合成氨厂变换工段工艺设计
1. 原料气组成：
几种不同原料制得的原料气组成如下 制气原料 煤块、焦碳 石灰碳化煤球 煤块、石灰碳化煤球混烧 气体组成% CO2 8.35 14.16 11.20 CO 30.28 23.54 27.0 H2 38.47 39.90 39.60 N2 21.3 20.8 20.5 CH4 1.2 1.2 1.3 O2 0.4 0.4 0.4 2. 压力
进工段煤气压力0.7~0.8MPa 进工段蒸汽压力1.0~1.2MPa 1、 温度
进系统半水煤气温度35~45℃ 中变炉一段进口温度300℃ 低变炉进口温度180~190℃ 系统出口温度35～45℃
系统出口变换气（干）中CO含量0.8~1.2%
3. 流程
A. 中变串低变流程
a) 物料及热量计算
设变换气进口混合气（半水煤气+再生气）为：3300Nm3/t NH3 原料为：煤块、石灰碳化煤球混烧 混合气（半水煤气+再生气）组成 组份 % m3（标） kmol CO2 11.20 369.6 16.5 CO 27.0 891 39.8 H2 39.60 1306.8 58.3 N2 20.5 676.5 30.2 CH4 1.3 42.9 1.9 O2 0.4 13.2 0.59 合计 100 3300 147.3 以1t NH3为计算基准 设备能力以年产60000t NH3/年，8.33 t NH3/h为基准
12.1.2中温变换炉物料及热量计算 (1)干变换气量及变换率的计算
设氧与氢在变换炉一段催化剂内完全燃烧生成水，由 O2+2H2=2H2O 知，实际参加CO变换反应的半水煤气量为
3300-3V氧=3300-3×13.2=3260.4 m3（标） 则干变换气量应为 V变=V+V·yCO·x
1
式中V——半水煤气体积m3（标）
yCO——混合气中CO含量，体积% CO总变换率为 式中
1（VCO?VCO?100）???100% 1（100?VCO）VCOVCO?3300?27%?27.3%
3260.4变换出口CO设2%
???（27.3?2）?100(100?2)?27.3?100%?90.86%
则V变?3300?(1?90.86%?27.3%)?4119m3(标)
CO变换总量
3300×27.3%×90.86%=819m3（标）=36.57kmol 变换气中CO量
3300×27.3%-819=81.9 m3（标）=3.66kmol
b) (2)总蒸汽比计算
设低温变换炉出口变换气温度为232℃,平衡温距取23℃,t=232+23=255℃ CO变换反应式为 CO+H2O=CO2+H2 设 a b c d 则:a=27.0 c=11.2 d=39.6 CO反应量
3
△CO=27.0×90.86%=24.5NmCO/100干半水煤气
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年,查得255℃时，KP=78.9
KP?pCO2pH2（c??CO）?（d??CO?2?O2）??78.9
pCOpH2O（a??CO）?（b?CO?2?O2）将a、c、d值代入上式求解b=45.2,即:水蒸汽/干半水煤气=45.2/100
上式中O2为煤气中氧的浓度. 需总蒸汽量(包括喷的冷凝水量)
147.3 kmol×45.2%=66.6 kmol=1198 m3（标）
c) (3)中变炉一段催化剂层物料及热量计算
a、入炉蒸汽比（水蒸汽/干半水煤气）计算 设CO在一段催化剂层转化60%，且O2在一段催化剂层与氢完全燃烧而生成水，则CO反应量为：
3
△CO=27.0×60%=16.2NmCO/100干半水煤气 CO总反应量
2
3300?16.2?534.6Nm3?23.9kmol 100 设气体出一段催化剂层温度为480℃, 平衡温距取18℃, 出口气平衡温度为480+18=498℃, 查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年,查得498℃时，KP=4.9, 则: KP?pCO2pH2（c??CO）?（d??CO?2?O2） ?pCOpH2O（a??CO）?（b?CO?2?O2） 将a、c、d、及O2等代入式
KP?（11.2?16.2）?(39.6?16.2?2?0.4）?4.9
（27.0?16.2）?（b?16.2?2?0.4） 解上式得
b=40 即：水蒸汽/干半水煤气=40/100 即:
H2O3300?0.41320???1.48 CO891891H2O/CO=1.48 入炉蒸汽量：
V水=1.48×891=1318.7 m3（标）=58.9 kmol=1060.2kg 入炉湿气组成 组份 % m3（标） kmol kg CO2 8.0 369.6 16.5 726 CO 19.3 891 39.8 1114.4 H2 28.3 1306.8 58.3 116.6 N2 14.6 676.5 30.2 845.6 CH4 0.9 42.9 1.9 28.5 O2 0.28 13.2 0.59 18.9 H2O 28.5 1318.7 58.9 1060.2 合计 100 4619 206.2 3910.2 d) B、平衡变换率计算及出一段催化剂层气体组成
设480℃的CO平衡变换率为xP，查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年,查得480℃时，KP=5.8,则
pCO2pH2（c?axP）?（d?axP?2?O2） KP? ?pCOpH2O（a?axP）?（b?axP?2?O2） 将入炉气有关组份带入上式得: KP?(8.0?19.3xP）?（28.3?19.3xP?2?0.28）?5.78
(19.3?19.3xP）?（28.5?19.3xP?2?0.28）解上式得xP=62.28%
实际变换率为平衡变换率的
60?100%?96.34% 62.28 出一段催化剂层干气体量 3300+534.6-13.2×3=3795 m3（标）
3
出一段催化剂层干气组成 组份 % m3（标） kmol kg CO2 22 834.9 37.3 1641.2 CO 10 379.5 16.9 473.2 H2 48.2 1829.19 81.66 163.3 N2 18.7 709.67 31.68 887.04 CH4 1.1 41.7 1.86 29.76 合计 100 3795 169.4 3194.5
出一段催化剂层湿气组成 出一段催化剂层剩余蒸汽量
1318.7-534.6+13.2×3=822.9 m3（标）
出一段催化剂层湿气组成 组份 % CO2 18.08 834.9 37.3 1641.2 CO 8.2 379.5 16.9 473.2 H2 39.6 1829.19 81.66 163.3 N2 15.37 709.67 31.68 887.04 CH4 0.9 41.7 1.86 29.76 H2O 17.83 823.7 36.77 661.9 合计 100 4618.7 206.2 3856.4 m3（标） kmol kg e) c、热量衡算
计算CO变换反应气体温升 入热
CO反应放热Q1
设气体由300℃升至480℃, 反应取平衡温度390℃的热效应, 由《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年, 图4-2-1一氧化碳变换反应热效应查得△H=38900 kJ/kmol=9291kcal/kmol
Q1=(39.8-16.9) kmol×38900kJ/kmol=890810kJ O2燃烧热Q2
Q2=0.59 kmol×115600 kcal/kmol=68204 kcal=285557 kJ 合计
Q1 +O2=890810kJ+285557 kJ=1176367kJ 出热
设气体温升为△t, 气体在平均温度390℃下查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年,图4-6-1～图4-6-8
CO2的恒压比热容47 kJ/kmol℃ CO的恒压比热容30 kJ/kmol℃ H2的比热容29.0 kJ/kmol℃ N2的比热容30.5 kJ/kmol℃ CH4的比热容53.2 kJ/kmol℃
H2O过热水蒸汽的平均定压热容0.5kcal/kg℃=37.6kJ/kmol℃ 平均比热容
47×0.1808+30×0.082+29×0.396+30.5×0.1537+53.2×0.009+37.6×0.1783 =8.4+2.4+11.3+4.6+0.47+6.7=31 kJ/kmol℃ Q3=206.2 kmol×31 kJ/kmol℃×△t=6392×△t 热损失Q4 设Q4=25816
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Q1+Q2=Q3+Q4
1176367=6392△t+25816
?t?1176367?25816?180℃
6392气体出口温度为t1=300+180=480℃
f) d、一段催化剂平衡曲线计算
根据中变炉一段入口气中蒸汽比（水蒸汽/干半水煤气=0.4）,由下式计算各温度下的平衡变换率: CO+H2O=CO2+H2 设 A B C D
则:A=19.3 B=28.5 C=8.0 D=28.3
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年,表4-2-6,300℃时KP=39.76 W=KP-1
U=KP(A+B)+(C+D) V=KPAB-CD
q?U2?4WV
XU?qP?2AW?100% W=KP-1=39.76-1=38.76
U=KP(A+B)+(C+D)=39.76(19.3+28.5)+(8.0+28.3)=39.76×47.8+36.3=1936.8 V=KPAB-CD=39.76×19.3×28.5-8.0×28.3=21869-226.4=21642.6
q?U2?4WV?1936.82?4?38.76?21642.6?3751194?3355468.7?628
X?q1936.8P?U2AW?100%??6282?19.3?38.76?100%?87.3% 查表4-2-6,320℃时KP=30.17
W=KP-1=30.17-1=29.17
U=KP(A+B)+(C+D)=30.17(19.3+28.5)+(8.0+28.3)=30.17×47.8+36.3=1478.4 V=KPAB-CD=30.17×19.3×28.5-8.0×28.3=16595-226.4=16368.6
q?U2?4WV?1478.42?4?29.7?16368.6?2185666.6?1944589?492
XU?q1478.P?2AW?100%?4?4922?19.3?29.17?100%?84.1% 查表4-2-6,340℃时KP=23.33
W=KP-1=23.33-1=22.33
U=KP(A+B)+(C+D)=23.33(19.3+28.5)+(8.0+28.3)=23.33×47.8+36.3=1151.5 V=KPAB-CD=23.33×19.3×28.5-8.0×28.3=16595-226.4=12606
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