寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計PAGEXVIIIPAGEI摘要本文是關(guān)于以天然氣為原料年產(chǎn)15萬噸合成氨變換工段初步設(shè)計。在合成氨的生產(chǎn)中，一氧化碳變換反應(yīng)是非常重要的反應(yīng)。本設(shè)計的原料氣中含有部分一氧化碳，不能直接作為合成氨的原料，而且對合成氨的催化劑有毒害作用，必須在催化劑的作用下通過變換反應(yīng)除去。因此，一氧化碳變換反應(yīng)既是原料氣的凈化過程，又是原料氣的制造過程。本設(shè)計采用中串低工藝流程，其主要包括工藝路線的確定、中低溫變換爐的物料衡算和熱量衡算、變換爐和換熱器進行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算。最終繪制出了該工序帶控制點的工藝流程圖。關(guān)鍵詞：天然氣；一氧化碳變換；低溫變換爐AbstractThisarticleisapreliminarydesignsectionwhatabouttheannualoutputofnaturalgasasrawmaterialstotransformfifteenthousandtonsofcarbonmonoxideammonia.Intheproductionofammonia,carbonmonoxideshiftconversionisaveryimportantreaction.Becausethegascontainspartofcarbonmonoxideanditnotonlycouldn'tbedirectlyusedasthoseoftherawmaterialsofsyntheticammonia,butalsohavepoisoningeffectonthecatalystofammoniatheremustberemovedthroughthecatalyticreactionaboutthecatalystfortransformation.Sothecarbonmonoxideshiftconversionisnotonlyagaspurificationprocessofrawmaterials,butalsothemanufacturingprocessoffeedgas.Thisdesignusesmediumandlowtemperatureshiftinseriesprocess,itcontainsthedeterminationofprocessroute,theMediumandLowTemperatureShiftingFurnaceofmaterialbalanceandheatbalance,shiftingfurnaceandheatexchangerinoverallstructuredesignandcalculation.Finallydrawouttheprocesscontrolwithprocessflowdiagram.Keywords:naturalgas;carbonmonoxideshiftconversion;LowTemperatureShiftingFurnace目錄摘要 IAbstract II目錄 III1綜述 -1-1.1氨的性質(zhì)和用途 -1-1.1.1氨的理化性質(zhì) -1-1.1.2氨的用途 -1-1.2合成氨技術(shù)的發(fā)展史 -2-1.2.1世界合成氨技術(shù)的發(fā)展 -2-1.2.2中國合成氨工業(yè)的發(fā)展概況 -3-1.3合成氨轉(zhuǎn)變工序的工藝原理 -4-1.3.1合成氨的典型工藝流程介紹 -4-1.3.2合成氨轉(zhuǎn)化工序的工藝原理 -5-1.3.3合成氨變換工序的工藝原理 -6-1.4設(shè)計方案的確定 -6-1.4.1原料的選擇 -6-1.4.2工藝流程的選擇 -7-1.4.3工藝參數(shù)的確定 -8-1.4.4工廠的選址 -8-2變換工段物料及熱量衡算 -10-2.1中溫變換物料衡算及熱量衡算 -10-2.2低變爐的物料與熱量計算 -21-2.3廢熱鍋爐的熱量和物料計算 -26-2.4主換熱器的物料與熱量的計算 -28-2.5 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算 -29-3設(shè)備的計算 -31-3.1低溫變換爐計算 -31-3.2中變廢熱鍋爐 -32-主要參考文獻 -37-結(jié)束語 -38-致謝 -39-附錄 -40-1綜述1.1氨的性質(zhì)和用途1.1.1氨的理化性質(zhì)（1）物理性質(zhì)：在常溫常壓下，氨是具有特殊刺激性臭味的無色氣體，能刺激人體器官的粘膜。氨有強烈的毒性，空氣中含有0.5%（體積）的氨，就能使人在幾分鐘內(nèi)窒息而死。在標準條件下，氨的相對密度為0.5971（空氣為1）。 氨還易被液化，在0.1MPa下，將其冷卻到－33.5℃，氨就能冷凝成無色液體，同時放出大量的熱量。若氨在0.10MPa下冷卻至－77.7 氨極易溶于水，可制成含氨15～30%（質(zhì)量）的商品氨水。氨水呈弱堿性，易揮發(fā)。（2）化學(xué)性質(zhì)：與酸酐或酸直接作用，生產(chǎn)相應(yīng)的銨鹽；與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨，進一步脫水生成尿素；在鉑催化劑存在下，可與氧氣作用，生成一氧化氮和水，繼續(xù)氧化并與水作用生成硝酸；高溫下（800℃ 氨的自燃點為630℃，在空氣中燃燒生成氮和水。常溫常壓下，氨在空氣中的爆炸范圍為15.5～28%，在氧氣中的爆炸范圍為13.5～82%[11.1.2氨的用途氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。可見，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機鹽等工業(yè)部門。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料?，F(xiàn)代國防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進劑和氧化劑，同樣也離不開氨。此外，氨還是常用的冷凍劑。合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進和帶動了許多科學(xué)技術(shù)部門的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。同時，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。所以合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個重要部門[2]。1.2合成氨技術(shù)的發(fā)展史1.2.1世界合成氨技術(shù)的發(fā)展（一）原料構(gòu)成的變化為了合成氨，首先必須提供氮和氫。氮來自空氣，氫來自水。傳統(tǒng)的制氮方法是在低溫下將空氣液化、分離，以及水電解制氫。由于電解制氫法，電能消耗大，成本高。傳統(tǒng)方法還是采用高溫下將各種燃料和水蒸氣反應(yīng)制造氫。因此合成氨生產(chǎn)的初始原料是焦炭、煤、焦爐氣、天然氣、石腦油、重油等，近幾年來世界合成氨原料的構(gòu)成變化見下表1.1。表1.1全球合成氨原料結(jié)構(gòu)占產(chǎn)能的比例（%）年份1990200020082013天然氣煤炭+石油焦石腦油（燃油）7713.5614652120.177.22.168285由表1.1可知，合成氨的原料構(gòu)成是從以固體燃料為主轉(zhuǎn)移到以氣體燃料和液體原料為主。表1.2為各種原料的日產(chǎn)1043.3t合成氨廠，相對投資和能量消耗比較。由表可見，雖然各國資源不同，但選用原料的基本方向相同。只要資源條件具備作為合成氨的原料。首先應(yīng)考慮天然氣和油田氣，其次采用石腦油[3]。表1.2氨廠采用的各種原料的相對投資和能量消耗原料天然氣重油煤相對投資費用1.01.52.0能量消耗/(GJ/t)283848特別是以天然氣為原料的合成氨工業(yè)占了很大的比重，本設(shè)計就是以天然氣為原料合成氨，主要是轉(zhuǎn)化工段的設(shè)計。（二）生產(chǎn)規(guī)模大型化20世紀50年代以前，氨合成塔的最大能力為日產(chǎn)200t氨，到60年代初期為400t。隨著蒸汽透平驅(qū)動的高壓離心式壓縮機研制成功，美國凱洛格公司首先運用工藝過程的余熱副產(chǎn)高壓蒸汽作為動力，實現(xiàn)了單系列合成氨裝置的大型化，這是合成氨工業(yè)發(fā)展史上第一次突破。大型化的優(yōu)點是投資費用低，能量利用率高，占地少，勞動生產(chǎn)率高。從20世紀60年代中期開始，新建氨廠大都采用單系列的大型裝置?，F(xiàn)在世界上規(guī)模最大的合成氨裝置為日產(chǎn)1800t氨，1991年在比利時的安特衛(wèi)普建成投產(chǎn)。（三）低能耗新工藝合成氨除原料為天然氣、石油、煤炭等一次能源外。整個生產(chǎn)過程還需消耗較多的電力、蒸汽等二次能源，而用量又很大?，F(xiàn)在合成氨能耗占世界能源消費總量的3%，中國合成氨生產(chǎn)能耗約占全國能耗的4%。由于氨生產(chǎn)成本中能源費用占70%以上，因此能耗是衡量合成氨技術(shù)和經(jīng)濟效益的重要標志。以天然氣為原料的日產(chǎn)1000t合成氨裝置噸氨能耗目前已從20世紀70年代的40.19GJ下降到39.31GJ左右，而且以天然氣為原料的大型氨廠的所需動力約有85%可由余熱供給[4]。（四）生產(chǎn)自動化合成氨生產(chǎn)特點之一是工序多、連續(xù)性強。20世紀60年代以前的過程控制多采取分散方式，在獨立的幾個車間控制室中進行。為了保證長周期的安全生產(chǎn)，對過程控制提出更高的要求，從而發(fā)展到把全流程的溫度、壓力、流量、物位和成分五大參數(shù)的模擬儀表、報警、連鎖系統(tǒng)全部集中在中央控制室顯示和監(jiān)視控制。自從20世紀70年代計算機技術(shù)應(yīng)用到合成氨生產(chǎn)以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍。若配置有高一級管理、控制功能的上位機系統(tǒng)，還能進行全廠綜合優(yōu)化控制和管理，這種新穎的過程控制系統(tǒng)不僅可以取代常規(guī)模擬儀表，而且還可以完成局部優(yōu)化控制以及模擬儀表難以實現(xiàn)的復(fù)雜自控系統(tǒng)。若能用仿真技術(shù)進行操作人員的模擬培訓(xùn)只需在一臺高性能的計算機上配合相應(yīng)的軟件以代替實際生產(chǎn)裝置的控制、運作設(shè)備，這樣就可以在較短的時間內(nèi)學(xué)習(xí)開停車、正常操作和事故狀態(tài)操作。這些都表示氨生產(chǎn)技術(shù)自動化進入新的階段，改變了幾十年合成氨生產(chǎn)控制的面貌。1.2.2中國合成氨工業(yè)的發(fā)展概況中國合成氨生產(chǎn)是從20世紀30年代開始的，但當(dāng)時僅在南京、大連兩地建有氨廠，一個是由著名愛國實業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦的南京永利化學(xué)工業(yè)公司铔廠——永利寧廠，現(xiàn)南京化學(xué)工業(yè)公司的前身；另一個是日本占領(lǐng)東北后在大連開辦的滿洲化學(xué)工業(yè)株式會社，最高年產(chǎn)量不超過50Kt（1941年）。此外在上海還有一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨、硝酸的小型車間[5]。中華人民共和國成立以來，化工部門貫徹為農(nóng)業(yè)服務(wù)的方針，把發(fā)展化肥生產(chǎn)放在首位。經(jīng)過50多年的努力，中國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠1000多個，1999年總產(chǎn)量為34.52Mt氨，已躍居世界第1位，已掌握了以焦炭、無煙煤、褐煤、焦爐氣、天然氣及油田氣和液態(tài)烴等氣固液多種原料生產(chǎn)合成氨的技術(shù)，形成中國大陸特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。1.3合成氨轉(zhuǎn)變工序的工藝原理1.3.1合成氨的典型工藝流程介紹合成氨的生產(chǎn)過程包括三個主要步驟：原料氣的制備、凈化和壓縮和合成。(1)原料氣制備將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。(2)凈化對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。①一氧化碳變換過程在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分數(shù)一般為12%～40%。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換反應(yīng)如下：CO+H2O→H2+CO2ΔH=－41.2kJ/mol；由于CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以便于回收反應(yīng)熱，并較好控制變換段出口殘余CO含量。第一步是高溫變換，使大部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3%左右。因此，CO變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件[6]。②脫硫脫碳過程各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護轉(zhuǎn)化催化劑，粗原料氣經(jīng)CO變換以后，變換氣中除H2外，還有CO2、CO和CH4等組分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中CO2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。一般采用溶液吸收法脫除CO2。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收。一類是化學(xué)吸收法[7]。③氣體精制過程經(jīng)CO變換和CO2脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得大于10cm3/m3(體積分數(shù))。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍零下100℃以下條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100cm3/m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應(yīng)生成CH4和H2O的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分數(shù))一般應(yīng)小于0.7%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性氣體甲烷化反應(yīng)如下：CO+3H2CH4+H2OΔH=－206.2kJ/mol；CO2+4H2CH4+2H2OΔH=－165.1kJ/mol；(3)氨合成將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%～20%，故采用未反應(yīng)氫氮氣循環(huán)的流程[8]。氨合成反應(yīng)式如下：N2+3H22NH3ΔH=－92.4kJ/mol；1.3.2合成氨轉(zhuǎn)化工序的工藝原理本設(shè)計中的合成氨轉(zhuǎn)變工序是指轉(zhuǎn)化工序和變換工序的合稱。轉(zhuǎn)換工序是指天燃氣中的氣態(tài)烴類轉(zhuǎn)換成H2、CO和CO2，并達到要求，合成氨廠的轉(zhuǎn)化工序分為兩段進行。在一段轉(zhuǎn)化爐里，大部分烴類與蒸汽于催化劑作用下轉(zhuǎn)化成H2、CO和CO2。烷烴：CnH2n+n+nH2O→nCO+(2n+1)H2或C0nH2n+n+2nH2O→nCO2+(3n+1)H2烯烴：CnH2n+nH2O→nCO+2nH2或CnH2n+2nH2O→nCO2+3nH2接著一段轉(zhuǎn)化氣進入二段轉(zhuǎn)化爐，在此加入空氣，由一部分H2燃燒放出熱量，催化劑床層溫度上升到1200～1250℃，并繼續(xù)進行甲烷的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。CH4+H2O→CO+3H2CH4+2H2O→CO+4H2二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度約950～1000℃，殘余甲烷含量和（H2+CO）/N2比均可達到指標。1.3.3合成氨變換工序的工藝原理變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。其原理為：CO+H2O=CO2+H2;ΔH=－41.2kJ/mol；在不同溫度下分兩步進行，第一步是高溫變換（簡稱高變）使大部分CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，第二步是低溫變換（簡稱低變），將CO含量降到0.3%左右。因此，CO變換既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程。1.4設(shè)計方案的確定1.4.1原料的選擇合成氨生產(chǎn)的原料有焦炭、煤、焦爐氣、天然氣、石腦油、重油等。本設(shè)計選擇天然氣作為原料，主要考慮到我國天然氣資源豐富及清潔節(jié)能等原因。首先，我國天然氣資源比較豐富。地質(zhì)資源總量約38～39萬億立方米，位列世界第十，其中陸上30萬億立方米，海上9萬億立方米。已探明儲量約1.9萬億立方米，僅占資源總量的5%左右，列世界第16位，天然氣資源勘探潛力很大。近年來我國天然氣勘探取得了重大突破，陸上已在川渝、陜甘寧、新疆和青海形成四大氣區(qū)；海上氣田以渤海、南海西部地區(qū)和東海西湖凹陷作為重點勘探和增加產(chǎn)量的地區(qū)。寧夏石油、天然氣潛在儲量大，可勘探價值高，目前已投入開發(fā)的油田有6個。地跨寧夏的陜甘寧盆地(長慶油氣田，已探明儲量達7000多億立方米，是世界級大氣田。)銀川距陜甘寧氣田最近，輸氣條件最好。橫城堡煤層氣、銀川盆地石油天然氣，資源調(diào)查已展示良好前景。寧夏發(fā)展石油天然氣化工，具有潛在的優(yōu)勢。所以在選擇天然氣作為原料合成氨有著明顯的區(qū)位優(yōu)勢。其次，天然氣作為一種清潔優(yōu)質(zhì)的能源，在我國改善能源結(jié)構(gòu)，以及我國在大力推動低碳經(jīng)濟發(fā)展的過程中，獲得了前所未有的大發(fā)展。無論是在傳統(tǒng)的天然氣產(chǎn)區(qū)，還是在新的天然氣勘探開發(fā)區(qū)。天然氣作為化石能源中污染最少的能源，熱值相應(yīng)高于煤炭與石油。在目前我國的能源消費結(jié)構(gòu)里，煤炭占67%，石油占20%，而天然氣卻只占3.4%，遠低于23.5%的世界平均水平。加大天然氣在能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，既有利于促進節(jié)能減排，又能夠維持經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展[9]。第三，以天然氣為原料合成氨工藝比重油和煤為原料的工藝成本低，而且能耗低。根據(jù)計算，若大型氨廠分別用石腦油、渣油、天然氣和煤為原料制氨，其價格分別按1800元/t、1400元/t、1.20元/m3和260元/t計，中壓蒸汽價格按78元/t計，對應(yīng)的合成氨成本分別為1721元/t、1557元/t、1493元/t和1021元/t。可見，在這4種原料中，以煤為原料制氨成本最低,然而，以煤為原料合成氨能耗遠大于天然氣（見表1.1）。天然氣工藝技術(shù)目前最可靠。1.4.2工藝流程的選擇本設(shè)計主要是轉(zhuǎn)化和變換工序的工藝設(shè)計，所選流程為：脫硫壓縮脫硫壓縮一段轉(zhuǎn)化蒸汽一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化壓縮二段轉(zhuǎn)化壓縮空氣中溫變換中溫變換低溫變換低溫變換脫碳合成壓縮甲烷化二氧化碳氨脫碳合成壓縮甲烷化天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化和變換工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因為能否正常生產(chǎn)出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。在本設(shè)計中，甲烷和其他烴類轉(zhuǎn)化為CO和H2的轉(zhuǎn)化工序采用的是兩段爐催化轉(zhuǎn)化，經(jīng)過二段轉(zhuǎn)化后，甲烷含量約為0.5%左右。CO變換工序采用了中變串低變的工藝流程路線，經(jīng)過低溫變換后的氣體中CO含量為0.4%左右。1.4.3工藝參數(shù)的確定以天然氣為原料合成氨生產(chǎn)裝置轉(zhuǎn)化變換工序設(shè)計，其主要參數(shù)是一、二段轉(zhuǎn)化工藝和CO中-低變串聯(lián)流程的溫度和壓力。天然氣經(jīng)加氫脫硫，出口總硫量小于0.5ppm后，在壓力3.03MPa、溫度380℃左右的條件下配入中壓蒸汽達到水碳比為3.5（R=3.5），進入一段轉(zhuǎn)化爐的對流段加熱，氣體一邊加熱一邊反應(yīng)，出反應(yīng)管的溫度在822℃左右，最后沿集氣管中間的上升管上升，繼續(xù)吸收一些熱量，使溫度升到工藝空氣經(jīng)壓縮機壓到3.3～3.5MPa，也配入少量水蒸氣，然后進入對流段的工藝空氣加熱盤預(yù)熱到480℃左右，進入二段爐頂部與一段轉(zhuǎn)化氣匯合，在頂部燃燒區(qū)燃燒、放熱，溫度升到1200℃左右，在通過催化劑床層時繼續(xù)反應(yīng)并吸收熱量，離開二段轉(zhuǎn)化爐的溫度約為1000℃左右，壓力為3.0MPa，所得混合氣殘余甲烷含量約為經(jīng)二段轉(zhuǎn)化后的合成氣送入第一換熱器（101-C），接著又送入第二換熱器（102-C），使合成氣溫度由1003℃降到360含CO的原料合成氣經(jīng)換熱器降溫，在壓力3.0MPa、溫度371℃下進入中變爐。經(jīng)中變處理后，氣體中CO降到3.0%左右，溫度為425～440℃。氣體通過中變廢熱鍋爐，冷卻到336℃左右，鍋爐產(chǎn)生10.0MPa的飽和蒸汽。由于此時氣體溫度還不能進行低溫變換，于是將變換氣用來加熱其它工藝氣體，而變換氣被冷卻到241℃后進入低變爐。經(jīng)低變處理后，氣體殘余CO降到0.3%～0.5%之間，再送入后續(xù)工段繼續(xù)凈化1.4.4工廠的選址對于本設(shè)計合成氨廠選址選擇，從原料，運輸，土地，國家政策等因素，選擇位于寧夏回族自治區(qū)靈武市境內(nèi)的寧東能源重化工基地。理由：(1)天然氣資源豐富該基地臨近陜甘寧天然氣田，此氣田是我國迄今探明的世界級特大型整裝氣田，探明控制儲量達7000多億立方米，一期輸氣管線已建成，二期管線正在規(guī)劃建設(shè)中。(2)交通便利四通八達的道路交通是基地的一大突出優(yōu)勢，銀川-青島高速公路及307國道橫貫基地；大古鐵路連接包蘭、寶中鐵路與京包、隴海線連通可輻射全國，即將開工建設(shè)的銀川-太原鐵路又形成一條橫穿基地的外運大通道；銀川河?xùn)|機場距基地中心區(qū)僅30公里，每日航班達50(3)土地資源廣闊基地處于荒山丘陵地帶，地形平緩，地勢開闊，有成片的發(fā)展用地，為工業(yè)建設(shè)提供了廣闊的土地資源。(4)水資源優(yōu)勢基地位于黃河?xùn)|畔，中心區(qū)距黃河僅35公里左右，2003年底開工建設(shè)的寧東供水工程，預(yù)計2005年5月建成通水，總供水量為15970萬立方米，能為基地提供充足的水源保障(5)政策優(yōu)勢隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進，國家實施重點支持西部大開發(fā)的政策措施，以及自治區(qū)、銀川市全面改善投資環(huán)境的重大舉措，為基地建設(shè)提供了強有力的政策支持。2變換工段物料及熱量衡算2.1中溫變換物料衡算及熱量衡算（1）確定轉(zhuǎn)化氣組成已知條件中變爐進口氣體組成：表2.1中變爐進口氣組成組分CO2COH2N2CH4O2合計%9.611.4255.7122.560.380.33100計算基準：1噸氨工作日：360天計算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31m3(標因為在生產(chǎn)過程中物量可能會有消耗，因此變化氣量取2962.5m3(標年產(chǎn)15萬噸合成氨生產(chǎn)能力：日生產(chǎn)量：150000/360=416.67/d=17.36t/h要求出中變爐的變換氣干組分中CO％小于2％進中變爐的變換氣干組分：表2.2中變爐進口氣干氣組成組分CO2COH2N2O2CH4合計含量，％9.611.4255.7122.560.330.38100m3(標)474563.862750.681113.916.2918.7634937.5假設(shè)入中變爐氣體溫度為335℃，取出爐與入爐的溫差為30℃，則出爐溫度為進中變爐干氣壓力=1.75MPa。（2）水汽比的確定考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取H2O/CO=3.5[11]故V（水）=1973.52m3(標)n(水)因此進中變爐的變換氣濕組分：表2.3中變爐進口氣濕氣組成組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量，％6.868.1639.816.120.240.2728.56100m3(標)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02kmol21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53中變爐CO的實際變換率的求取：假定濕轉(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO含量為8.16％，要求變換氣中CO含量為2％，故根據(jù)變換反應(yīng)：CO+H2O＝H2+CO2，則CO的實際變換率為：％=×100=74％式中、分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）則反應(yīng)掉的CO的量為：8.16×74％=6.04則反應(yīng)后的各組分的量分別為：H2O％=28.56％-6.04％+0.48％=23％CO％=8.16％-6.04％=2.12％H2％=39.8％+6.04％-0.48％=45.36％CO2％=6.86％+6.04％=12.9％中變爐出口的平衡常數(shù)：K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知K=12時溫度為397℃。中變的平均溫距為397℃-365℃=32℃，中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用[12]。（3）中變爐一段催化床層的物料衡算假設(shè)CO在一段催化床層的實際變換率為60％。因為進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分見表2.3。假使O2與H2完全反應(yīng)，O2完全反應(yīng)掉。故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：60％×563.86=338.318m3(出一段催化床層的CO的量為：563.86-338.318=225.545m3(標故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為:2750.68+338.318-2×16.29=3056.41m3(標故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：474+338.318=812.318m3(標出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：表2.4出中變爐一段床層變換氣干氣組成組分CO2COH2N2CH4合計含量％15.5443.158.4721.130.35100m3(標)812.318225.5453056.411113.918.765226.94kmol36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的H2O的量為：1973.52-338.318+2×16.29=1667.79m3(標所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：表2.5出中變爐一段床層變換氣濕氣組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100m3(標)812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73kmol36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進行計算：由表2.6對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進行估算：根據(jù)：K=(H2％×CO2％)/（H2O％×CO％)計算得K=6.6查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=6.6時t=445℃。設(shè)平均溫距為30445℃-（4）中變爐一段催化床層的熱量衡算以知條件：進中變爐溫度：335出變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415反應(yīng)放熱Q：在變化氣中含有CO，H2O，O2，H2這4種物質(zhì)會發(fā)生以下2種反應(yīng)：CO+H2O=CO2+H2①O2+2H2=2H2O②這2個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準焓（或稱生成焓）計算。以P=1atm，t=25℃為基準的氣體的統(tǒng)一基準焓計算式為[13]HT=△H0298=Cpdt（1）式中HT——氣體在在TK的統(tǒng)一基準焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；△H0298——該氣體在25℃下的標準生成熱，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)T——絕對溫度，K；Cp——氣體的等壓比熱容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/（kmol.℃）]氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式：Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+……（2）式中A0、A1、A2、A3……氣體的特性常數(shù)將(2)式代入(1)式積分可得統(tǒng)一基準焓的計算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4式中常數(shù)a0、a1、a2、a3、a4與氣體特性常數(shù)及標準生成熱的關(guān)系為：a1=A0,a2=A1/2,a3=A3/4,a4=A3/4a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4采用氣體的統(tǒng)一基準焓進行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果?！鱄=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末式中△H—過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時為放熱，為負數(shù)時系統(tǒng)為吸熱，kcal；（4.1868kJ）；ni—始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)，kmol；Hi—始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下；I—氣體的統(tǒng)一基準焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于下表中表2.6氣體統(tǒng)一基準焓（通式）常數(shù)表分子式a0a1a2a3a4O21.90318×1035.802982.15675×10–3-7.40499×10–71.08808×10–10H2-2.11244×1037.20974-5.5584×10－44.8459×10－7-8.18957×10－11H2O-6.0036×1047.110921.2932×10－31.28506×10－7-5.78039×10－11N2-1.97673×1036.459035.18164×10－42.03296×10－7-7.65632×10－11CO-2.83637×1046.266278.98694×10－45.04519×10－9-4.14272×10－11CO2-96377.888676.3965.05×10－3-1.135×10－60.00計算O2的基準焓：根據(jù)基準焓的計算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4在415℃時查表可得變換氣的各個組分的基準焓列于下表：表2.7變換氣各組分基準焓組分O2H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.67833Ht（kJ/kmol）28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6208放熱：CO+H2O=CO2+H2（1）△H1=(∑Hi)始-（∑Hi）末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/kmolQ1=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kJO2+2H2=2H2O（2）Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-368924.3632kJ氣體共放熱：Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ氣體吸熱Q3：根據(jù)《物理化學(xué)》知CO，H2，H2O，CO2，N2，可用公式：Cp=a+b+cT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.℃）表2.8變換氣熱容常熟表物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53Cpm=∑Yi×Cp=34.06kJ/（kmol·℃）所以氣體吸熱Q3=34.06×307.8×(415-330)=891111.78kJ假設(shè)熱損失Q4根據(jù)熱量平衡的：Q=Q3+Q4Q4=52934.965kJ(5)中變爐催化劑平衡曲線根據(jù)H2O/CO=3.5，與公式:XP=×100％V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度。表2.9轉(zhuǎn)化率與溫度關(guān)系表tTXptTXp3005730.90124006730.70583205930.87374206930.68593406130.84244407130.64163606330.80744607330.59633806530.7687中變爐催化劑平衡曲線如下：圖2.1中變爐催化劑平衡曲線(6)最佳溫度曲線的計算由于中變爐選用C6型催化劑，最適宜溫度曲線由式進行計算。查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》C6型催化劑的正負反應(yīng)活化能分別為E1=10000千卡/公斤分子，E2=19000千卡/公斤分子。最適宜溫度計算列于下表中：表2.10最適宜溫度表XpTtXpTt0.90125262530.64649.4376.40.8737546.8273.80.61660.7387.30.8424564.2291.20.586713980.8074581.5308.50.55681.6408.60.7687598.8325.80.52692.6419.60.7058624.5351.50.49702.6429.60.67638.2365.20.45716.6443.6將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：圖2.2最佳溫度曲線圖(7)操作線計算有中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知：中變爐入口氣體溫度335中變爐出口氣體溫度415中變爐入口CO變換率0中變爐出口CO變換率60%由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下：圖2.3中變爐催化劑反應(yīng)操作線(8)中間冷淋過程的物料和熱量衡算此過程采用水來對變換氣進行降溫。以知條件：變換氣的流量：307.8kmol設(shè)冷淋水的流量：Xkg變換氣的溫度：415冷淋水的進口溫度：20進二段催化床層的溫度：353操作壓力：1750kp熱量計算：冷淋水吸熱Q1：據(jù)冷淋水的進口溫度20℃查《化工熱力學(xué)》可知h1=83.96kJ/kg。根據(jù)《化工熱力學(xué)》可知表2.11熱力學(xué)焓值表T/KP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷淋水要升溫到353℃，所以設(shè)在353℃，615K對溫度進行內(nèi)查法：1600kpa時(626-600)/(h-3693.2)=(700-626)/(3919.7-h)h=3752.09kJ/kg1800kpa時(626-600)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h)h=3750.668kJ/kg對壓力用內(nèi)差法得353℃(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235kJ/kgQ1=X(3813.244875-83.96)變換氣吸熱Q2根據(jù)表2-16和表2-24的計算方法得：表2.12變換氣組分熱容值表物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以Cpm=∑YiK×Cp=33.92kJ/（kmol·℃）Q2=308.53×33.92×(415-353)取熱損失為0.04Q2根據(jù)熱量平衡：0.96Q2=X(3751.0235-83.96)X=169.46kg=9.415kmol=210.88m3所以進二段催化床層的變換氣組分：水的量為：210.88+1667.79=1878.67m3表2.13出中變爐一段床層濕氣組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％11.4323.1743.0115.680.2626.44100m3(標)812.318225.5453056.4131113.918.761878.677105.61kmol36.26510.068136.4549.730.83883.87317.22(9)中變爐二段催化床層的物料衡算設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為0.74（總轉(zhuǎn)化率）

所以在二段CO的變化量563.86×0.74=417.26m3在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：225.545-（563.86-417.26）=78.94m3出中變爐二段催化床層的CO的量為：225.545-78.94=146.605m3故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：812.318+78.94=891.26m3故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：3056.413+78.94=3135.353m3故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：1878.67-78.94=1799.73m3所以出中變爐的濕組分：表2.14出中變爐濕氣組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％12.542.0644.12515.670.2625.33100m3(標)891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6kmol39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進行估算：根據(jù)：K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）計算得K=10.6查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=10.6時t=409℃設(shè)平均溫距為48409℃-44(10)中變爐二段催化床層的熱量衡算以知條件：進變爐二段催化床層的變換氣溫度為：353出變爐二段催化床層的變換氣溫度為：365變換氣反應(yīng)放熱Q1：計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，平均溫度為：632K,計算結(jié)果如下：表2.15變換氣組分焓值表組分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht（kJ/kmol）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放熱：CO+H2O=CO2+H2△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末=-38553.74846kJ/kgQ1=3.52×38553.74846=135580.683kJ/kg氣體吸熱Q2：根據(jù)《物理化學(xué)》知CO,H2,H2O,CO2,N2，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol·℃）。表2.16變換氣熱容常數(shù)表物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容：表2.17CH4熱容計算常數(shù)表物質(zhì)abcdCH417.4560.461.17-7.2計算結(jié)果：表2.18變換氣熱容表組分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72Cpm=∑Yi×Cp=33.61KJ/（kmol·℃）Q2=33.61×317.22×（365-353）=12789.1kJ熱損失：Q3=Q1-Q2=7641.6kJ2.2低變爐的物料與熱量計算（1）已知條件表2.19進低變爐的濕組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％12.542.0644.12515.670.2625.33100m3(標)891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6kmol39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22表2.20進低變爐的干組成組分CO2COH2N2CH4合計含量％16.792.7659.0920.990.35100m3(標)891.26146.6053135.3531113.918.765305.91kmol39.7886.545139.97149.720.838236.87（2）低變爐的物料衡算要將CO％降到0.2％（濕基）以下，則CO的實際變換率為： ％=×100=90.11％則反應(yīng)掉的CO的量為：146.605×90.11％=132.11m3出低溫變換爐CO的量：146.605-132.11=14.495m3出低溫變換爐H2的量：3135.353+132.11=3267.463m3出低溫變換爐H2O的量：1799.73-132.11=1667.62m3出低溫變換爐CO2的量:891.26+132.11=1023.37m3表2.21出低變爐的濕組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％14.40.245.9815.680.2623.47100m3(標)1023.3714.4953267.4631113.918.761667.627105.62kmol45.680.64722145.86949.720.83874.45317.22表2.22出低變爐的干組分組分CO2COH2N2CH4合計含量％18.820.2760.0820.480.35100m3(標)1023.3714.4953267.4631113.918.765437.99kmol45.680.64722145.86949.720.838242.767對出低變爐的變換氣溫度進行估算：根據(jù)：K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）計算得K=141.05查《小合成氨廠工藝與設(shè)計手冊》知當(dāng)K=141.05時t=223℃設(shè)平均溫距為20℃（3）低變爐的熱量衡算以知條件：進低變爐催化床層的變換氣溫度為：181出低變爐催化床層的變換氣溫度為：203變換氣反應(yīng)放熱Q1在203℃計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，平均溫度為：476K,計算結(jié)果如下：表2.23變換氣各組分生成焓組分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）1241.516-56347.304-25178.916-92311.594Ht（kJ/kmol）5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放熱：CO+H2O=CO2+H2△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末=-39958.286kJ/kgQ1=5.898×39958.286=235687.29kJ/kg氣體吸熱Q2：氣體吸熱時的平均溫度：（181+203）/2=191.5℃，T=464.5K根據(jù)《物理化學(xué)》知CO,H2，H2O，CO2，N2，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容，參照表2.17。計算結(jié)果：表2.24變換氣熱容表組分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.129.0344.3935.1329.8545.05Cpm=∑Yi×Cp=32.86kJ/（kmol·℃）Q2=33.61×317.22×（203-181）=230669.84kJ熱損失Q3=Q1-Q2=235687.29-230669.84=5017.45kJ（4）低變爐催化劑平衡曲線根據(jù)公式:XP=×100％V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分別代表CO、CO2、CO2及H2的起始濃度。表2.25轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化關(guān)系tTXptTXp1604330.97692405130.87321804530.96232605330.82292004730.93892805530.762204930.9121低變爐催化劑平衡曲線如下：圖2.4低變爐催化劑平衡曲線（5）最佳溫度曲線的計算由于低變爐選用B302型催化劑。查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》B302型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43164kJ/kmolCO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能E2為：E2-E1=r×(-△H)對于CO變換反應(yīng)r=1，則：E2=(-△H)+E1△H為反應(yīng)熱，取其平均溫度下的值，即：（181+203）/2=192℃CO的反應(yīng)式為：CO+H2O=CO2+H2反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)，不同溫度下的反應(yīng)熱可以用以下公式計算：△H=-1000-0.291×T+2.845×10-3×T2-0.97.3×10-3T3得：△H=-9422.62kcal/kmol=-39450.653kJ/kmolE2=39450.653+43164=82614.653kJ/kmol（6）最適宜溫度曲線由式Tm=進行計算最適宜溫度計算列于下表中：表2.26最佳溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系XpTtXpTt0.97694021290.87324752010.96234211480.82294932200.93894401670.765102370.9121457184將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖：圖2.5低變爐最適宜溫度曲線2.3廢熱鍋爐的熱量和物料計算（1）已知條件進廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份：表2.27進廢熱鍋爐轉(zhuǎn)化氣組成組份CO2COH2N2CH4O2H2O合計％7.548.9743.7617.720.290.2621.7100m3(標)474563.872750.681113.918.7616.291364.556285.75kmol21.16125.173122.79849.730.8380.72860.917280.614進廢熱鍋爐的溫度為：925出廢熱鍋爐的溫度為：335進出設(shè)備的水溫：20出設(shè)備的水溫：335進出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.3kmol進出設(shè)備的水量：Xkmol物量在設(shè)備里無物量的變化。（2）熱量計算a、入熱：水的帶入熱Q1水在20℃時Cp=33.52kJ/（kmol·℃），Q1轉(zhuǎn)化氣的帶入熱Q2：轉(zhuǎn)化氣在925℃時T=1193K[14根據(jù)《物理化學(xué)》知CO，H2，H2O，CO2，N2，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。變換器熱容常數(shù)參照表2.16。熱容的單位為kJ/（kmol·℃）CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容。CH4的熱容計算常數(shù)參照2.17。計算結(jié)果：表2.28變換氣熱容表組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi×Cp=36.4kJ/（kmol·℃）Q2=36.4×280.62×（920+273）=12185577.7kJb、出熱：轉(zhuǎn)化氣的帶出熱：Q3=32.66×280.62×（330+273）=5526711.3KJ轉(zhuǎn)化氣在335℃根據(jù)《物理化學(xué)》知CO，H2，H2O，CO2，N2，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol.℃）參照表2.16。計算結(jié)果：表2.29變換氣熱容表組分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.7629.3847.2536.5530.4452.73Cpm=∑Yi×Cp=32.66kJ/（kmol·℃）Q3=32.66×280.62×（330+273）=5526711.265kJ水的帶出熱Q4：水在335℃，T=603K時的熱容為：Cp=36.55kJ/（kmol·℃Q4=X×36.55×（330+273）=22039.65X熱損失Q5：Q5=0.04×(Q1+Q2)熱量平衡：0.96×(Q1+Q2)=Q3+Q40.96×（9821.36X+12185577.7）=22039.65X+5526711.265X=489.365kmol（3）水蒸汽的加入要使H2O/CO=3.5還要加入的水量為：（1973.52-1364.55）÷22.4=27.187kmol2.4主換熱器的物料與熱量的計算（1）已知條件進出設(shè)備的變換氣的量：190.33kmol進出設(shè)備的水的量：Xkmol物料的量在設(shè)備中無變化。溫度：變換氣進設(shè)備的溫度：365變換氣出設(shè)備的溫度：250水進設(shè)備的溫度：20水出設(shè)備的溫度：90（2）熱量計算a、入熱：變換氣帶入熱：Q1變換氣在365℃時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO，H2，H2O，CO2，N2，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol·℃）CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容。參照表2.17。計算結(jié)果表2.30變換氣熱容表組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi×Cp=33.94kJ/（kmol·℃），Q1=317.22×33.94×（365+273）=6868920.88kJ水的帶入熱Q2：水在20℃時Cp=33.52kJ/（kmol·℃），Q2b、出熱：變換氣在出口溫度為250℃，T=523K時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO，H2，H2O，CO2，N2可用公式：Cp=a+b+CT-2熱容的單位為kJ/（kmol.℃）參照表2.16CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容。參照表2.17。計算結(jié)果：表2.31變換氣熱容表組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi×Cp=33.14kJ/（kmol·℃），Q3=33.14×523×317.22=5498069.055kJ水的帶出熱Q4:水在90℃時Cp=34.14kJ/（kmol·℃），Q4熱損失Q5:取0.04Q根據(jù)熱量平衡：0.96×（Q1+Q2）=Q3+Q4，X=371.93kmol調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算已知條件入設(shè)備的變換氣溫度：250出設(shè)備的變換氣溫度：181進設(shè)備的濕變換氣的量：190.33kmol變換氣帶入的熱量：Q1=3298841.433kJ變換氣帶出的熱Q2：變換氣在181℃時T=454K時根據(jù)《物理化學(xué)》知CO,H2,H2O,CO2,N2，可用公式：Cp=a+b+CT-2來計算熱容。熱容的單位為kJ/（kmol·℃）CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容。見表2.17。計算結(jié)果：表2.31變換氣熱容表組分COH2CO2H2ON2CH4Cp33.2731.254.3342.832.9678.94Cpm=∑Yi×Cp=32.62kJ/（kmol·℃）Q2=190.33×32.62×454=2835274.946kJ設(shè)備及管道損失?。?.04Q1變換氣放出的熱量：Q=Q1-Q2-Q3=331612.83kJ3設(shè)備的計算3.1低溫變換爐計算(1)已知條件平均操作壓力0.83MPa.氣體進口溫度180氣體出口溫度220氣體流量（干）17.36×3556.288=61737.16Nm3/h濕氣流量17.36×4707.66=81724.98Nm3/h進低變爐變換氣氣體（干）組分表3.1進低變爐變換氣干氣組成組分CO2COH2N2CH4合計含量％16.792.7659.0920.990.35100低變爐出口干氣中CO含量：CO%=0.27%入催化劑蒸汽比R=0.2445(2)催化劑用量計算B302型低變催化劑的宏觀動力學(xué)方程為：r=1822exp(1－)根據(jù)低變催化劑的選用原則，故選B302型國產(chǎn)低變催化劑[15]，當(dāng)變換氣中CO（干）為0.27%時，計算得催化劑床層空速為2120（標）/（m3．h）。對于B204因動力學(xué)方程式中催化劑按體積計,計算出的催化劑床層空速是以體積為單位的“空速”。因此,催化劑理論用量：V低=29.12m3在采用中變串低變的流程中，低變催化劑條件較好，故可以不考慮催化劑備用系數(shù)。(3)催化劑床層直徑計算設(shè)計要求催化劑層總阻力＜690KPa（即700mmH2O），催化劑層阻力降采用下式試算：ΔP=2.1×B302為非球形催化劑，粒度為5×4.5±0.5，取其平均值為5×4.25=21.25，即轉(zhuǎn)化為球形粒徑，即φ4.6mm，dp=4.6mm=0.0046m設(shè)催化劑床層直徑為4.0m,則：E=0.378+0.308a、催化劑床層阻力氣體平均分子量M=14.7氣體在進入低變催化劑層中的重度γγ==2.968kg/m3式中：200為氣體的平均溫度值氣體質(zhì)量流量G==3225.72kg/(m2.h)b、催化劑層高L==1.499m所以：ΔP==430Kgf/m2=4.30KPa(628mmH2O)計算結(jié)果符合要求ΔP＜6.90KPa，故假設(shè)正確，取催化劑直徑3.03.2中變廢熱鍋爐取中變廢熱鍋爐入口熱水溫度為80℃，假定出口熱水溫度150℃，查飽和水氣表得150℃時焓值IH2O=632.20kJ/kg，IH2O(g)=2750.7KJ/(1)已知條件氣體流量及組成(不考慮水蒸氣冷凝量)進氣流量：6.323×10.16=1326.74kmol/h出氣流量：6.323×10.16=1326.74kmol/h氣體組成：同中變氣體出口組成(略)=14.77操作狀況：表3.2中變廢熱鍋爐操作情況操作狀況進口溫度℃出口溫度℃操作壓力MPa(絕)中變氣4302801.2MPa熱水80150蒸汽壓476.24kPa換熱器熱負荷：擬采用單程換熱器,并使熱氣體走管內(nèi)，冷氣體走管間,故以熱氣體放出熱量為計算熱負荷[16]：Q=17.36×(Q放-Q損)=17.36×(998423.71-35620)=16714272.41kJ/h（2）設(shè)備直徑與列管數(shù)量確定為使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，減少熱量損失，提高單位面積換熱能力，擬采用φ25×2.5小列管，單程結(jié)構(gòu)，并使熱氣體走管內(nèi)，冷氣體走管程。列管數(shù)量估算：管內(nèi)氣體重量流量為：G=14.77×210.16×17.36=53886.54kg為使管內(nèi)雷諾準數(shù)大于10000，估計重量流速為25kg/(m2·s)，則需要列管數(shù)為：n=(根)管板直徑估算：采用正六角形排列，取充填系數(shù)η=0.9，管間距取t=30mm。D=1.05t=1.05×30=1588.24mm設(shè)備規(guī)格選定：中變廢熱鍋爐內(nèi)徑取1590mm，列管φ25×2.5采用正六角形排列，管間距取30mm，管壁與殼壁凈距不小于15mm，共排13層（91每個弓形內(nèi)布23孔，扣除拉桿6孔得：n=948+6×23-6=108