年产三万吨合成氨厂变换工段工艺设计

1、精品文档毕业设计任务书一设计要求：1. 进行工段工艺流程设计，绘制带主要控制点的工艺流程图。2. 进行工段物料计算、热量计算，并绘制物料衡算表、热量衡算表 。3. 进行工段设备设计、选型，制备设备一览表。4. 编写工段工艺初步设计说明书。5. 绘制主要设备结构图和工艺流程图设计原始数据：以在某化工厂的实际数据为原始数据组 分CO2COH2N2O2CH4合计含量，9.6011.4255.7122.560.330.38100。1欢迎下载精品文档目录4前言41.42.43.54.55.6第一章物料与热量衡算7172CO8394.1051161771781992310.241129122913.301

2、43115.34163417.36第二章设备的计算371.372.42649 50。1欢迎下载精品文档第一章物料与热量衡算已知条件：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 ）=2920.31 M3( 标)因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取2962.5 M 3( 标 )年产 3 万吨合成氨生产能力（一年连续生产330 天）：日生产量： 30000/330=90.9T/d=3.79T/h要

3、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：组 分COCOHNOCH合计22224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P中 =1.75Mpa.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） =3.53标 )，n( 水 )

4、 =52.862kmolV 水 =1184.113m(因此进中变炉的变换气湿组分组 分COCOHNOCHH O合计222242含量6.868.1639.8016.120.240.2728.56100M3( 标)284.42338.321650.42668.349.7711.21184.14146.6162。2欢迎下载精品文档kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.12。3欢迎下载精品文档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+H2OH2+CO2

5、，则 CO的实际变换率公式为：YaYa×100（2-1 ）X =pYa 1Ya式中 Ya 、 Ya' 分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）所以： Xp= 8.166.0410010028.16=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：H2 O =28.56 -6.04 +0.48 =23CO=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） =

6、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。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。4欢迎下载精品文档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=U q ×1002 AWV=KPAB-CDq=U 24WVU=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：t300320340360380400T5735936136336536

7、73Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：pX率化转OC1009080706050403020100300350400450500温 度（）。5欢迎下载精品文档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 TmTe进行计算。RTelnE21E1E1E2查 3000 吨合成氨厂工艺和设备计算C 型催化剂的正负反应活化能分别为6E1=10000 千卡 / 公斤分子， E2=19000 千卡 / 公斤分子。最适宜温度计算结果列于

8、下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：10.90.80.7pX0.6率化 0.5转OC0.40.30.20.10250270290310330350370390410

9、430450温 度（）。6欢迎下载精品文档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：组 分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量6.868.1639.816.120.270.2428.561003284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61M(标)kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.125.1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 完全反应掉故在一段

10、催化床层反应掉的CO的量为：60× 338.318=202.9908 M 3 ( 标 )=9.062kmol出一段催化床层的CO的量为：3338.318-202.9908=135.3272 M( 标 )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=1833.8478 M 3 ( 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=487.3908 M 3( 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+

11、1833.8478+668.34+11.258=3136.1638 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= 135.3272 =4.31%3136.1638。7欢迎下载精品文档同理得：487.3908CO2=15.54%1833.8478H2 =58.47%487.3908CO2=15.54%668.34N 2 =21.13%11.258CH4=0.35%所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH2N2CH4合计含量15.544.3158.4721.130.35100M3( 标)487.39135.331833.84668.3411.25313

12、6.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的 H2O的量为：1184.113-202.9908+2 ×9.776=1000.6742 M 3 ( 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=4136.838 M3( 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=1000.6742 =24.19%4136.838故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的含量CO

13、2=115.54%=11.78 0.1554同理可得：CO=0.0413=3.27 10.0413H2 =0.5847=44.33 10.5847N2 =0.2113=16.16 10.2131。8欢迎下载精品文档CH4 =0.0035=0.27 100035所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（）：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3( 标)487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2

14、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

15、-35 =4155.3 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：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，HO，O，H 这 4 种物质会发生以下2 种222反应：CO +HO=CO+H（1）222O +2H2=2H2O（ 2）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。9欢迎下载精品文档式为：HT= H0298=Cpdt式中：H T 气体在T；在 TK的统一基准焓， kcal/kmol(4.1

16、868kJ/kmol)298 H0298 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+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(5-1)式中常数 a0、a1、 a2、 a3 、a4 与

17、气体特性常数及标准生成热的关系为：a 1=A0,a2=A1/2,a3=A3/4,a4=A3/401298.162×a2 298.1634×a4a0=H298298.16a×a3298.16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(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 ）;ni 始态或末态气体的千摩尔数，kmol；Hi 始态温

18、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。10欢迎下载精品文档气体统一基准焓（通式）常数表5-1.1分 子a 0a 1a2a 3a 4式O32.15675 37 101.90318 ×10×10-7.40499 ×101.08808 ×1025.802982-2.11244 ×1037.20974-5.55838×1044.8459 × 107-8.18957×10 11HH2O-6.0036 ×1047.11092

19、1.29319×1031.28506× 107-5.78039 ×10 112-1.97673 ×1036.459035.18164×10 42.03296× 10 7-7.65632×10 11NCO-2.83637 ×1046.266278.98694×1045.04519× 109-4.14272 ×10 11CO2-96377.888676.3965.05 × 103-1.135 × 1060.00计算 O2 的基准焓：根据基准焓的计算通式：Ht=a0 +a

20、1×T+a2×T2+a3 ×T3+a4×T4在 415时 T=415+273=683K将 O2 的常数带入上式得：Ht=1.90318 ×103+5.80298×683+2.15675×103×6832-7.40499 ×107×6833+1.08808×10 10×6834=6699.742kcal/kmo=28050.412 kJ/kmol同理根据以上方法计算可得变换气的各个组分的基准焓列于下表组分O2H2H 2 OCOCO 2Ht（ kcal/kmol） 6699.74

21、22724.221-54502.665-23634.754-89956.678Ht （ kJ/kmol ） 28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6202放热：CO +H2O=CO2+H2（1） H1=（ Hi ）始 （ Hi ）末 =-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/kmolQ1=9.062 ×（-38079.10484 ）=-345072.8481kJO2+2H2=2H2O（ 2）。11欢迎下载精品文档Q2= H2=（ ni × Hi

22、）始 （ ni ×Hi ） 末=-221354.6179kJ气体反应共放热：Q=Q1+Q2=345072.8481+221354.6179=566427.4659kJ气体吸热 Q3-2根据物理化学教程知CO, H 2, H 2O, CO2, N 2 ，可用公式： Cp=a+b+CT来计算热容，热容的单位为kJ/ （ kmol.T ）表 5-1.2物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10 -34.13.2610.719.044.27c/10 5-0.460.5020.33-8.53-23来计算热容 :CH4 可用公式： Cp=a+b+CT+dT

23、表 5-1.3物质a-3-6-9b/10c/10d/10CH417.4560.461.117-7.2计算结果得：物质COCOH2H ON2CH224Cp3148.229.637.230.756.1所以平均热容：Cpm= Yi*Cp=34.06KJ/ （kmol.T ）所以气体吸热Q3=34.06×184.68 ×(415-330)=534667.068kJ假设热损失 Q4（一般热损失都小于总热量的10%）根据热量平衡的：Q= Q3 +Q4Q4=31760.979 kJ6 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：。12欢迎下载精品文档中变炉入口气体

24、温度330中变炉出口气体温度415中变炉入口 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：1009080p70X60率化 50转40OC3020100300350400450温 度（）7中间冷凝过程的物料和热量计算：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： 184.68koml设冷凝水的流量： X kg变换气的温度： 415冷凝水的进口温度： 20进二段催化床层的温度：353操作压力： 1750kp冷凝水吸热1：据冷凝水的进口温度20查化工热力学可知1Qh=83.96kJ/kg根据化工热力学可知：T/KP/kPaH/(kJ/kg)600160

25、03693.260018003691.7。13欢迎下载精品文档70016003919.770018003918.5冷凝水要升温到353，所以设在 353, 626K,1750kp时的焓值为 h对温度进行内查法：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再对压力使用内查法得在353, 626K,1750kp时的焓值 h 为：(1750-1600)/(h-3752.

26、09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kJ/kgQ1= X( 3813.244875-83.96)变换气吸热 Q2根据表 5-1.2 和表 5-1.3 得：物质COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以 Cpm= Yi*Cp=33.92 kJ/ （kmol.T ）Q2=184.68 ×33.92 ×(415-353)=388389.4272 kJ取热损失为 0.04 Q 2根据热量平衡： 0.96 Q 2= X(3751.0235-83.96)X=101.676kg=5.649 kmol3标

27、)=126.53 M(3标)水的量为： 126.53+1000.6742=1127.2042 M(=50.3261 kmol所以进二段催化床层的变换气组分：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计。14欢迎下载精品文档含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3( 标)487.39135.321833.84668.3411.261127.204263.37kmol21.766.04181.8729.830.5050.32190.338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床层的变换气干组分：组 分COCOHNCH合计2224含量15.544

28、.3158.4721.130.35100M3( 标)487.39135.321833.84668.3411.263136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.018.1 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0.74 （总转化率）所以在 CO的变化量为：3338.318 ×0.74=250.35532 M( 标 )=11.7658 kmol在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为：3135.3272- （338.318-250.35532 ） =47.36452 M( 标)=2.11 kmol出中变炉二段催化床层的CO的量为：135.

29、3272-47.36452=87.96268 M 3 ( 标 )=3.9269 kmol故在二段催化床层反应后剩余的CO2的量为：487.3908+47.364528= 534.75532M 3( 标)=23.873 kmol故在二段催化床层反应后剩余的H2 的量为：1833.8478+47.36452= 1881.21232M 3 ( 标 )=83.9826 kmol。15欢迎下载精品文档所以在二段催化床层反应后的变换气总量：V 总（干） =87.96268+534.75532+1881.21232+668.34+11.258=3183.528 M3 ( 标 )=142.1218 kmol所

30、以出中变炉二段催化床层的变换气干组分：组 分CO2COH2N2CH4合计含量16.792.7659.0920.990.35100M3( 标)534.7587.961881.21668.3411.263183.53kmol23.873.9383.9829.830.50142.12故在二段催化床层反应后剩余的H2O的量为：1127.2042-47.36452= 1079.84M 3 ( 标 )=48.207 kmol故出中变炉二段催化床层的变换气湿组分中CO的含量：CO= 87.96264263.37=2.06%同理得：CO2= 534.755324263.37=12.54%H2 =1881.21

31、2324263.37=44.125%N2= 668.344263.37=15.67%CH4= 11.2584263.37=0.26%H2O= 1079.844263.37=25.33%所以出中变炉的湿组分：。16欢迎下载精品文档组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3( 标)534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.32kmol23.873.9383.9829.830.5048.21190.33对出中变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：根据： Kp= （H2× CO2）

32、/ （H2O× CO）计算得 Kp=10.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当Kp=10.6 时 t=409 设平均温距为44，则出中变炉一段催化床层的变换气温度为：409 -44 =3658.2 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：353出中变炉二段催化床层的变换气温度为：365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 632K 时的生成焓。计算结果如下：组分H2H2OCOCO2Ht（ kcal/kmol）2373.4-54949.05-24005.565-9053

33、6.421Ht（ kJ/kmol）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放热：CO +HO=CO+H（1）222 H1=（ Hi ） 始（ Hi ）末 =-38553.74846 kJ/kg所以得：Q1=2.11*38553.74846=81348.40955 kJ/kg气体吸热 Q2：-2根据物理化学教程知 CO, H 2, H 2O, CO2, N 2 ，可用公式： Cp=a+b+CT来计算热容。热容的单位为 kJ/ （ kmol.T ）。17欢迎下载精品文档表 5-1.2物质COHHOCON2222a28.4127.283044.1427.87b/10

34、-34.13.2610.719.044.275-0.460.5020.33-8.53-c/1023CH可用公式： Cp=a+b+CT+dT 来计算热容 :4物质ab/10 -3c/10 -6d/10 -9CH417.4560.461.117-7.2计算结果：组分COHCOH ONCH22224Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72所以得： Cpm= Yi*Cp=33.61 KJ/ （ kmol.T ）故： Q2=33.61 ×190.33 ×（ 365-353）=76763.46kJ热损失：Q3=Q1-Q2=4584.95 kJ9中变二段催化剂操作线

35、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353中变炉出口气体温度365中变炉入口 CO变换率60%中变炉出口 CO变换率74%。18欢迎下载精品文档pX80706050率化 40转OC3020100352354356358360362364366温 度（）所以中变炉的操作线如图：pX10090807060率化转OC50403020100300325350375400425温度（）。19欢迎下载精品文档中变换炉物料量平衡表组分进中变换炉的物料量/m3出一段催化床层的物料量/m3CO284.42487.392CO338.32135.33H1650.421833.842N26

36、68.34668.34O29.77CH11.2611.264H2O1184.121000.67合计4146.614136.92组分进二段催化床层的物料量/m3出二段催化床层的物料量/m3CO487.39534.762CO135.3287.96H21833.841881.21N2668.34668.34CH11.2611.264H2O1127.201079.84合计4263.324263.32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 /kJCO反应： 345072.8482534667.06831760.979O 反应： 221354.6179总热量： 566427.465

37、9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。20欢迎下载精品文档81348.4095576763.464584.9510. 低变炉的物料与热量衡算已知条件：进低变炉的湿组分：组 分COCOHNCHH O合计22242含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3( 标)534.7687.961881.21668.3411.261079.844263.37kmol23.873.9383.9829.840.5048.21190.33所以进低变炉催化床层的变换气干组分：组 分COCOHNCH合计2224含量16.792.7659.0920.99

38、0.35100M3( 标)534.7687.961881.21668.3411.2583183.53kmol23.873.9383.9829.830.503142.1210.1 低变炉的物料衡算要将 CO降到 0.2 （湿基）以下，则CO的实际变换率为：X p = YaYa×100=90.11Ya 1Ya则反应掉的 CO的量为：87.96268 ×90.11 =79.264 M3( 标)=3.539 kmol出低温变换炉CO的量：387.96268-79.264=8.69868 M( 标)出低温变换炉H2 的量：31881.21232+79.264=1960.475 M ( 标)。21欢迎下载精品文档出低温变换炉H2O的量：1079.84-79.264=1000.576 M 3( 标)=44.67 kmol出低温变换炉CO2 的量 :534.75532 +79.264=614.019 M 3 ( 标 )=27.41 kmol出低变炉催化床层的变换气干组分的体积：V 总（干） =8.69868+1960.475+614.019+668.34+11.258=3262.794 M3 ( 标 )=145.66 kmol故出低变炉催化床层的变换气干组分中CO的含量：8.69868CO=0.266%同理得：614.019CO2=18