态或末态气体的千摩尔数，kmol； 9
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）常数表 分子式 O2 H2 H2O N2 CO CO2 a0 1.90318×10 3
a1 5.80298 3
a2 2.15675×10 –3
a3 -7.40499×10 4.8459×10 －7 –7
a4 1.08808×10 –10
-2.11244×10 -6.0036×10 4
7.20974 7.11092
-5.5584×10 1.2932×10 －4
-8.18957×10 -5.78039×10 -7.65632×10 -4.14272×10 0.00 －11 －3
1.28506×10 2.03296×10 5.04519×10 -1.135×10 －7 －11
-1.97673×10 -2.83637×10 -96377.88867 3
6.45903 6.26627 6.396
5.18164×10 8.98694×10 5.05×10 －3 －4 －7 －11 4 －4 －9 －11 －6
计算 O2 的基准焓： 根据基准焓的计算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 在 415℃时 T=415+273=683K 查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表：
组分 Ht（kcal/kmol） Ht（kJ/kmol） O2 6699.742 28050.412 H2 2724.221 11405.77 H2O -54502.665 -228191.759 CO -23634.754 -98953.987 CO2 -89956.67833 -376630.6208 放热：
CO +H2O=CO2+H2 （1）
△H1=(∑Hi)始-（∑Hi）末 =-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759 =-38079.10484kJ/koml Q1=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kJ O2 + 2H2= 2 H2O （2） Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-368924.3632kJ 气体共放热： Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ 气体吸热 Q3： 根据《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.℃） 查表可得： 10
物质 a b/10 c/10 -3
CO 28.41 4.1 -0.46 H2 27.28 3.26 0.502 H 2O 30 10.71 0.33 CO2 44.14 9.04 -8.53 N2 27.87 4.27 -5
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 根据热量平衡的： Q= Q3 +Q4 Q4=52934.965 kJ 5．中变炉催化剂平衡曲线 根据 H2O/CO=3.5，与公式 XP= V=KPAB-CD q= U 2 ? 4WV U=KP（A+B）+（C+D） ，W=KP-1 其中 A、B、C、D 分别代表 CO、CO2、CO2 及 H2 的起始浓度 t 300 320 340 360 380 T 573 593 613 633 653 Xp 0.9012 0.8737 0.8424 0.8074 0.7687 t T Xp 420 693 0.6859 440 713 0.6416 460 733 0.5963 U ?q ×100％ 2 AW 400 673 0.7058
中变炉催化剂平衡曲线如下： 11
1 0.8 转化率 Xp 0.6 中变炉平衡曲线
0.4 0.2 0 250 300 320 340 360 380 400 420 440 460 温度 （℃）
6.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 Te 进行计算。 RTe E2 1+ ln E 2 ? E1 E1
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》C6 型催化剂的正负反应活化能分别为 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： Xp T t Xp T t Xp T t 0.9012 526 253 0.67 638.2 365.2 0.49 702.6 429.6 0.8737 546.8 273.8 0.64 649.4 376.4 0.45 716.6 443.6 0.8424 564.2 291.2 0.61 660.7 387.3 0.8074 581.5 308.5 0.58 671 398 0.7687 598.8 325.8 0.55 681.6 408.6 0.7058 624.5 351.5 0.52 692.6 419.6 将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图： 12
1 0.9 0.8 转化率 Xp
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 253 274 291 309 326 352 365 376 387 398 409 420 430 444 最适宜温度线 温度（℃）
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 中变炉出口气体温度 中变炉入口 CO 变换率 中变炉出口 CO 变换率 335℃ 415℃ 0 60% 由此可作出中变炉催化剂反应的操作线如下： 70 60 50 40 30 20 10 0 330 415 温度 （℃） 转化率 Xp 操作线
8．中间冷淋过程的物料和热量衡算： 此过程采用水来对变换气进行降温。 13
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℃ 进二段催化床层的温度：353℃ 操作压力：1750kp 热量计算： 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 根据《化工热力学》可知 T/k 600 600 700 700 P/kPa 1600 1800 1600 1800 H/(kJ/kg) 3693.2 3691.7 3919.7 3918.5
冷淋水要升温到 353℃，所以设在 353℃, 615K,1750kp 时的焓值为 h 对温度进行内查法： 1600kpa 时 (626-600 )/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h) h=3752.09 kJ/kg 1800kpa 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=3751.0235 kJ/kg Q1= X( 3813.244875-83.96) 变换气吸热 Q2 根据表 5-1.2 和表 5-1.3 的计算方法得： 物质 CO CO2 H2 H 2O N2 CH4 14 Cp 31 48.2 29.6 37.2 30.7 56.1
所以 Cpm= ∑Yi*Cp =33.92 kJ/（kmol.℃） Q2=308.53*33.92*(415-353) 取热损失为 0.04 Q2 根据热量平衡：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 M (标) 组 分 含 量％ M3(标) koml CO2 11.432 812.318 36.265 CO 3.17 225.545 10.068 H2 43.01 3056.413 136.45 N2 15.68 1113. 9 49.73 CH4 0.26 18.76 0.838 H 2O 26.44 1878.67 83.87 合计 100 7105. 61 317.2 2 3
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 的量为：225.545-78.94=146.605 M3(标) 故在二段催化床层反应后剩余的 CO2 的量为： 812.318+78.94= 891.26M3(标) 故在二段催化床层反应后剩余的 H2 的量为： 3056.413+78.94= 3135.353M3(标) 故在二段催化床层反应后剩余的 H2O 的量为： 1878.67-78.94= 1799.73M3(标) 所以出中变炉的湿组分： 组 分 含 量％ M3(标) CO2 12.54 891.26 CO 2.06 146.605 H2 44.125 3135.353 N2 15.67 1113. CH4 0.26 18.76 H 2O 25.33 1799.73 合计 100 7105. 15
9 koml 39.788 6.545 139.971 49.73 0.838 80.345 6 317.2 2
对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算： 根据：K= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％） 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℃=365℃ 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，平均温度为：632K, 计算结果如下： H2 组分 Ht （kcal/kmol） 2373.4 Ht（kJ/kmol） 9936.95 放热： H2O -54949.05 -230060.69 （1） =-38553.74846 kJ/kg CO -24005.565 -100506.5 CO2 -90536.421 -379057.89 CO +H2O=CO2+H2
△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 Q1=3.52*38553.74846=135580.683 kJ/kg 气体吸热 Q2： 根据《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 5-1.2 物质 a b/10-3 c/10-5 CO 28.41 4.1 -0.46 H2 H2O CO2 N2 27.87 4.27 27.28 3.26 0.502 30 10.71 0.33 44.14 9.04 -8.53
CH4 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容： 16
物质 CH4 计算结果： 组分 CO Cp 28.56 a 17.45 H2 29.25
b 60.46 CO2 47.3 H2O 36.78 c 1.17 N2 30.31 d -7.2 CH4 53.72
Cpm=∑Yi*Cp=33.61KJ/（kmol.℃） Q2=33.61*317.22*（365-353）=12789.1kJ 热损失： Q3=Q1-Q2=7641.6 kJ 17 第二节
1.已知条件： 进低变炉的湿组分: 组 分 含 量％ 3 M (标) koml CO2 12.54 891.26 39.788 CO 2.06 146.605 6.545 低变炉的物料与热量计算 H2 44.125 3135.353 139.971 N2 15.67 1113. 9 49.73 CH4 0.26 18.76 0.838
H 2O 25.33 1799.73 80.345 合计 100 7105. 6 317.2 2 进低变炉的干组分：
组 分 含量％ M (标) koml 3
CO2 16.79 891.26 39.788 CO 2.76 146.605 6.545
H2 59.09 3135.353 139.971 N2 20.99 1113.9 49.72 CH4 0.35 18.76 0.838 合计 100 5305.91 236.87
2．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 ％=
Ya ? Ya′ ×100=90.11％ Ya (1 + Ya′ ) 3
则反应掉的 CO 的量为：146.605×90.11％=132.11 M (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)=145.869 koml 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 +132.11=1023.37 M3(标)=45.68koml 出低变炉的湿组分： 组 分 含量％ M (标) koml 3
CO2 14.4 1023.37 45.68 CO 0.2 14.495 0.64722 H2 45.98 3267.463 145.869 N2 15.68 1113.9 49.72 CH4 0.26 18.76 0.838 H 2O 23.47 1667.62 74.45 合计 100 7105.62 317.22 出低变炉的干组分： 组 分 含量％ M (标) 3
CO2 18.82 1023.37
CO 0.27 14.495 0.64722 H2 60.08 3267.463 N2 20.48 1113.9 CH4 0.35 18.76 合计 100 5437.99 koml 45.68 145.869 49.72 0.838 242.767
对出低变炉的变换气温度进行估算： 18
根据：K= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％） 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=203℃ 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℃ 变换气反应放热 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