年產(chǎn)二十萬(wàn)噸合成氨轉(zhuǎn)化工段設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)二十萬(wàn)噸合成氨轉(zhuǎn)化工段設(shè)計(jì)學(xué)院：化學(xué)與材料工程專業(yè)：化學(xué)工程與工藝姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：完成時(shí)間：2014年5月20日1緒論1.1合成氨轉(zhuǎn)化工段簡(jiǎn)述1.1.1概述氨是1794年由J.普里斯特利在加熱氯化銨和石灰混合物時(shí)候發(fā)現(xiàn)，1784年C-L．伯托利確定氨由氮和氫組成。19世紀(jì)中葉，煉焦工業(yè)興起，生產(chǎn)焦炭的工程中制得了氨。雖然可以從副焦?fàn)t氣中回收氨，但是這樣的回收的氨量不能滿足需求，促使人們研究新的得到氨的方法。慢慢發(fā)展有：電弧法，氰化法，合成氨法。氨，或稱“氨氣”，分子式為NH3，是一種無(wú)色氣體，有強(qiáng)烈的刺激氣味。極易溶于水，常溫常壓下1體積水可溶解700倍體積氨。氨對(duì)地球上的生物相當(dāng)重要，它是所有食物和肥料的重要成分。氨也是所有藥物直接或間接的組成。氨有很廣泛的用途，同時(shí)它還具有腐蝕性等危險(xiǎn)性質(zhì)。由于氨有廣泛的用途，氨是世界上產(chǎn)量最多的無(wú)機(jī)化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。由于氨可以提供弧對(duì)電子，所以它也是一種路易斯堿。我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況：解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸，而1982年達(dá)到1021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。近幾年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建遣的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。1.1.2合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展分為四個(gè)階段。階段一是合成氨的原料構(gòu)成是從固體燃料為主轉(zhuǎn)移到以氣體燃料和液體燃料為主，階段二是生產(chǎn)規(guī)模向大型化發(fā)展，表現(xiàn)在：(1)單系列合成氨裝置的大型化。(2)熱能體現(xiàn)了綜合利用。(3)高度生產(chǎn)自動(dòng)化。階段三是低能耗新工藝。合成氨，除了原料天然氣，石油，煤炭等一次能源以外，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程還需要消耗較多的電力，蒸汽等二次能源，而且用量又很大?，F(xiàn)在合成氨能源消耗費(fèi)用占生產(chǎn)成本費(fèi)用的70%以上，因而能耗是衡量合成氨技術(shù)水平好經(jīng)濟(jì)效益的重要標(biāo)志。階段四是生產(chǎn)自動(dòng)化。合成氨生產(chǎn)特點(diǎn)之一是工序多，連續(xù)性強(qiáng)。為了保證能夠長(zhǎng)周期的安全生產(chǎn)，對(duì)過(guò)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(bào)警，連鎖系統(tǒng)實(shí)行顯示和監(jiān)視控制。1.1.3合成氨轉(zhuǎn)化工段天然氣轉(zhuǎn)化法主要反應(yīng)天然氣是指儲(chǔ)藏于地層較深的部位的可燃?xì)怏w，而與石油共生的天然氣常稱為油田氣。它們的主要成分均可用CnHm來(lái)表示。它在高溫下與水蒸氣作用生成以H2和CO為主要組分的粗原料氣，其反應(yīng)為：其中還有一個(gè)反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)為制取粗原料氣的主要反應(yīng)。1.1.4合成氨轉(zhuǎn)化工段分為兩段的原因天然氣合成氨轉(zhuǎn)化工段要求較高。第一，由于天然氣的轉(zhuǎn)化深度高要求CH4的含量小于百分之零點(diǎn)五，導(dǎo)致反應(yīng)溫度與水碳比要求很高，反應(yīng)設(shè)備一下難以達(dá)到要求。第二，氣體組成的要求較高，二段轉(zhuǎn)化爐中要燃燒空氣，補(bǔ)充氮?dú)?，使得H2+CO/N2基本達(dá)到3：1，波動(dòng)范圍不能過(guò)大，同時(shí)為反應(yīng)提供大量的燃燒熱，從而達(dá)到轉(zhuǎn)化任務(wù)，CH4含量低于0.5%。1.1.5合成氨轉(zhuǎn)化工段設(shè)計(jì)的主要設(shè)備一段轉(zhuǎn)化爐一段轉(zhuǎn)化爐是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨的關(guān)鍵設(shè)備之一，它是由若干根反虛管與加熱室的輻射段以及回收熱量的對(duì)流段兩個(gè)主要部分組成。二段轉(zhuǎn)化爐二段轉(zhuǎn)化爐為一立式圓筒，殼體材質(zhì)是碳鋼，內(nèi)襯耐火材料，爐外有水夾。1.2生產(chǎn)流程的選擇1.2.1轉(zhuǎn)化工段工藝流程介紹到目前為止，全國(guó)近百個(gè)以天然氣為原料的小合成氨廠中大多數(shù)仍采用間歇催化轉(zhuǎn)化工藝流程，少數(shù)廠采用管式爐連續(xù)加壓催化轉(zhuǎn)化流程。但隨著小合成氨工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步。正在開(kāi)發(fā)和推廣各種節(jié)能革新工藝。應(yīng)為合成氨生產(chǎn)中能量消耗的費(fèi)用占總生產(chǎn)成本的75%以上。下面介紹幾種合成氨轉(zhuǎn)化工段傳統(tǒng)工藝和節(jié)能型工藝流程。換熱式二段轉(zhuǎn)化工藝流程：天然氣經(jīng)過(guò)加熱爐預(yù)熱和脫硫后，被高溫水飽和或添加蒸汽，使水碳比達(dá)到2.5以上，再經(jīng)換熱器加熱到500～600攝氏度的天然氣蒸汽混合氣進(jìn)入換熱式一段爐管內(nèi)，在催化劑作用下，有30%左右的CH4被轉(zhuǎn)化成H2，CO，和CO2，出轉(zhuǎn)化管氣體的溫度約650攝氏度進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐上部混合器，與被加壓和預(yù)熱的富氧空氣混合，空氣中的氧與一段轉(zhuǎn)化氣中的氫迅猛反應(yīng)。放出大量的反應(yīng)熱，以供給二段爐中甲烷蒸汽催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的吸熱。由二段轉(zhuǎn)化爐出口的轉(zhuǎn)化氣溫度高達(dá)950～1000攝氏度，殘余甲烷控制到0.35%以下，再回到一段爐的管間，通過(guò)熱交換向轉(zhuǎn)化管內(nèi)提供反應(yīng)熱。溫度降至620～640攝氏度出一段爐，再相繼經(jīng)氣體換熱器和廢熱鍋爐，轉(zhuǎn)化氣溫度降至360攝氏度左右送中溫度換爐進(jìn)行CO的變換反應(yīng)。間歇催化轉(zhuǎn)化工藝流程：天然氣間歇催化轉(zhuǎn)化制合成氨原料氣分吹風(fēng)和制氣兩個(gè)階段循環(huán)操作。吹風(fēng)階段：經(jīng)脫硫并減壓到一定0.08-0.1MPa的天然氣與羅茨風(fēng)機(jī)送來(lái)的空氣按一定比例從蝸殼燒嘴的天然氣和空氣管加入燒嘴，經(jīng)蝸殼旋轉(zhuǎn)混合進(jìn)入燃燒爐爐膛燃燒，產(chǎn)生1300攝氏度左右的高溫燃燒氣，經(jīng)蓄熱爐二段蓄熱爐，提高蓄熱爐的溫度，然后，燃燒氣從轉(zhuǎn)化爐頂部進(jìn)入催化劑床層，燃燒氣以轉(zhuǎn)化爐底部出來(lái)時(shí)溫度約850攝氏度，然后進(jìn)入火管式廢熱鍋爐管內(nèi)，使管間的軟水蒸發(fā)，產(chǎn)生0.6-1.0MPa的飽和蒸汽，供轉(zhuǎn)化與交換用汽。出廢熱鍋爐煙氣溫度為250攝氏度左右，再經(jīng)軟水預(yù)熱器降至150攝氏度左右通過(guò)煙囪放空。制氣階段：來(lái)自羅茨風(fēng)機(jī)的空氣與減壓至0.1MPa的水蒸汽按比例從燃燒爐膛加入，經(jīng)蓄熱爐加熱后，在二段蓄熱爐的入口處與減壓至0.05—0.08MPa的天然氣混合，發(fā)生高溫非催化反應(yīng)，溫度達(dá)950～1000攝氏度進(jìn)入催化劑層進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)，并還原吹風(fēng)階段被氧化了的鎳催化劑。轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐底部出來(lái)時(shí)約850攝氏度，亦相繼經(jīng)廢熱鍋爐，軟水預(yù)熱器回收余熱，降至150攝氏度左右，再經(jīng)洗氣箱，洗氣塔冷卻至常溫送入氣柜。原料天然氣經(jīng)過(guò)脫硫后補(bǔ)充蒸汽，使得混合氣水碳比達(dá)到3.5左右經(jīng)混合氣預(yù)熱器，加熱至450～550攝氏度進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)，在鎳催化劑作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。出一段爐的轉(zhuǎn)化氣含CH410%，溫度750攝氏度左右。反應(yīng)所需的熱量由管外的天然氣與空氣燃燒供給。燃燒煙氣經(jīng)輻射段后進(jìn)入對(duì)流段依次經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱氣，天然氣蒸汽混合氣預(yù)熱氣，工藝天然氣預(yù)熱器和煙氣廢熱鍋爐回收余熱溫度降至250攝氏度以下經(jīng)引風(fēng)機(jī)抽入煙囪排至大氣。一段轉(zhuǎn)化氣集氣管進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐的上部，與經(jīng)預(yù)熱到450～500攝氏度的工藝空氣混合?？諝庵械?2首先與一段轉(zhuǎn)化氣中的氫氣發(fā)生燃燒反應(yīng)。放出大量的熱，使得溫度達(dá)到1000攝氏度以上。隨后，混合氣在二段轉(zhuǎn)化爐催化劑的作用下進(jìn)行自熱式甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化和部分一氧化碳的變換反應(yīng)。出二段爐氣溫度降至900攝氏度左右。CH4含量小于0.5%。二段爐的空氣加入量應(yīng)該控制使得轉(zhuǎn)化氣中(CO+H2)/N2略大于3以滿足合成氨生產(chǎn)對(duì)原料的需求。轉(zhuǎn)化氣再經(jīng)廢熱鋦爐回收余熱，使得溫度降至360攝氏度左右進(jìn)入中溫變換工序。選擇的流程介紹：連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程（管式爐連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程）此流程就是本設(shè)計(jì)中選用的流程，詳細(xì)的介紹如上。1.2.2選擇轉(zhuǎn)化工段的工藝流程及原因原因：換熱式二段轉(zhuǎn)化雖然實(shí)現(xiàn)了甲烷連續(xù)催化轉(zhuǎn)化制氣，又取消了專門(mén)為提供反應(yīng)熱的燃燒煙氣，使得吸熱與供熱過(guò)程融為一體，做到了工藝系統(tǒng)的熱能自身平衡外，多余部分用于副產(chǎn)蒸汽，使得轉(zhuǎn)化氣降至約360攝氏度送至中溫變換爐。漫有放空氣造成大的大量的低位熱能損失。但沒(méi)有廢熱鍋爐，使得蒸汽的利用沒(méi)有得到合理的利用，而且熱量的需要也很難得到滿足。連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程（管式爐連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程）更好的實(shí)現(xiàn)了蒸汽的利用和熱量的供給。連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程即為管式爐連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)物料衡算2物料衡算計(jì)算按照天然氣，水蒸汽，空氣傳統(tǒng)的兩段轉(zhuǎn)化流程。2.1一段爐轉(zhuǎn)化計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及衡算2.1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以l00kmol一段爐入口干氣量為基準(zhǔn)計(jì)算。取一噸氨消耗干轉(zhuǎn)化氣VH=3000NM3（標(biāo)）=133.93kmol。最后全部折合為1t氨每小時(shí)為基準(zhǔn)的物料量。表2-1天然氣組成組成CH4C2H6C3H8CO2N2H2Smol%96.891.180.131.780.02微量入爐水碳比：R=∑C=3.3；出爐氣體CH4含量：8.5%；（干基）出爐氣體壓力：P1=1.15MPa（絕）。物料計(jì)算令：V出爐干轉(zhuǎn)化氣總量，kmol;nCO出爐氣體中CO氣量，kmol;nCO2出爐氣體中CO2氣量，kmol;nH2出爐氣體中H2氣量，kmol;nH2O出爐氣體中水蒸汽量，kmol。2.1.2一段轉(zhuǎn)化爐物料衡算以上表中天然氣量為入爐原料氣體作元素守恒計(jì)算，則有：碳(C)平衡：出口氣總碳量=進(jìn)口氣總碳量：(2-1)101.42即為入爐氣總碳量，按入爐水碳比R=3.3可以得到入爐氣是水蒸汽量G為：G=101.42R=101.42×3.3=334.686氫(H2)平衡：(2-2)氧（O2）平衡：(2-3)出爐干轉(zhuǎn)化氣總量：(2-4)一化碳平衡：一般一氧化碳變換反應(yīng)在轉(zhuǎn)換爐出口接近平衡，可以近似按達(dá)到平衡處理，其平衡常數(shù)可以寫(xiě)成：因?yàn)樗?2-5)解聯(lián)立方程(2-1～5)求解，可求出V，，，，。解方程按以下步驟計(jì)算：首先假設(shè)出爐溫度T1為760℃，并由氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)一理化數(shù)據(jù)分冊(cè)第572頁(yè)查出Kp=l.180，將Kp代人式（2-1～5）得到方程組如下：nCO++0.085V=101.42++0.17V=193.78+3.54+0.52+334.686=532.526+0.5nC0+0.5=169.1230.915V=nCO+++0.02設(shè)nCO為x，為y，為z，為a，則x+y+0.085V=101.42(2-1)z+a+0.17V=532.526(2-2)0.5x+y+0.5a=169.123(2-3)x+y+z-0.915V=-0.02(2-4)yz=l.180xa(2-5)用（2-1）－(2-4)得z=V-101.44(2-6)把(2-6)代人(2-2)得V－101.44+a+0.17V=532.526即a=633.96-1.17V(2-7)(2-3)-(2-4)得-0.5x+0.5a-z+0.915V=169.143（2-8)把（2-6）和（2-7）代人（2-8）得-0.5x+0.5(633.96-1.17V)-(V-101.44)+0.915V=169.143即x=498.56-1.34V(2-9)把（2-6），(2-7)，(2-9)代入(2-4)得498.56-1.34V+y+V-101.44-0.915V=-0.02即y=l.225V-397.14(2-10)把(2-6)，（2-7），(2-9)，（2-10）代入(2-5)得(1.225V-397.14)×(V-101.44)=1.053×(498.56-1.34V)×(633.966-1.17V)0.625-1169.3349V+332676.8234=0V=1520.974（舍棄），或V=349.9616把V=348.7397代入(2-6)，（2-7），（2-9），(2-10)得x=498.56-1.34349.9616=29.6111y=l.225349.9616-397.14=31.5633z=349.9616-101.44=248.5219a=633.966-1.17349.9616=224.5046所以：nCO為x=29.6111n為y=31.5633n為z=248.5219nH2O為a=224.50462.1.3一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體量表表2-2一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體量表組分Kmolmol%(干)mol%(濕)CO29.61118.72995.2505CO231.56339.29805.5967H2248.521973.210344.0667CH429.74688.50005.2746H2O224.504639.8081N20.02000.00590.0037V349.9619總為100%總為100%V-o574.4662校核平衡溫距由出一段爐出口參數(shù)計(jì)算與之相應(yīng)的水蒸汽轉(zhuǎn)化的平衡常數(shù)Kz，應(yīng)的溫度Tz就是此條件下得平衡溫度。上式中P1=1.15MP=11.3498atm此.由氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)一理化數(shù)據(jù)分冊(cè)第565頁(yè)查得Kz對(duì)應(yīng)的平衡溫度為T(mén)z在730到735℃之間，用內(nèi)查法得到Tz=738.6℃。所以平衡溫距=760-738.6=21.4℃。在一般轉(zhuǎn)化操作條件下一段轉(zhuǎn)化平衡溫距設(shè)計(jì)按20～30℃取用。新催化劑或活性良好時(shí)，△T實(shí)際較小；當(dāng)催化劑中毒，或使用后期，活性明顯衰退后T1增大。設(shè)計(jì)應(yīng)按不利情況考慮。由于△T=21.4℃，故符合設(shè)計(jì)要求，不再重新計(jì)算，若不符合，則重設(shè)T1，直到符合要求為止。（這步我算了很多遍）2.2二段爐轉(zhuǎn)化計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及物料衡算2.2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入爐水碳比：R=∑C=3.3；表2-3加氮空氣組成組分N2O2Ar合計(jì)mol/%78211100加氮控制量：轉(zhuǎn)化氣中氫氮比(H2+CO)/N2=3.1；轉(zhuǎn)化氣CH4含量0.3%（干基）；二段轉(zhuǎn)化爐出口壓力：P2=0.9MPa（絕）2.2.2二段轉(zhuǎn)化爐物料衡算為計(jì)算方便，將一段爐，二段爐視為一體作為獨(dú)立系統(tǒng)建立各有的平衡關(guān)系。該系統(tǒng)進(jìn)入物料有加氫天然氣，水蒸汽，加氮空氣；出系統(tǒng)物料則為轉(zhuǎn)化氣體一項(xiàng)，二段爐出口轉(zhuǎn)化氣各組分氣體符號(hào)同一段爐計(jì)算符號(hào)，并令F為加氮空氣總量，并聯(lián)立方程如下：碳(C)平衡：同一段爐nCO+n+0.003V=101.42(2-11)101.42即為入爐氣總碳量，按入爐水碳比R=3.3可以得到入爐氣是水蒸汽量G為：G=10l.42R=101.42×3.3=334.686=193.78+3.54+0.52+334.686=532.526(2-12)n+0.5nCO+0.5n=1.78+0.5G+0.21Fn+0.5nCO+0.5n=169.123+0.21F(2-13)出二段爐干轉(zhuǎn)化氣總量：V=nCO+n+n+0.003V+(0.78+0.01)F+0.02=nCO+n+n+0.003V+0.79F+0.02(2-14)氮量控制方程（氫氮比）：=2.418F+0.062(2-15)一氧化碳變換反應(yīng)平衡方程：（2-16）聯(lián)解式(2-1-6)6式可以解得6個(gè)未知數(shù)，聯(lián)解試算步驟與一段轉(zhuǎn)化爐相同。nCO+n+0.003V=101.42（2-11）+n+0.06V=193.78+3.54+0.52+334.686=532.526（2-12）+0.5nCO+O.5n=169.123+0.21F（2-13）V=nCO+n+n+0.003V+0.79F+0.02（2-14）n+nC0=2.418F+0.062（2-15）（2-16）nCO，n，n，n，V，F(xiàn)這6個(gè)未知數(shù)分別設(shè)為x，y，z，a，V，F(xiàn)假設(shè)二段爐出口溫度為T(mén)2=995℃由氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)一理化數(shù)據(jù)分冊(cè)第572頁(yè)查出Kp=0.5680，將Kp代人式(2-16)得到方程組如下：則：x+y+0.003V=101.42（2-11）z+a+0.006V=532.526（2-12）y+0.5x+0.5a=169.123+0.21F（2-13）V=x+y+z+0.003V+0.79F+0.02（2-14）z+x=2.418F+0.062（2-15）yz=0.5680xa（2-16）由(2-11)-(2-14)得：z=V－101.44－0.79F（2-17）把(2-17)代人(2-12)得：V－101.44－0.97F+a+0.06V=532.526a=633.966－1.06V+0.79F(2-18)由(2-15)-(2-14)得0.997V－y=3.388F+0.082y=-0.082+0.997V－3.388F(2-19)由(2-13)－(2-14)得-0.5x+0.5a－z+0.997V=169.143+1.18F(2-20)把(2-17)和(2-18)代人(2-20)得-0.5x+0.5×（633.966－1.06V+0.79F)－(V－101.44－0.79F)+0.997V=169.143+1.18Fx=498.56－1.066V+0.55F(2-21)由(2-12)－2×(2-11)得z+a－2x－2y=329.686(2-22)把(2-17)，(2-18)，(2-19)，(2-21)代入(2-22)得V－101.44－0.97F+633.966－1.06V+0.79F－2×(498.56－1.066V+0.55F)－2×(-0.082+0.997V－3.388F)=329.686即：0.078V=794.28－5.676FV=10183.0769－72.7692F(2-23)把(2-23)分別代入(2-17)，(2-18)，(2-19)，(2-21)得z=10183.0769－72.7692F－101.44－0.79Fz=10081.6369－71.7992F(2-24)a=633.966－1.06×(10183.0769－72.7692F)+0.79Fa=-10160.0955+78.1053F(2-25)y=-0.082+0.997×(10183.0769－72.7692F)－3.388Fy=10152.4457－75.9389F(2-26)x=498.56－1.066×(10183.0769－72.7692F)+0.55Fx=-10356.6+78.122F(2-27)把(2-24)，(2-25)，(2-26)，(2-27)代人(2-26)得(10152.4457－75.9389)×(10081.6369-71.7992)=0.5680×(-10356.6+78.122F)×(-10160.0955+78.1053F)1986.5627－584230.723F+42586013.58=0解得：F=160.6612（舍去），或F=133.4301所以：nCO=x=-10356.6+78.122F=67.2256n=y=10152.4457－75.9389F=19.9113n=z=10081.6369－71.7992F=501.4631n=a=-10160.0955+78.1053F=261.5018V=10183.0769－72.7692F=473.47532.2.3二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體量表表2-4二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體量表組成轉(zhuǎn)化氣工藝空氣Kmolmol%(干)mol%（濕）Kmolmol%CO67.22569.66657.0250CO219.91132.86312.0807H2501.463172.108352.4021H2O261.501827.3265CH41.42040.30000.1484N2104.095514.968110.8778104.075578Ar1.33430.19190.13941.33431O228.020321V473.4753100100133.4301100V1734.9771校驗(yàn)平衡溫距：將結(jié)果代入得Kz=3433.2680由氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)一理化數(shù)據(jù)分冊(cè)第565頁(yè)查得Kz對(duì)應(yīng)的平衡溫度為T(mén)z在945到950℃之間，用內(nèi)查法得出Tz=947.8℃。所以平衡溫距：△T=T2-Tz=995-947.8=47.2一般設(shè)計(jì)平衡溫距為40～50℃之間，合符要求，不再重算。（這步衡算了多次得出）2.3以噸氨每小時(shí)為計(jì)算標(biāo)淮折合指標(biāo)因?yàn)樵O(shè)計(jì)是二十萬(wàn)噸合成氨的工藝設(shè)計(jì)，所以將主要計(jì)算結(jié)果乘以干轉(zhuǎn)化氣消耗定額與干轉(zhuǎn)化氣計(jì)算量之比，再乘以200000/(330×24)=25.2525即都乘(133.94/473.4753)×25.2525，得出以一噸氨每小時(shí)為基準(zhǔn)的有關(guān)物料總量：原料天然氣：l00×(133.94/473.4753)×25.2525=714.3603kmol/h（16001.6699（標(biāo)））工藝水蒸汽：334.686×(133.94/473.4753)×25.2525=2390.8641kmol/h(53555.3557kg/h)工藝空氣：133.4301×(133.94/473.4753)×25.2525=953.1719kmol/h(21351.05(標(biāo))）一段轉(zhuǎn)化氣：349.9616×(133.94/473.4753)×25.2525=2499.9869kmol/h(55999.7072（標(biāo)））574.4662×(133.94/473.4753)×25.2525=4103.751kmol/h(91924.0216(標(biāo)))含蒸水汽二段轉(zhuǎn)化氣：473.4753×(133.94/473.4753)×25.2525=5250.3851kmol/h(75763.9649(標(biāo)))734.9771×(133.94/473.4753)×25.2525=3382.3199kmol/h(117608.6273(標(biāo))）含水蒸汽物料計(jì)算結(jié)果匯總于圖一中。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)熱量衡算3熱量衡算3.1計(jì)算基準(zhǔn)和計(jì)算方法同物料衡算，先以l00koml一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)口氣為基準(zhǔn)，而后將結(jié)果乘以(133.94/473.4753)×25.2525折合為一噸氨每小時(shí)為基準(zhǔn)。計(jì)算方法：由于反應(yīng)較為復(fù)雜，并且壓力不同，可以忽略壓力對(duì)熱效應(yīng)的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，擬采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)焓（或生成焓）計(jì)算。以P=latm，t=25℃為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計(jì)算式為：(3-1)式中為氣體在在TK的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；該氣體在25℃下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，kcal/kmol(4.1868kj/kmol)；T絕對(duì)溫度，K；氣體的等壓比熱容，kcal/(kmol℃)氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式：+…(3-2)式中，,，…為氣體的特性常數(shù)。將(3-2)代人(3-1)積分得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式：…(3-3)式中常數(shù)，，，與氣體的特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為：現(xiàn)在將有關(guān)氣體的計(jì)算常數(shù)列到表3-1中。采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱能夠量平衡，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)行，步驟有多少，只要計(jì)算出過(guò)程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過(guò)程的總熱效果：△H=(始一()末）式中；△H過(guò)程熱效應(yīng)，其值為正值時(shí)為放熱，為負(fù)值是為系統(tǒng)吸熱，kcal；nf始態(tài)或末態(tài)i氣體的千摩爾數(shù)，kmol；H1始態(tài)濕度或末態(tài)溫度下i的基準(zhǔn)焓kcal/kmol。表3-1氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表分子式a0a1a2a3a4O2-1.90318×1045.802982.15675×10-3-7.40499×10-71.08808×10-10-2.11244×1037.20974-5.55838×10-44.84590×10-7-8.18957×10-11H2O-6.00360×1047.110921.29319×10-31.28506×10-7-5.78039×10-11N2-1.79673×1036.469035.1864×10-42.03296×10-7-7.65632×10-11CO-2.83637×1046.266278.98694×10-45.04519×10-7-4.14272×10-11CO2-96377.888676.3695.05×10-3-1.135×10-60Ar-1481.258884.986000CH4-1.96251×1043.35968.49588×10-3-7.11247×10-7-2.54873×10-11C2H6-2.21485×104-0.10392.40804×10-2-7.78185×10-61.14415×10-9C3H8-2.73961×104-1.265473.68744×10-2-1.28499×10-51.97668×10-93.2一段轉(zhuǎn)化爐熱量平衡3.2.1進(jìn)入混合氣帶入焓設(shè)混合氣入爐溫度為480℃，根據(jù)天然氣物料表2-1得各天然氣組分量及水蒸汽量G列于計(jì)算表3-2。Hi用(3-3)求得：表3-2一段爐進(jìn)口混合氣焓計(jì)算表分子式mol/%,kmol,kcal/mol,kcalCH422.289796.89-12661-1226724.29C2H60.27151.18-11524-13598.32C3H80.00300.13-12284-1596.92CO20.40951.78-89181-158742.18N20.00460.02324464.88H2S微量微量H2O76.9949334.686-53910-18042922.26合計(jì)100434.686-19443519.09注：lkcal=4.1868kj混合氣帶入焓為：=-19443519.09×(133.94/473.4753)×25.2525=-138896792.6kcal/()=-581533091.4kj/()3.2.2一段轉(zhuǎn)化氣帶出焓一段轉(zhuǎn)化氣溫度760℃，根據(jù)一段爐物料平衡表2-2中各組分量列于計(jì)算表3-3。Hi用(3-3)求得表3-3一段轉(zhuǎn)化焓計(jì)算表分子式mol/%,kmol,kcal/kmol(760℃),kcalCO5.250529.6111-21881-647920.4791CO25.596731.5633-90530-2857452.549H244.0667248.521955411377059.8479CH45.274629.7468-16202-481957.6536H2O39.8081224.5046-51781-11625072.6926N20.00370.02476895.36合計(jì)100574.4662-14235248.1664注：lkcal=4.1868kj一段氣體帶出焓：Hi=-14235248.1664×(133.94/473.4753)×25.2525=-101690969.8kcal/)=-425759752.4kj/()3.2.3燃料天然氣量計(jì)算由于輻射段熱負(fù)荷==-581533091.4－(-425759752.4)kj/()=-155773339kj/()=-37205822.82kcal/()燃料天然氣量計(jì)算：燃料天然氣組成見(jiàn)表2-1。由各組分氣體的低熱值計(jì)算燃料氣低熱值為：=0.9689×8555+0.0118×15226+0.0013×21795=8496.9398kcal/m3（標(biāo)）=35574.9876（標(biāo)）輻射段熱效率以燃料天然氣總熱值的48%計(jì)，則需燃料氣量為：v==155773339/(0.48x35574.9876)=9122.3585（標(biāo)）/（）燃料總熱值：=35574.9876x9122.3585=324527789.6kj/()=77512130.88kcal/()3.3二段轉(zhuǎn)化爐熱量平衡3.3.1一段轉(zhuǎn)化氣帶入焓=-425759752.4kj/()3.3.2工藝空氣帶入焓設(shè)空氣入爐溫度為480℃，依據(jù)表2-3工藝空氣組分表各組分量，列空氣帶入焓表3-4。表3-4空氣帶入焓計(jì)算分子式mol/%,kmol,kcal/kmol(480),kcalN278104.07553244337620.922O22128.0203304985433.8947Ar1.01.334322603015.518合計(jì)100133.4301426070.3347注：lkcal=4.1868kj空氣帶入焓為=426070.3347×(133.94/473.4753)×25.2525=3043677.568kcal/()=12743269.24kj/()3.3.3二段轉(zhuǎn)化氣帶出焓二段轉(zhuǎn)化氣出爐溫度為995℃，按二段爐氣體出口表2-4中轉(zhuǎn)化氣組成列于轉(zhuǎn)化氣帶出焓計(jì)算表3-5Hi用(3-3)求得：表3-5轉(zhuǎn)化氣焓計(jì)算表分子式mol/%,kmol,kcal/kmol(995),kcalCO7.025067.2256-26356-1771797.914CO22.080719.9113-89746-1786959.53H252.4021501.463170393529798.761CH40.14841.4204-15306-21740.6424H2O27.3265261.5018-49622-12976242.32N210.8778104.09556341660069.5655Ar0.13941.334348186428.6574合計(jì)100956.952-14027452.64注：lkcal=4.1868kj轉(zhuǎn)化氣帶出焓：=-14027452.64×(133.94/473.4753)×25.2525=-100206560.9kcal/()=-419544829.3kj/()二段爐熱量平衡=-101690969.8+3043677.568－(-100206560.9)=1559268.688kcal/()=6528346.059kj/()△H為正，說(shuō)明有多余的熱量放出作散熱損失（包括一段轉(zhuǎn)化氣入二段爐夾套及表面散熱）。3.4天然氣預(yù)熱器負(fù)荷計(jì)算3.4.1天然氣帶入焓由于目前小型合成氨廠天然氣壓力一般較低，故以入預(yù)熱器溫度為40℃計(jì)，由天然氣組成表2-1天然氣各組分量列預(yù)熱器入口氣體焓計(jì)算。表3-6天然氣焓計(jì)算表(1)40℃分子式mol/%,kmol,kcal/kmol,kcalCH496.8996.89-17764-1756681.96C2H61.181.18-20047-23655.46C3H80.130.13-24551-3191.63CO21.781.78-93915-167168.7N20.020.021022.04合計(jì)100100-1950695.71注：lkcal=4.1868kj天然氣帶入焓：=-1950695.71×(133.94/473.4753)×25.2525=-13934996.86kcal/()=-58343044.87kj/()3.4.2天然氣帶出焓脫硫溫度按420℃計(jì)，組分量同表3-6，列天然氣焓計(jì)算表(2)，見(jiàn)表3-7：表3-7天然氣焓計(jì)算表(2)，420℃分子式mol/%,kmol,kcal/kmol,kcalCH496.8996.89-13510-1336003.91.181.18-12978-15314.040.130.13-14378-1869.141.781.78-89896-160014.880.020.02-279955.98合計(jì)100100-1513145.98注：lkcal=4.1868kj天然氣帶出焓：=-1513145.98×(133.94/473.4753)×25.2525=-10809315.05kcal/()=45256440.25kj/()天然氣預(yù)熱器熱負(fù)荷：=-13934996.86－(-10809315.05)=-3125681.81kcal/()=-13086604.6kj/()3.5混合氣預(yù)熱負(fù)荷計(jì)算3.5.1天然氣帶入焓設(shè)脫硫熱量損失使得氣體溫度降至390℃，則天然氣焓計(jì)算表(3)見(jiàn)表3-8表3-8天然氣焓計(jì)算表(3)，390℃分子式mol/%,kmol,kcal/kmol,kcal96.8996.89-13918-1376351.021.181.18-13676-16137.680.130.13-15383-1999.791.781.78-90246-160637.880.020.02257951.58合計(jì)100100-1555074.79注：lkcal=4.1868kj天然氣帶入焓：=1555074.79×(133.94/473.4753)×25.2525=-11109340.62kcal/()=-46512587.29kj/()3.5.2水蒸汽帶入焓水蒸汽按1.275MPa（表）飽和蒸汽計(jì)，其焓值為666.2kcal/kg,0℃時(shí)水蒸汽化熱為597.3kcal/kg，故當(dāng)以0℃之水為基準(zhǔn)時(shí)，水蒸汽焓應(yīng)為666.2－597.3=68.9kcal/kg。設(shè)水蒸汽在t℃時(shí)統(tǒng)一基準(zhǔn)焓為，0℃時(shí)查（或算）H=-57955kcal/kmol，則有：(-57955)=68.9×18.02所以：=68.9×18.02-57995=-56753.442kcal/kmol由統(tǒng)一基準(zhǔn)焓表可以查得相當(dāng)于其焓值的溫度為154℃。所以蒸汽帶入焓=2390.804×(-56753.442)=-135689637kcal/()=-568105372.1kj/()式中2390.804為以一噸氨每小時(shí)為基準(zhǔn)的水蒸汽耗量，kmol/h?；旌蠚鈳С鲮驶旌蠚鈳С鲮始矗?-138896792.6kcal/()=-581533091.4kj/()3.5.3混合氣預(yù)熱器熱負(fù)荷=-11109340.62+(-135689637)－(-138896792.6)=-7902185.02kcal/()=-33084868.24kj/()3.6工藝空氣預(yù)熱器熱負(fù)荷計(jì)算工藝空氣帶入焓：由于進(jìn)入空氣考慮凈化除油，不回收壓縮熱，按40℃計(jì)算，列空氣焓計(jì)算表3-9。表3-9工藝空氣焓計(jì)算表分子式mol/%,kmol,kcal/kmol,kcal78104.075510210615.7012128.02031042914.1112Ar11.334375100.0725合計(jì)100133.430113629.8847注：lkcal=4.1868kj工藝空氣帶入焓：=13629.8847×(133.94/473.4753)×25.2525=97365.3081kcal/()=407649.0718kj/()工藝空氣帶出焓：=3043677.568kcal/()=12743269.24kj/()工藝空氣預(yù)熱器熱負(fù)荷：空氣預(yù)熱器熱負(fù)荷：=97365.3081－3043677.568=-2946312.26kcal/()=-12335620.17kj()3.7燃燒煙氣計(jì)算3.7.1燃燒空氣量計(jì)算理論空氣量計(jì)算：燃料天然氣量：=9122.3585（標(biāo)）/()=407.2481kmol/()其組成見(jiàn)表2-1燃燒每mol燃料所需理論空氣量為：式中：XH2燃料中的摩爾百分?jǐn)?shù)，%；XCmHn燃料中XCmHn碳?xì)浠衔锬柊俜謹(jǐn)?shù)，%；21氧在空氣中的摩爾百分?jǐn)?shù)，%。所以：=3850.5825kmol/()=86253.0486（標(biāo))/()3.7.2實(shí)際空氣量的計(jì)算為保證燃料完全燃燒，取空氣過(guò)剩系數(shù)a=l.1，實(shí)際空氣量：=l.l×3850.5825=4235.6408kmol/()=94878.3528（標(biāo)）/()煙氣量及組成計(jì)算略去空氣帶入水分，并按燃料中可燃組分完全燃燒列出燃料·空氣·煙氣平衡計(jì)算表3-10表3-10燃料氣空氣煙道氣平衡計(jì)算表(1)組分燃料天然氣燃燒空氣煙氣kmolmol%kmolmol%kmolmol%CH4402.727696.89C2H64.80591.18C3H80.52940.13CO27.24901.78421.17689.0713N20.08410.023303.7998783303.799871.1601O2889.48462164.5731.3681Ar42.3564142.35640.9123H2O810.902417.4655合計(jì)407.24811004235.64081004642.8841100煙氣溫度計(jì)算：最高絕熱燃燒溫度計(jì)算：根據(jù)熱量平衡有：燃料焓+空氣焓－煙氣焓（時(shí)）=0以燃料溫度，空氣溫度都為25℃時(shí)，空氣焓=0所以煙氣焓()=燃料焓(25℃)由表3-10得燃料焓：=7.2490×(-94052)+402.7276×(-17889)+4.8059×(-20236)+0.5094×(-24820)=-7996476.028kcal/()=-33479645.83kj/()設(shè)煙氣溫度為1900℃，則：=3303.7998×14886+42.3564×9315+421.1768×(-70278)+64.573×15720+810.9024×(-38466)=-10199999.34kcal/()=-42705357.24kj/()=-33479645.83－(-42705357.24)=9202785.164kj/()>0說(shuō)明還有多余的熱量放出，溫度應(yīng)當(dāng)更高，設(shè)t=1930℃=3303.7998×15139+42.3564×9464+421.1768×(-69912)+64.573×15995+810.9024×(-38080)=-8872891.819kcal/()=-7996476.028－(-8872891.819)=874237.8637>0說(shuō)明還有多余的熱量放出，溫度應(yīng)當(dāng)更高，設(shè)t=1950℃=3303.7998×15476+42.3564×9553+421.1768×(-69647+64.573×16045+810.9024×(-37676)=-7313270.591kcal/()-7996476.028－(-7313270.591)=-483205.419kcal/()<0說(shuō)明熱量不足，溫度應(yīng)該在1930～1950℃之間，由兩次試算結(jié)果應(yīng)有：=1930+(1950-1930)/()=1930+20×874237.8637/1559621.22=1941.24℃在最高溫度t=1941.24℃時(shí)煙氣的焓值為：=3303.7998×15342+42.3564×9502+421.1768×(-69852)+64.573×15983+810.9024×(-37859)=-7996889.565kcal/()=-33481377.23kj/()-7996476.028－(-7996889.565)=413.5355kcal/()=1731.3905kj/()△H與總值比僅萬(wàn)分之六，可略去不計(jì)，絕熱燃燒溫度=1941.24℃。煙氣出輻射段溫度：煙氣在輻射段放出熱量應(yīng)當(dāng)是一段轉(zhuǎn)化熱與本段熱量損失之和。取熱量損失為燃料低發(fā)熱量的4%。設(shè)煙氣出輻射段溫度為，則有：=155773339+0.04×324527789.6=168752396.6/()即168752396.6=-33481377.23－168752396.6=-202233773.9kj/(）=48302707.05kcal/()計(jì)算結(jié)果，當(dāng)=1016.4℃時(shí)=3303.7998×7574+42.3564×4971+421.1768×(-82225)+64.573×7909+810.9024×(-48683)=-48363071.69kcal/()所以t1=1016.4℃對(duì)流段煙氣溫度分布計(jì)算由于爐內(nèi)負(fù)壓操作，入孔，視孔，煙道漏氣茌所難免，故計(jì)算對(duì)流段煙道氣溫度時(shí)，煙氣量和組成按空氣過(guò)剩系數(shù)為1.2計(jì)算，故實(shí)際空氣量為：=1.2×3850.5825=4620.699kmol/()=103503.6576（標(biāo)）/()比輻射段多用了空氣4620.699－4235.6408=385.0582kmol，所以對(duì)流段煙氣量及組成可在原基礎(chǔ)上加上多余空氣各組分量而得：表3-11表3-11對(duì)流段煙氣量及組成煙氣組分N2ArCO2O2H2O合計(jì)kmol/()3604.226846.2070421.1708145.4295810.90245027.9366mol/%71.6840.9198.37662.892516.1279100煙氣入對(duì)流段溫度：設(shè)燃料和空氣燃燒前溫度都為25℃，設(shè)對(duì)流段煙氣焓為，則燃料焓：燃料焓+空氣焓(25℃)-=輻射段熱負(fù)荷+損失。其中：=-7996476.028kca/()=37205822.82kcal/()輻射段損失=0.04=0.04×77512130.88=3100485.232kcal/()空氣焓(25℃)為0。所以：對(duì)流段煙氣焓：=－－=-799647682-3100485.232=-48302293.48kcal/()=-202232042.4kj/()試算得：=942℃時(shí)=145.4295×7342+3604.2268×7050+46.2070×4667+421.1708×(-83125)+810.9024×(-49314)=-48305475.49kcal/()=-202245364.8kj/()因≈，故=942℃以下煙氣經(jīng)各預(yù)熱之后熱損失全部按預(yù)熱器熱負(fù)荷的5%計(jì)算，先以熱平衡求出各預(yù)熱器煙氣焓值，而后在試算其溫度，計(jì)算方法與上面計(jì)算完全相似，此處從略僅將計(jì)算結(jié)果列于表3-12中。表3-12對(duì)流段煙氣溫度分布表煙氣位置預(yù)熱器熱負(fù)荷kj/()煙氣焓值kj/()溫度℃煙氣段問(wèn)放熱kj/()對(duì)流段進(jìn)口-202245364.8942空氣預(yù)熱器出口12335465.07-215197603.186612952238.31混合氣預(yù)熱器出口33082360.27-249934079.2650.734736476.06天然氣預(yù)熱器出口13086445.36-263674846.8566.7413740767.63煙氣廢鍋出口50489554.07-378940158.126355265311.293.8轉(zhuǎn)化工序自產(chǎn)蒸汽量計(jì)算3.8.1煙氣廢鍋產(chǎn)汽量及熱負(fù)荷煙氣廢鍋產(chǎn)汽量：設(shè)煙氣廢鍋段放出的熱量中10%作為散熱和排污損失，產(chǎn)生1.275MPa表壓飽和蒸汽，其焓為666.2kcal/kg。進(jìn)水溫度90℃，其焓為90.04kcal/kg，則每kg蒸汽需要熱量：=666.2－90.04=576.16kcal=2412.2667kj由表3-12的煙氣放熱Q=55265311.29kj/()故應(yīng)產(chǎn)蒸汽量為：=0.9Q/=0.9×55265311.29/2412.2667=20619.1049kg/()煙氣廢熱負(fù)荷：設(shè)軟水總固體為150ppm，排污水中總固體2000ppm，若排污量kg，則有總體平衡有：(G+)×150=2000=150G/(2000-150)=150x20619.1049/1850=1671.8193kg/()排污水焓：197.3kcal/kg廢鍋熱負(fù)荷為：0.9×55265311.29+1671.8193×(197.3-90.04)×4.1868=49738780.16+750774.2048=50489554.36kj/()其中49738780.16kj/()為產(chǎn)生蒸汽的有效熱量。轉(zhuǎn)化氣廢鍋產(chǎn)汽量轉(zhuǎn)化氣帶入焓：=-100206560.9kcal/()=-419544829.3kj/()轉(zhuǎn)化氣帶出廢鍋焓：設(shè)出廢鍋轉(zhuǎn)化溫度為360℃，于是可按其組成算得：=501.463l×2339+104.0955x2360+1.3343×1664+19.9113×(-90592)+67.2256×(-24041)+1.4204×(-14314)+261.5018×(-54992)=-16400005.88kcal=(133.94/473.4753)×25.2525=-16400005.88×(133.94/473.4753)×25.2525=-117153714.9kcal/()=-490499173.4kj/()轉(zhuǎn)化氣方程熱量=-100206560.9－(-117153714.9)=16947154kcal/()=707954344.37kj/()3.8.2轉(zhuǎn)化氣廢鍋產(chǎn)汽計(jì)算設(shè)包括二段爐出口管段損失及排污等占總熱量的15%，其它條件同煙氣廢鍋，則產(chǎn)汽量為：kg/()排污量：=150×25001.8759/1850=2027.1791kg/()熱負(fù)荷:60311192.71+2027.1791×(197.3-90.04)×4.1868=61225956.34kj/()轉(zhuǎn)化工序自產(chǎn)蒸汽總量：G==20619.1049+25001.8759=45620.9808kg/()除了自耗用43035.0299kg/()外，尚多出2587.7503kg/()。加上交換，合成產(chǎn)生蒸汽，可以有汽外供。3.9物料，熱量平衡結(jié)果原料天然氣消耗：16001.6699((標(biāo))）燃料天然氣消耗：9122.3585/((標(biāo))）天然氣總消耗：25124.0284/((標(biāo)))以上定額未計(jì)算弛放氣回收燃料熱量，故實(shí)際生產(chǎn)管理好者，天然氣總耗量可以在l000m（標(biāo)）以下。將熱量計(jì)算結(jié)果匯總后也列于圖一中。圖一物料熱量匯總框圖（以一噸氨每小時(shí)為基準(zhǔn)）物料名稱原料天然氣原料天然氣工藝蒸汽混合氣一段轉(zhuǎn)化氣物料組分（%）N20.020.020.00460.0037O2ArH244.0667CO21.781.780.40955.5967CO5.2505CH496.8996.8922.28975.2746C2H61.181.180.2715C3H80.130.131000.0030H2O76.994939.8081流量Kmol/h(干)714.3603714.3603714.36032499.9869Kmol/h(濕)2390.86413105.22444103.751溫度（℃）40390480760壓力（MPa）1.421.371.3751.3461.15統(tǒng)一基準(zhǔn)焓(kj)-58343044.87-46512587.29-568098457.3-58126013.3425754570.2物料名稱二段轉(zhuǎn)化氣燃料天然氣煙道氣工藝空氣工藝空氣物料組分（%）N210.87780.0271.68407878O22.89252121Ar0.13940.919011H252.4021CO22.08071.788.3766CO7.0250CH40.148496.89C2H61.18C3H80.13H2O27.326516.1279流量Kmol/h(干)3382.3199407.2481953.1719953.1719Kmol/h(濕)5250.38514642.8841溫度（℃）9952526340480壓力（MPa）0.90.21.251.15統(tǒng)一基準(zhǔn)焓(kj)-419544829.377511187.49-318940158.1407649.071812743269.24河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)備的選型計(jì)算4設(shè)備的選型計(jì)算（主要設(shè)備）4.1一段轉(zhuǎn)化爐輻射室計(jì)算4.1.1已知條件入爐混合氣：表4-1入爐氣組成組分N2CO2CH4C2H6C3H8H2O平均分子量mol/%0.00460.409522.28970.27150.003076.994929.48入爐壓力：1.346MPa（絕）；入爐溫度：480℃入爐氣量：干氣714.3603kmol/h濕氣714.3603+2390.8614=3105.2244kmol/h出一段爐轉(zhuǎn)化氣：表4-2一段爐轉(zhuǎn)化氣組成組分H2N2COCO2CH4H2O平均分子量mol/%44.06670.00375.25055.59675.274639.808124.53一段轉(zhuǎn)化氣壓力：1.15MPa（絕）；一段轉(zhuǎn)化氣溫度：760℃；氣量：干氣2499.9869kmol/h濕氣4103.751kmol/h燃料天然氣：表4-3燃料天然氣組成組分CH4C2H6C3H8CO2N2mol/%96.891.180.131.780.02溫度：25℃，壓力：0.2MPa;氣量：407.2481kmol/h=9122.3574m3(標(biāo))/h;燃料低熱值；35574.9876kj/(標(biāo))。燃燒煙氣：空氣過(guò)剩系數(shù)：a=1.1表4-4煙氣組成組分N2ArCO202H2O平均分子量mol/%71.16010.91239.07131.368117.465525.65煙氣量：4642.6841kmol/h；理論最高燃燒溫度：1016.4℃轉(zhuǎn)化管熱負(fù)荷：=37205822.82kcal/h=155773339kj/h輻射段熱效率：=48%輻射段熱損失：Qs=3100485.235kcal/h=12981111.58kj/h4.1.2爐型選擇選用項(xiàng)燒大火焰燒嘴方箱爐。該爐型的火焰與轉(zhuǎn)化管平行，煙氣能均勻由煙道排出。采用適當(dāng)管間距，火焰不會(huì)發(fā)生沖擊管子的現(xiàn)象。采用強(qiáng)制通風(fēng)，燃燒穩(wěn)定；燒嘴能力大，數(shù)量少，控制方便，適于中小合成氨廠使用。燒嘴自上而下噴射燃燒可滿足反應(yīng)供熱需要，上部煙氣溫度高，管內(nèi)轉(zhuǎn)化速度快，吸熱量多，下部煙氣溫度低，管內(nèi)轉(zhuǎn)化慢，需要熱量少，轉(zhuǎn)化管壁溫度基本均勻。對(duì)流室設(shè)于地面，便于檢修，但占地面積大，需設(shè)引風(fēng)機(jī)。爐管選用：Cr25Ni20離心燒鑄管；爐管尺寸：124×ll，有效長(zhǎng)度L=10000mm。催化劑選用：Z107，粒度為16×16×6.干氣空速?。?.1.3計(jì)算方法天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需要熱量通過(guò)燃料在管外燃燒而得。本設(shè)備既是一個(gè)反應(yīng)器，又是一個(gè)換熱器，反應(yīng)和換熱密切相關(guān)。由于轉(zhuǎn)化管內(nèi)氣體濃度，溫度治爐管軸向變化及轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量不均勻，故應(yīng)將管內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與燃料燃燒及燃料傳遞關(guān)聯(lián)起來(lái)，，建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)，進(jìn)行積分計(jì)算，以確定管內(nèi)氣體組成與溫度分布曲線，轉(zhuǎn)化管壁溫及管外煙氣溫度分布曲線，從而得出輻射室的主要參數(shù)。由于分段計(jì)算十分繁雜，且其中涉及的催化劑動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)也難于取得，故本計(jì)算將一段轉(zhuǎn)化輻射段作為一個(gè)整體，按轉(zhuǎn)化管進(jìn)，出口氣體溫度和組成，爐管平均壁溫，煙氣離輻射室的溫度進(jìn)行計(jì)算。4.1.4爐膛尺寸確定爐管有效容積，每根管有效容積為：催化劑用量：根據(jù)入爐干氣量及選定空速計(jì)算催化劑用量為：爐管根數(shù)計(jì)算：根爐管布置及爐膛尺寸設(shè)計(jì)：考慮爐體緊湊，減小尺寸，將爐管分成7排布置，每排30根，每排爐管間布燃燒嘴12個(gè)，共布燒嘴8排96個(gè)。燒嘴與爐管間距取0.7m;各排爐管的管心距取2=0.248m。故爐管（或燒嘴）的排間距為：b==1.38m由此得輻射室尺寸：爐寬：3b+2×0.7=3×1.38+1.4=5.54m爐長(zhǎng)：(30-1)×0.248+2×0.25=7.692m爐高：10m4.1.5轉(zhuǎn)化管內(nèi)傳熱系數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)化管內(nèi)壁到轉(zhuǎn)化氣之間的內(nèi)膜給熱系數(shù)，包括輻射給熱系數(shù)和對(duì)流給熱系數(shù)，可由下式計(jì)算：(4-1)式中：管內(nèi)總給熱系數(shù)，kcal/()；管內(nèi)輻射給熱系數(shù)，kcal/()；管內(nèi)對(duì)流給熱系數(shù)，kcal/()；管內(nèi)輻射給熱系數(shù)計(jì)算：=0.1918（4-2）式中：管內(nèi)壁溫度，℃；（4-3）管壁黑度，=0.8-0.9催化劑黑度，對(duì)轉(zhuǎn)化鎳催化劑=0.6則：=l/(1/0.9+1/0.6-1)=0.5625=0.1918x0.5625×=93.0855kcal/()=108.258W/()管內(nèi)對(duì)流給熱系數(shù)計(jì)算管內(nèi)對(duì)流給熱系數(shù)因條件不同而有不同計(jì)算式：當(dāng)/<0.35,=1000~4000時(shí)，=0.813(/)(/)(4-4)式中氣體混合物導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/()；氣體混合物粘度，kg/()；催化劑當(dāng)量直徑，m；對(duì)圓柱體，直徑為，高度為H時(shí)，=(4-5)G氣體空管質(zhì)量流速，kg/()；轉(zhuǎn)化管內(nèi)徑，m。當(dāng)／>6150<<4500時(shí)，=0.0646（4-6）式中催化劑的比表面積，；催化劑空隙率，查圖小合成氨廠工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)第297頁(yè)圖15-3-1。其余意義同前。當(dāng)條件不合a，b時(shí)，=3.6/(4-7)因本條件下，氣體溫度，組成在管內(nèi)變化較大，故物性參數(shù)采用進(jìn)口態(tài)和出口態(tài)的平均計(jì)算：進(jìn)口混合氣：溫度480℃，壓力1.346MPa（絕），根據(jù)入爐氣體組成計(jì)算出物性參數(shù)：=0.655kcal/()；=0.0943kg/()出口氣體溫度760℃，壓力1.15MPa（絕），及氣體組成可得出口氣物性參數(shù)：=0.152kcal/()；=0.1206kg/()；=O.6878kcal/(kg℃)；故：=(+)/2=(0.0655+0.152)/2=0.1088()=(+)/2=(0.0943+0.1206)/2=0.1075kg/()又：=3105.2244x29.48/22.5x=55374kg/()由式(4-5)得：==22.0mm=0.022m由/=22.0/102=0.216查圖得：=0.597所以=G/=0.022×55374/0.597×0.1075=18982>4000應(yīng)按(4-7)計(jì)算：=3.6×(0.1088/0.022)×=648.789kcal/()=754.54管內(nèi)總給熱系數(shù)：=93.0855+648.789=741.883kcal/()=862.81爐管平均壁溫計(jì)算：管內(nèi)物料平均溫度：=(480+760)/2=620℃爐管平均熱強(qiáng)度（外徑）計(jì)算：==37205822.82/(210×0.124×10)=45503.03=190512.074.1.6爐管外壁平均溫度計(jì)算取管內(nèi)垢熱阻R=O.0002/kcal；管材導(dǎo)熱系數(shù)=20kcal/()；則=+(/+/1/R+)=620+(1/862.81+0.011/20+0.0002)×45503.03×124/102=725.6℃爐管內(nèi)壁平均溫度計(jì)算：=620+(45503.03×124)/(862.81×102)=684℃與假設(shè)tb=679℃接近，可以不再重算。最高管壁溫度計(jì)算：因未采用分段計(jì)算，故很準(zhǔn)確確定最高外壁溫度的位置及該點(diǎn)的實(shí)際熱強(qiáng)度。現(xiàn)按轉(zhuǎn)化氣出口溫度及爐管平均熱強(qiáng)度來(lái)計(jì)算，所得最高外壁溫度值比實(shí)際出口點(diǎn)外壁溫度偏高。并以此計(jì)算值近似的作為爐管的設(shè)計(jì)溫度。催化劑層徑向?qū)嵯禂?shù)計(jì)算=+kcal/()(4-8)式中不流通情況下催化劑層徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/()；流通情況下催化劑層徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/()；=(4-9)式中：催化劑導(dǎo)熱系數(shù)kcal/()；對(duì)鎳催化劑入s=l；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，=0.04；相鄰兩催化劑顆粒間的輻射給熱系數(shù)，kcal/()；從空隙到相鄰空隙的催化劑輻射給熱系數(shù)，kcal/()；其余符合意義同前。=0.1918（4-10）式中：為催化劑黑度，取為0.6=0.1918×0.6/(2-0.6)×=86.7kcal/()=100.83=0.1918（4-11）式中=0.1918×0.6785×=137.3kcal/()=159.68由式(4-9)得：=(1-0.587)/{1+[1/[(0.152/0.04)+86.7×0.0196]}=1.9229kcal/()=2.4535=(4-12)式中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為0.12出口氣等壓比熱容，=0.6878kcal/=0.12×0.0196×0.6878×43589=70.514kcal/()=82.007由式(4-8)得：=1.9291+70.514=72.443kcal/()=84.252與管內(nèi)壁接觸的催化劑表面溫度計(jì)算：把催化劑層視為整體導(dǎo)熱，通過(guò)爐管內(nèi)壁的熱強(qiáng)度為：q==37205822.82/(210×3.14×0.102×10)=55317=231602.9管內(nèi)表面溫度梯度為：=55317/72.443=763.593℃/m=7.64℃/cm假定轉(zhuǎn)化管的傳熱量是原來(lái)的一半，其半徑為內(nèi)徑的倍的圓周上任一點(diǎn)的熱強(qiáng)度為：=33115=163766.79則=39115/72.443=539.94℃/m=5.51℃/cm催化劑層中的徑向平均溫度梯度為：=0.5[()+()]=0.5×(7.64+5.40)=6.52℃/cm當(dāng)半徑為0.5=0.051時(shí)：△x。=0.05l×(1－）=0.0149m=l.49cm于是轉(zhuǎn)化管內(nèi)壁接觸的催化劑層表面溫度為：=t+=760+1.49x6.52=769.71℃爐管內(nèi)壁溫度計(jì)算：(4-13)式中α管壁至催化劑給熱系數(shù)，kcal/()；管壁至催化劑輻射給熱系數(shù)，kcal/（）；管壁至催化劑對(duì)流給熱系數(shù)，kcal/()。=0.19188(4-14)=1.I(4-15)設(shè)=847℃，則由式(4-14)得=0.1918×0.6/(2-0.6)×=113.33kcal/()=131.803由出口氣體物性參數(shù)代人(4-15)得=1.l×(0.152/0.0196)××=508.35kcal/()=589.885α=+=113.33+508.35=621.68kcal/()=723.01代人式(4-13)得=769.71+55317/723.01=846.22℃與假設(shè)=847℃接近，不再重算