年产15万吨合成氨工艺本科设计 精品.doc

年产十五万吨合成氨工艺设计引言氨是重要的无机化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。因此设计一套年产15万吨合成氨的生产工艺流程，主要采用中串低变换的生产工艺进行分析，对现有工艺进行优化改进，提高产品质量，增大产品产率，为年产15万吨合成氨一氧化碳变换生产工艺设备的投产提供理论上的支持。通过对现有资料中合成氨生产工艺的分析研究及比较并在广泛查阅国内外相关文献的基础上，选择采用通过以天然气为原料合成氨的生产。结合生产要求及标准，利用所学专业知识对现有工艺进行优化，确定设计所用的天然气原料及设备类型，利用化工原理中所涉及的物料衡算等相关知识，得出设备所需的具体参数及最佳操作条件，计算所用物料量及所得产品产量，确定设备规格进行设备的设计以得到最佳产品，并根据整个工艺要求及特点进行合理设计。 结合自己所学专业知识，并参考万方数据库、中国知网、维普等数据库中所查资料的论证，得该工艺方法可行，并在老师的指导下后期的设计等工作可以顺利完成，手工工艺流程图、CAD图也能符合设计要求。通过物料衡算和热量衡算等具体计算，进而得到该工艺的主要设备参数，画成设备图纸及带控制点的工艺流程图纸，并提交设计说明书一份，顺利完成年产15万吨合成氨变换工段生产工艺的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，主要用来生产氮肥，还有少量用于制造硝酸、纯碱、含氮无机盐、制药、氨基塑料、聚酰胺、丁腈橡胶等产品，亦广泛用于制冷冻剂。因此根据我国合成氨生产能力和产量的需求，提高合成氨的自动化生产水平，在现有工艺条件下，发挥优化控制的优势，使整个生产长期运行在最佳状态下，同时，优化系统的应用还能节约原材料消耗，降低能源消耗，提高产品的合格率，增强产品的市场竞争能力，以确保我国合成氨市场健康有序的发展。第一章 综述1.1 氨的性质、用途及重要性1.1.1 氨的性质氨分子式为NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。人们在大于100cm3/m3氨的环境中，每天接触8小时会引起慢性中毒。氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放出大量的热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨和干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具有可燃性，自然点为630，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐。1.1.2 氨的用途及在国民生产中的作用氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。合成氨指由和在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。世界上的氨除少量从焦炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。氨主要用于农业，合成氨是我化肥工业的基础，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分均占70的比例，称之为“化肥氨”1； 同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、染料、炸药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30的比例，称之为“工业氨”。氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产2。液氨常用作制冷剂。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80的氨用来生产化学肥料，20作为其它化工产品的原料。氨作为最为重要的基础化工产品之一，同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10的能源用于合成氨。1.2合成氨一氧化碳变换工序的工艺原理1.2.1 合成氨的工艺流程简单介绍合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的制备、净化和压缩和合成。(1)原料气制备 将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。(2)净化对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括脱硫过程、变换过程、脱碳过程以及气体精制过程。脱硫过程：各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。 一氧化碳变换过程3：在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为1240。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下：CO+H2OH2+CO2 H=-41.2kJ/mol；由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是中温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3左右。因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。 脱碳过程：粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。 气体精制过程:经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-100)条件下用液氮吸收分离少量CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/ m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。甲烷化反应如下：CO+3H2CH4+H2O H=-206.2kJ/mol；CO2+4H2CH4+2H2O H=-165.1kJ/mol；(3)氨合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有1020，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：N2+3H2 2NH3 H=-92.4kJ/mol；1.2.2合成氨变换工序的工艺原理变换工序是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程4。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。目前，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为1240，合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换工段主要利用CO变换反应式：CO+H2OCO2+H2 H 298=-41.20kJ/mol在不同温度下分两步进行，第一步是中温变换（简称中变）使大部分CO转化为CO2和H2，第二步是低温变换简称低变，将CO含量降到0.3左右。因此，CO变换既是原料气制造的继续，又是净化的过程。一氧化碳变换反应式为：CO + H2O CO2 + H2 +Q (1-1)CO + H2 C + H2O (1-2)其中反应（1-1）是主反应，反应（1-2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应（1-1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。有氧存在时，变换过程中还包括下列反应式：H2 + O2 = H2O +Q一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。每反应1（体积、湿基）的CO，可使气体温度升高1112，生产上对于变换反应进行的程度常用变换率来表示：变换率=（Vco- Vco）/ Vco（100+ Vco）100上式中Vco转化气CO体积百分数，Vco变换气中CO体积百分数从制氢和净化的角度考虑，最终变换率越高越好，如果气体中CO含量高，在甲烷化过程中消耗大量的氢。一个体积的CO需要水消耗三个体积的氢而生成甲烷，CH4在合成氨中是惰性气体，它会降低合成的有效压力，增大驰放气量和冷冻量的消耗，所以要求有较高的变换率5。一般将低变出口气（CO）浓度降至0.20.3左右即可。1.3工艺条件综合对反应热力学、动力学及催化剂的讨论并考虑工艺的其它特点，变换过程工艺条件综述如下：1.3.1 压力压力对变换反应的平衡几乎没有影响。但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。单就平衡而言加压并无好处。但从动力学角度，加压可提高反应速率。从能量消耗上看，加压也是有利。由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定6。一般小型氨厂操作压力为0.71.2MPa,中型氨厂为1.21.8Mpa，以天然气为原料的大型氨厂变换压力由蒸汽转化的压力决定7。本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取1.75MPa。 1.3.2 温度变化反应是可逆放热反应。从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的。因而存在着最佳反应温对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为Tm=式中Tm、Te分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。1.3.3汽气比水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料气（摩尔比）.改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡变换率，从而有利于降低CO残余含量，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分Fe3O4的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，水蒸汽比例过高，将造成催化剂床层阻力增加；CO停留时间缩短，余热回收设备附和加重等，所以中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：H2O/CO=35，经反应后，中变气中H2O/CO可达15以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求8。1.4工艺流程确定工艺流程设计的依据，首先是原料气中CO含量。CO含量高则采用中（高）温变换。目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低4种工艺。本设计是以天然气蒸汽转化法制氨，CO含量是12.4，由于原料气中CO含量较低，选用中串低工艺，即中变催化剂只需配置一段。而后变化气经主换器冷却后进入低变炉。1.4.1流程工序简述由二段转化炉来的转化气，经转化气废热锅炉换热，在废热锅炉中变换气从910降到310，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间，并且调温至300370后进入中温变换炉，转化气中的CO和H2O在350450和铁催化剂的作用下，反应生成CO2和H2，使CO3（干基）以下，在降温至200250后，进入低温变换炉，在此温度和铜催化剂的作用下，进一步进行CO的变换反应，是低变出口气体中CO0.3，再进入甲烷化工段9。 1.4.2主要设备的选择说明中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。低变炉选用B302Q型催化剂。以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的CO浓度。第二章 物料与热量衡算2.1已知条件天然气成分：原始数据表2.1中变炉进口干气含量(基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4合计含量,9.012.454.423.540.220.44100 年工作日330天,其余数据自定。中变炉进口干气含量如表2.1所示计算基准：1吨氨计算生产1吨氨需要的变换气量：（1000/17）22.4/（20.2354）=2798.74Nm3因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取2870.5 Nm3年产150000吨合成氨生产能力（一年连续生产330天）：日生产量：150000/330=454.55T/d=18.94T/h要求出中变炉的变换气干组分中CO小于3。进中变炉的变换气干组分：表2.2中变炉进口干气体组成(基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4合计含量,9.012.454.423.540.220.44100Nm3258.345355.9421561.552675.7166.31512.6302870.5kmol11.53315.89069.71930.1660.2820.564128.154假设进中变炉的变换气温度为315，取变化气出炉与入炉的温差为65，出炉的变换气温度为380。进中变炉干气压力=1.75MPa.2.2 中变炉的物料与热量衡算2.2.1 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=3.5故V（水）=3.5Vco=3.5355.942=1245.797Nm3 ，n(水)=55.616kmol因此进中变炉的变换气湿组分表2.3 中变炉入口湿气组成(基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量,6.288.6537.9316.420.150.3130.26100Nm3258.345355.9421561.522675.7166.31512.6301245.7974116.297kmol11.53315.89069.71930.1660.2820.56455.616183.772.2.2 中变炉CO的实际变换率的求取 要求变换气中CO含量为3，故根据变换反应：CO+H2OH2+CO2，则CO的实际变换率公式1为：Xp=100% 式中、分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（干基）Xp=(12.4-3)100/（100+3）12.4100%=73.602.2.3 中变炉的物料衡算 已知：进中变炉的变换气湿组分 如表2.3所示CO的实际变换率为73.60%.则反应掉的CO的量为：355.94273.60%=261.973 Nm3=11.695kmol 出中变炉的CO的量为： 355.942-261.973=93.969 Nm3=4.195kmol则反应后出中变炉的各组分的量分别为： H2: 1561.522+261.973=1823.495 Nm3=81.406kmol CO2: 258.345+261.973=520.318 Nm3=23.228kmol故出中变炉的变换气干组分的量：V总（干）=93.969+1823.495+520.318+675.716+6.315+12.630=3132.443 Nm3 =139.841kmol故出中变炉的变换气干组分中CO的含量：CO=（93.9693132.443）100=3.00同理得：CO2=（520.3183132.443）100=16.61H2=（1823.4953132.443）100=58.21 N2=（675.7163132.443）100=21.57Ar=（6.3153132.443）100=0.20CH4=（12.633132.443）100=0.41出中变炉的变换气干组分：表2.4 中变炉出口干气组成( 基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4合计含量,16.613.0058.2121.570.200.41100Nm3520.31893.9691823.495675.7166.31512.6303132.443kmol23.2284.18581.40630.1660.2820.564139.831剩余的H2O的量为：1245.797-261.973=983.824 Nm3=43.921kmol故出中变炉的变换气湿组分的体积：V总（湿）=V总（干）+V（水）=3132.443+983.824=4116.267Nm3=183.762kmol故出中变炉的变换气湿组分中H2O的含量 H2O=（983.8244116.267）100=23.90故出中变炉的变换气湿组分中CO2的含量 CO2=（520.3184116.267）100=12.64同理可得： CO=（93.9694116.267）100=2.28 H2=（1823.4954116.267）100=44.30 N2=（675.7164116.267）100=16.42 CH4=（12.634116.267）100=0.31 Ar=（6.3154116.267）100=0.15出中变炉的变换气湿组分的含量（）：表2.5 中变炉出口湿气组成( 基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量,12.642.2844.30 16.420.150.3123.90100Nm3520.31893.9691823.495675.7166.31512.630983.8244116.267kmol23.2284.19581.40630.1660.2820.56443.921183.762表2.6 中变炉物料衡算汇总表(基准：18.94tNH3/h)设备中变炉物料入口气体组成出口气体组成组分kmol/ hNm3/hV%kmol/hNm3/hV%CO2218.4354893.0546.28439.9389854.82312.64CO300.9576741.5428.6579.4531779.7732.28H21320.47829572.22737.931541.88634536.99544.30N2571.34412798.06116.42571.34412798.06116.42Ar5.341119.6060.155.341119.6060.15CH410.682239.2120.3110.682239.2120.31H2O1053.33723595.39530.26831.86418633.62723.90合计3480.57477959.1341003480.50877962.0981002.2.4 对出中变炉的变换气的温度进行估算已知出中变炉的变换气湿分的含量（）如表2.5所示中变炉出口的平衡常数10：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）计算Kp=（44.3012.64）/（23.902.28）=10.3得Kp =10.3查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=10.3时t=415设平衡温距为35，则出中变炉的变换气温度为：415-35=3802.2.5 中变炉的热量衡算 已知条件：进中变炉催化床层的变换气温度：315 出中变炉催化床层的变换气温度：380 入热：反应放热Q：在变换气中含有H2 、CO、CO2、H2O，这四种物质会发生以下反应：CO+ H2O= H2+ CO2 该反应是放热反应.反应取（315+380）/2=347.5时的热效应，由小合成氨厂工艺技术与设计手册 表4-2表4-3查得H2 、CO、CO2、H2O的生成焓，见下表：表2.7 347.5时的生成焓 (单位(kJ/kmol)组分H2COCO2H2OHt9646-100810-379492-230425放热： CO +H2O=CO2+H2 （1-1）H1=（Hi）始（Hi）末=-379492 +9646+100810+230425=-38611kJ/kmol Q1=11.695（-38611）=-451555.645kJ则气体反应共放热：Q=Q1=451555.645kJ气体吸热Q2变换气在347.5时各组分的比热容，由小合成氨厂工艺技术与设计手册查得，见于下表，热容的单位为kJ/（kmolK）得Ar的热容为21 .02 kJ/（kmolK）表2.8 347.5时的比热容 (单位kJ/（kmolK）)物质COCO2H2H2ON2CH4ArCP30.947.629.537.430.854.321.02平均热容： Cpm=YiCp计算结果列于下表：Cpm=30.90.0228+47.60.1264+29.50.4430+37.40.2390+30.80.1642+54.30.0031+21.020.0015=33.99 kJ/（kmolK）气体吸热Q2=33.99183.762(380-315)=405994.575kJ假设热损失Q3（一般热损失都小于总热量的10）根据热量平衡得： Q= Q2+ Q3则Q3=451555.645-405994.575=45561.07 kJ2.2.6 中变炉催化剂平衡曲线 根据H2O/CO=3.5，由文献小合成氨厂工艺技术与设计手册上的公式XP =100 U= KP(A+B)+(C+D)q=V=KPAB-CD W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、H2O、CO2及H2的起始浓度例：计算380时CO的平衡变化率。解：查文献小合成氨厂工艺技术与设计手册，380时KP =14.685，而CO、H2O、CO2及H2的起始浓度如表2.3所示：U=14.685（8.65+30.26）+（6.28+37.93）=615.603V=14.6858.6530.26-6.2837.93=3605.584W=14.685-1=13.685q=426.143XP=0.8003表2.9 各温度下的平衡转化率T/300320340360380400420440T/K573593613633653673693713Xp0.91530.89150.86420.83370.80030.76430.72640.6869中变炉催化剂平衡曲线如图2.12.2.7 最佳温度曲线的计算 由于中变炉选用B109型催化剂，最适宜温度曲线由式12 或者由式进行计算。查文献小合成氨厂工艺技术与设计手册，可知B109型催化剂的正反应活化能分别为E1=16046kcal/kmol=67156kJ/kmol，CO变换的逆反应活化能E2 为： E2E1=r(-HR)对于变换反应r=1，则E2=(-HR)+ E1HR为反应热，取其平均温度下的值，即（315+380）/2=347.5，由前面的计算可知：HR =H1=38611kJ/kmolE2=67156+38611=105767 kJ/kmol最适宜温度计算结果列于下表中：表2.10 最适宜温度Xp0.91530.89150.86420.83370.80030.76430.72640.6869Tm, K540.15558.3576.4594.4612.2629.8647.3664.7tm, 267.2285.3303.4321.4339.2356.8374.3391.7将以上数据作图即得最适宜温度曲线如图2.1.2.2.8 中变催化剂操作线的计算 由中变炉催化剂变换率及热平衡计算结果知： 中变炉入口气体温度 315 中变炉出口气体温度 380 中变炉入口CO变换率 0 中变炉出口CO变换率 73.60 由此可作出中变炉催化剂反应的操作线见图2.1：. 图2.1 中变炉工艺条件计算图2.3 低变炉的物料与热量衡算 低变气进口物料及组成 同中变炉出口已知条件：进低变炉的湿组分：表2.11 低变炉进口湿气组成(基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量,12.642.2844.3016.420.150.3123.90100Nm3520.31863.9691823.495675.7166.31512.630983.8244116.267kmol23.2284.19581.40630.1660.2820.56443.921183.762进低变炉催化床层的变换气干组分：表2.12 低变炉进口干气组成(基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4合计含量,16.613.0058.2121.570.200.41100Nm3520.31893.9691823.495675.7166.31512.6303132.443kmol23.2284.18581.40630.1660.2820.564139.8312.3.1 低变炉CO的实际变换率的求取 要将CO降到0.3（湿基）以下，则CO的实际变换率3为：p=100%=（2.280.3）100/2.28（100+0.3） 100=86.582.3.2 低变炉的物料衡算反应掉的CO的量为：93.96986.58=81.358 Nm3=3.632kmol出低温变换炉CO的量： 93.969-81.358 =12.611 Nm3=0.563 kmol出低温变换炉H2的量： 1823.495+81.358=1904.853 Nm3=85.038 kmol出低温变换炉H2O的量： 983.824-81.358=902.466Nm3=40.289 kmol出低温变换炉CO2的量: 520.318 +81.358=601.676 Nm3=26.861 kmol出低变炉催化床层的变换气干组分的体积： V总（干）=601.676+12.611+1904.853+675.716+6.315+12.630=3213.801 Nm3=143.473 kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO的含量： CO=（12.6113213.801）100=0.39同理得： CO2=（601.6763213.801）100=18.72H2=（1904.8533213.801）100=59.27N2=（675.7163213.801）100=21.03Ar=（6.3153213.801）100=0.20CH4=（12.6303213.801）100=0.39出低变炉的干组分：表2.13 低变炉出口干气组成(基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4合计含量,18.720.3959.27 21.030.200.39100Nm3601.67612.6111904.853675.7166.31512.6303213.801kmol26.8610.56385.03830.1660.2820.564143.474出低变炉催化床层的变换气湿组分的体积：V总（湿）=V总（干）+V(水)= 3213.801+902.466=4116.267Nm3=183.762kmol故出低变炉催化床层的变换气湿组分中CO的含量： CO=（12.6114116.267）100=0.31同理： CO2=（601.6764116.267）100=14.62 H2=（1904.8534116.267）100=46.28 N2=（675.7164116.267）100=16.41 Ar%=（6.3154116.267）100=0.15 CH4=（12.6304116.267）100=0.31 H2O=（902.4664116.267）100=21.92出低变炉的湿组分： 表2.14 低变炉出口湿气组成(基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量,14.620.3146.2816.410.150.3121.92100Nm3601.67612.6111904.853675.7166.31512.630902.4664116.267kmol26.8610.56385.03830.1660.2820.56440.289183.763表2.15 低变炉物料衡算汇总表(基准：18.94tNH3/h)设备低变炉物料入口气体组成出口气体组成组分kmol/hNm3/hV%kmol/hNm3/hV%CO2439.9389854.82312.64508.74711395.74314.62CO79.4531779.7732.2810.663238.8520.31H21541.88634536.99344.301610.62036077.91646.28N2571.34412798.06116.42571.34412798.06116.41Ar5.341119.6060.155.341119.6060.15CH410.682239.2120.3110.682239.2120.31H2O831.86418633.62723.90763.07417092.70621.92合计3480.50877692.0981003480.47177692.0961002.3.3 对出低变炉的变换气温度进行估算 根据：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）计算Kp=（46.2814.62）/（21.920.31）=99.57得Kp=99.57查小合成氨厂工艺技术与设计手册可知，Kp=99.57时t=241设平均温距为20，则出低变炉催化床层的变换气温度为： t=241-20=2212.3.4 低变炉的热量衡算 已知条件：进低变炉催化床层的变换气温度为：197 出低变炉催化床层的变换气温度为：221变换气反应放热Q1:反应取（197+221）/2=209时的热效应，由小合成氨厂工艺技术与设计手册表4-2表4-3查得H2 、CO、CO2、H2O的生成焓，见于下表：表2.16 205时的生成焓 (单位(kJ/kmol)组分H2H2OCOCO2Hi5376-235696-105235-386211放热： CO +H2O=CO2+H2 （1-1）H1=（Hi）始-（Hi）末=（-105235）+（-235696）-(-386211)+5376=39904kJ/kmolQ1=3.63239904=144931.328kJ气体吸热Q1：气体吸热时的平均温度：（197+221）/2=209，T=482K变换气在205时各组分的比热容，由小合成氨厂工艺技术与设计手册查得，见于下表，热容的单位为KJ/（kmolK）查得Ar的热容为21 .0 kJ/（kmolK）表2.17 205时的比热容（单位：kJ/（kmolK）物质COCO2H2H2ON2CH4ArCp29.943.528.935.530.045.721.0得：Cpm=YiCp=0.003129.9+0.146243.5+0.462828.9+0.219235.5+0.164130+0.001521.0+0.003145.7=32.70kJ/（KmolK）故：Q2=32.70183.763（221-197）=144217.202kJ热损失 ： Q3= Q1- Q2=144931.328-144217.202=714.126 kJ2.3.5 低变炉平衡曲线、最适宜温度曲线及操作线计算 （1）低变炉催化剂平衡曲线根据公式XP=100V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、H2O、CO2及H2的起始浓度表2.18 各温度下的平衡转化率t/140160 180 200 220 240260280T/K413433453473493513533553Xp0.98620.97620.96130.93740.91000.87030.81930.7562低变炉催化剂平衡曲线如图2.2（2）最佳温度曲线的计算由于低变炉选用B302Q型催化剂,查小合成氨厂工艺技术与设计手册，B302Q型催化剂的正反应活化能分别为E1=43338kJ/ kmolCO变化反应的逆反应活化能E2为：E2- E1=r(-H)对于CO变换反应r=1，则E2=(-H) + E1H为反应热，取其平均温度下的值，即：（197+221）/2=209，T=482K由小合成氨厂工艺技术与设计手册表4-2表4-3查得H2 、CO、CO2、H2O的生成焓，见于下表：表2.19 209时的生成焓（单位：kmol）组分H2H2OCOCO2Hi5405-235662-105206-386169放热： CO +H2O=CO2+H2 （1-1）H1=（Hi）始（Hi）末 =(-105206-235662)- 5405+ ( -386169) =39904kJ/kmolE2 =39904+43338=83242kJ/kmol最适宜温度曲线由式Tm= 或者由式进行计算最适宜温度计算结果见于下表中：表2.20 最适宜温度Xp0.98620.97620.96130.93740.91000.87030.81930.7562Tm/K384.1402.6420.8440.6456.9474.9492.6510.2tm/111.1129.6147.8167.6183.9201.9219.6237.2将以上数据作图即得最适宜温度曲线如图2.2（3）低变催化剂操作线计算由低变催化剂变换率及热平衡计算结果知： 低变炉入口气体温度 197 低变炉出口气体温度 221 低变炉入口CO变换率 73.60 低变炉出口CO变换率 86.58低变催化剂操作线见图2.2：图2.2 低变炉工艺条件计算图2.4 废热锅炉的热量和物料衡算2.4. 1物料衡算已知条件：进废热锅炉的转化气组份： 表2.21 进废热锅炉的转化气组成 (基准：1tNH3/h)组 分CO2COH2N2ArCH4H2O合计含量,6.869.4641.4817.950.170.3423.74100Nm3258.345355.9421561.522675.7166.31512.630893.7703764.24kmol11.53315.89069.71930.1660.2820.56439.900168.054进废热锅炉的温度为：910出废热锅炉的温度为：310进出设备的水温：20出设备的水温：310进出设备的转化气（湿）：168.054 kmol进出设备的水量：X kmol在设备里无物料的变化。2.4.2 热量衡算（1） 入热：水的带入热Q2水在20时 Cp=33.52 kJ/（kmolK）Q1=X（20+273）33.52=9821.36X转化气的带入热Q2：转化气在910时T=1183K,变换气在910时各组分的比热容，由小合成氨厂工艺技术与设计手册查得，见于下表，热容的单位为kJ/（kmolK）查得Ar的热容为21 .03kJ/（kmolK）表2.22 910时的比热容（单位：kJ/（kmolK）组分COH2CO2H2ON2CH4ArCm33.2731.254.3342.832.9678.9421.03Cpn=YiCp=33.270.0946+31.20.4148+54.330.0686+42.80.2374+32.960.1795+78.940.0034+21.030.0017=36.197kJ/（kmolK）Q2=36.197168.054（910+273）=7196248.905kJ（2）出热：转化气的带出热Q3：转化气在310时T=583K变换气在310时各组分的比热容，由小合成氨厂工艺技术与设计手册查得，见于下表，热容的单位为kJ/（kmolK）查得Ar的热容为21 .03kJ/（kmolK）表2.23 310时的比热容（kJ/（kmolK）组分COH2CO2H2ON2CH4ArCp30.7629.3847.2536.5530