19组 分C

26、O2COH2N2CH4H2O合计含12.542.0644.12515.670.2625.33100量M3(标) 891.26146.6053135.3531113.18.761799.737105.96koml39.7886.545139.97149.730.83880.345 317.22进低变炉的干组分：组 分含量CO2CO2.76H2N2CH416.7959.0920.990.35合计100M3(标)891.26146.6053135.3531113.9 18.765305.91koml39.7886.545139.97149.720.838236.87表 2-202.2.2. 低变炉的

27、物料衡算：要将 CO降到 0.2湿基以下，则 CO 的实际变换率为：X=Y- Y (aa)100=90.11Y1 + Yaa则反响掉的 CO 的量为：146.60590.11=132.11 M3(标)=5.898 koml 出低温变换炉 CO 的量：146.605-132.11=14.495 M3(标)=0.64722koml 出低温变换炉 H2 的量： 3135.353+132.11=3267.463 M3(标)=145.869koml出低温变换炉 H2O 的量：1799.73-132.11=1667.62 M3(标)=74.45koml出低温变换炉 CO2 的量: 891.26 +132.

28、11=1023.37 M3(标)=45.68koml出低变炉的湿组分：表 2-21组 分含量CO214.4CO0.2H245.98N215.68CH40.26H O223.47合计100M3(标)1023.3714.4953267.4631113.918.761667.627105.62koml45.680.64722145.86949.720.83874.45317.22出低变炉的干组分：表 2-22组 分含量CO218.82CO0.27H2N2CH460.0820.480.35合计100M3(标)koml1023.3745.6814.4950.647223267.463145.869111

29、3.9 18.7649.72 0.8385437.99242.767对出低变炉的变换气温度进展估算：依据：K= H2CO2/H2OCO 计算得 K=141.05查小合成氨厂工艺与设计手册知当 K=141.05 时 t=223 设平均温距为 20，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：t=223-20=2032.2.3. 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：181出低变炉催化床层的变换气温度为：203变换气反响放热 Q1:在 203时，T=476K计算变换气中各组分的生成焓，原理与计算一段床层一样，平均温度为：476K,计算结果如下：表 2-23组分H2H2OCOCO2Ht

30、1241.51kcal/kmol6-56347.304-25178.916-92311.594HtkJ/kmol 5197.97-2359149.08-105419.08-386490.187441放热：CO +H2O=CO2+H21H1=Hi始Hi末=-39958.286 kJ/kgQ1=5.898*39958.286=235687.29 kJ/kg气体吸热 Q2：气体吸热时的平均温度：181+203/2=191.5，T=464.5K依据物理化学知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热容,热容的单位为 kJ/kmol.表 2-24物质COH2

31、H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-CH 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：4物质abcdCH417.4560.461.17-7.2表 1-2-7计算结果：表 2-25组分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.129.0344.3935.1329.8545.05Cpm=Yi*Cp =32.86kJ/kmol.Q2=33.61*317.22*203-181=230669.84kJ热损失 Q3=Q1-Q2=235687.29-230669.84=50

32、17.45 kJ2.2.4. 低变炉催化剂平衡曲线依据公式 X = U - q 100PV=KPAB-CDU 2 - 4WVq=2 AWPU=K A+B+C+DW=KP-1其中 A、B、C、D 分别代表 CO、CO2、CO2 及 H2 的起始浓度表 2-26t160180200220240260280T433453473493513533553Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.82290.76低变炉催化剂平衡曲线如下：图-41.210.80.6低变炉平衡曲线p X率化转 0.40.20160180200220240温度 2602802.2.5. 最正确温度曲线

33、的计算由于低变炉选用 B302 型催化剂。查小合成氨厂工艺技术与设计手册B302 型催化剂的正反响活化能分别为 E1=43164kJ/komlCO 变化反响的逆反响活化能 E2 为：E2- E1=r*(-H)对于 CO 变换反响 r=1，则 E2=(-H) + E1H 为反响热，取其平均温度下的值，即：181+203/2=192，T=465KCO 的反响式为： CO +H2O=CO2+H2反响热是温度的函数，不同温度下的反响热可以用以下公式计算：H=-1000-0.291*T+2.84510-3*T2-0.97.310-3T3得：H=-9422.62 kcal/kmol=-39450.653

34、kJ/kmol E2 =39450.653+43164=82614.653 kJ/kmol2.2.6. 最适宜温度曲线T由式 Tm=RT e1 + E-eEln2进展计算EE211最适宜温度计算列于下表表 2-27Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.82290.76T402421440457475493510t129148167184201220237将以上数据作图即得最适宜温度曲线如以下图-51.21Xp 0.8率 0.6化转 0.40.20 最适宜温度曲线129 148 167 184 201 220 237温度 2.3 废热锅炉的热量和物料计算2.3.1.

35、 条件：进废热锅炉的转化气组份：表 2-28组份CO2COH2N2CH4O2H2O合计7.548.9743.7617.720.290.2621.7100M3(标474563.82750.1113.18.716.21364.6285.)7689695575koml21.1625.17122.749.730.830.7260.91280.6139888714进废热锅炉的温度为：925 出废热锅炉的温度为：335 进出设备的水温：20出设备的水温：335进出设备的转化气湿：168.3koml进出设备的水量：X koml物量在设备里无物量的变化。2.3.2. 热量计算：（1） 入热： 水的带入热 Q1水在 20时 Cp=33.52 kJ/kmol.Q1=X*20+273*33.52=9821.36X转化气的带入热 Q2：转化气在 925时 T=1193K依据物理化学知 CO, H, H O, CO , N，可用公式： Cp=a+b+CT-2来计算热容。2222热容的单位为 kJ/kmol.表 2-29物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-CH 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：4物质CH4a17.45b6