组份 % m3（标） kmol kg CO2 20.4 978.9 43.7 1922.8 CO 4.9 235.2 10.5 294 H2 41.15 1971 88.06 176.12 N2 14.81 709.6 31.68 887.04 CH4 0.87 41.66 1.86 29.76 H2O 17.77 851.2 38 684 合计 100 4790.3 213.9 3993.7 由《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年,式(4-3-3)计算出各温度下CO的平衡变换率.
查表4-2-6,140℃时KP=1014.23 W=KP-1=1014.23-1=1013.23
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15%
U=KP(A+B)+(C+D)=1014.23(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=1014.23×22.67+61.55=23060.02 V=KPAB-CD=1014.23×4.9×17.77-20.4×41.15=1014.23×87.073-839.46=87469.99
.022?4?1013.23?87472.58?13304.01 q?U2?4WV?23060XP?U?q23054.14?13304.01?100%??100%?98.2% 2AW2?4.9?1013.23查表4-2-6,160℃时KP=589.64
W=KP-1=589.64-1=588.64
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15%
U=KP(A+B)+(C+D)=589.64(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=589.64×22.67+61.55=13428.77 V=KPAB-CD=589.64×4.9×17.77-20.4×41.15=589.64×87.073-839.46=50502.22
.142?4?1013.23?87472.58?13310.11 q?U2?4WV?23054XP?U?q23054.14?13310.11?100%??100%?97.22% 2AW2?4.9?1013.23查表4-2-6,180℃时KP=360.28
W=KP-1=360.28-1=359.28
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15% U=KP(A+B)+(C+D)=360.28(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=360.28×22.67+61.55=8228.9 V=KPAB-CD=360.28×4.9×17.77-20.4×41.15=360.28×87.073-839.46=30532.0
.92?4?359.28?30532.0?4882.88 q?U2?4WV?8228XP?U?q8228.9?4882.88?100%??100%?94.94% 2AW2?4.9?359.28查表4-2-6,200℃时KP=229.9
W=KP-1=229.9-1=228.9
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15% U=KP(A+B)+(C+D)=229.9(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=229.9×22.67+61.55=5274.54 V=KPAB-CD=229.9×4.9×17.77-20.4×41.15=229.9×87.073-839.46=19177.69
.542?4?228.9?19177.69?3199.2 q?U2?4WV?5274XP?U?q5274.54?3199.2?100%??100%?91.99% 2AW2?4.9?228.9查表4-2-6,220℃时KP=152.4
16
W=KP-1=152.4-1=151.4
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15% U=KP(A+B)+(C+D)=152.4(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=152.4×22.67+61.55=3515.88 V=KPAB-CD=152.4×4.9×17.77-20.4×41.15=152.4×87.073-839.46=12431.09
.882?4?151.4?12431.09?2200.11 q?U2?4WV?3515XP?U?q3515.88?2200.11?100%??100%?88.98% 2AW2?4.9?151.4
查表4-2-6,240℃时KP=104.48 W=KP-1=104.48-1=103.48
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15%
U=KP(A+B)+(C+D)=104.48(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=104.48×22.67+61.55=2430.52 V=KPAB-CD=104.48×4.9×17.77-20.4×41.15=104.48×87.073-839.46=8258.23
.522?4?103.48?8258.23=1578.32 q?U2?4WV?2430XP?U?q2430.52?1578.32?100%??100%=84.65% 2AW2?4.9?103.48查表4-2-6,260℃时KP=73.8
W=KP-1=73.8-1=72.8
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15% U=KP(A+B)+(C+D)=73.8(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=73.8×22.67+61.55=1735.8 V=KPAB-CD=73.8×4.9×17.77-20.4×41.15=73.8×87.073-839.46=5586.91
.82?4?72.8?5586.91=1174.5 q?U2?4WV?17335XP?U?q1735.8?1174.5?100%??100%=78.66% 2AW2?4.9?72.8查表4-2-6,280℃时KP=53.53
W=KP-1=53.53-1=52.53
A= CO 4.9% B= H2O 17.77% C= CO2 20.4% D= H2 41.15% U=KP(A+B)+(C+D)=53.53(4.9+17.77)+(20.4+41.15)=53.53×22.67+61.55=1276.1 V=KPAB-CD=53.53×4.9×17.77-20.4×41.15=53.53×87.073-839.46=3822.3
.12?4?52.53?3822.3=899.9 q?U2?4WV?1276XP?T ℃ xP U?q1276.1?899.9?100%??100%=70.22% 2AW2?4.9?52.53160 0.9693 180 0.9504 200 0.9237 220 0.8876 240 0.8411 260 0.7835 280 0.9071 计算得各温度下的CO平衡变换率列于下表 140 0.982 t) B、最适宜温度计算
B302Q的正反应活化能E1=10351 kcal/kmol=43337.57 kJ/kmol，取170℃～250℃的平
均温度210℃下的反应热效应，由《小合成氨厂工艺技术与设计手册》梅安华1995年,图4-2-1
17
一氧化碳变换反应热效应查得，△H=40100 kJ/kmol。
E2= E1+△H=43337.57+40100=83437.57 kJ/kmol 当Te=140℃=140+273=413K时
Tm?Te413 ?8.286?41383437.57RTeE21?ln1?ln83437.57?43337.5743337.57E2?E1E1=
413
1?413?0.000135=391K=118℃
当Te=160℃=160+273=433K时
Tm?Te433?
8.286?43383437.57RTeEln1?ln21?83437.57?43337.5743337.57E2?E1E1433
1?433?0.000135Tm?=408K=135℃
当Te=180℃=180+273=453K时
Tm?453
1?453?0.000135=428K=155℃
当Te=200℃=200+273=473K时
Tm?473
1?473?0.000135=444K=171℃
当Te=220℃=220+273=493K时
Tm?493
1?493?0.000135=462K=189℃
当Te=240℃=240+273=513K时
Tm?513
1?513?0.000135=479K=206℃
当Te=260℃=260+273=533K时
Tm?533
1?533?0.000135=498K=225℃
当Te=280℃=280+273=553K时
Tm?553
1?553?0.000135=516K=243℃
计算得最适宜温度列于表中 T ℃
140 160 180 200 220 240 260 280 18
xP Tm，K TM，℃ 0.982 391 118 0.9693 409 136 0.9504 427 154 0.9237 445 172 0.8876 462 189 0.8411 480 207 0.7835 497 224 0.9071 515 242
C、操作线计算
根据物料及热量计算知： 入催化剂层气体温度 185℃ 出催化剂层气体温度 235℃
入催化剂层CO变换率 (39.8-10.5)/39.8=73.6% 出催化剂层CO变换率 (39.8-2.18)/39.8=94.5%
u) 12.1.5 中间换热器物料及热量计算
(1) 蒸汽过热段
入设备的变换气量 同变换炉一段出气量 出设备的变换气量 同变换炉一段出气量 进出设备的蒸汽量
66.6-7.66-30=28.94kmol=520kg
66.6为中变炉需总蒸汽量,7.66为中变炉内喷水量,30为饱和塔带出蒸汽量,物料在设备内无变化
热量衡算
进出物料温度 进设备的变换气温度 480℃ 进设备蒸汽温度 187℃ 出设备蒸汽温度 370℃ 出设备的变换气温度 t℃
入热
进设备湿变换气带入热Q1
气体在480℃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,计算混合气体的平均比热容.
出一段催化剂层湿气组成 组份 % m3（标） kmol kg 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 CO2的恒压比热容50.8 kJ/kmol℃ CO的恒压比热容31.8kJ/kmol℃ H2的比热容29.5 kJ/kmol℃ N2的比热容31.3 kJ/kmol℃ CH4的比热容60.4 kJ/kmol℃
查《氮肥工艺设计手册》理化数据分册 石油化学工业出版社1977年 H2O饱和水蒸汽的平均定压热容0.523kcal/kg℃=39.4kJ/kmol℃ 平均比热容
CP=50.8×0.1808+31.8×0.082+29.5×0.396+31.3×0.1537+60.4×0.009+39.4×0.1783
19
=9.18+2.6+11.7+4.8+0.54+7.02=35.23kJ/kmol℃ Q1=206.2 kmol×35.84 kJ/kmol℃×480℃=3547299kJ
蒸汽带入热Q2
查《氮肥工艺设计手册》理化数据分册 石油化学工业出版社1977年 1.2Mpa(绝)饱和蒸汽的焓664.9kcal/kg=2783.8 kJ/kg Q2=520kg×2783.8 kJ/kg=1447578 kJ
合计 Q1 +Q2=3547300 kJ+1447578 kJ=4994878 kJ 出热
出设备变换气带出热Q3
设出设备的变换气温度为445℃,
气体在445℃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,计算混合气体的平均比热容.
CO2的恒压比热容50kJ/kmol℃ CO的恒压比热容31.5kJ/kmol℃ H2的比热容29.5 kJ/kmol℃ N2的比热容30.9 kJ/kmol℃ CH4的比热容57.4 kJ/kmol℃
查《氮肥工艺设计手册》理化数据分册 石油化学工业出版社1977年 H2O过热水蒸汽的平均定压热容0.55kcal/kg℃=41.4kJ/kmol℃ 平均比热容
CP=50×0.1808+31.5×0.082+29.5×0.396+30.9×0.1537+57.4×0.009+41.4×0.1783
=9.04+2.58+11.68+4.74+0.52+7.38=35.36 kJ/kmol℃
气体带出热 Q3=(206 kmol×35.95 kJ/kmol℃) ×t=7406.2t 蒸汽带出热 Q4
查《氮肥工艺设计手册》理化数据分册 石油化学工业出版社1977年 1.2Mpa(绝),370℃过热蒸汽的焓753.3kcal/kg=3153.9 kJ/kg Q4=520kg×3153.9 kJ/kg=1640037 kJ 热损失Q5 Q5=59082 kJ
热平衡 Q1 +Q2 =Q3+Q4 +Q5
t?Q1?Q2?Q4?Q53547300?1447578?1640037?59082?7406.27406.2
3354841?59082??４39?Ｃ7406.2即，出蒸汽过热段变换气的温度为439℃
v) （2）半水煤气换热段
物料量
进、出设备变换气量 206.2 kmol
20