五万吨合成氨变换工段工艺初步设计

组 分 含量％ M3(标) koml CO2 6.86 474 21.16 CO 8.16 563.86 25.172 H2 39.8 2750.68 122.798 N2 16.12 1113.9 49.73 O2 0.24 16.29 0.727 CH4 0.27 18.763 0.838 H2O 28.56 1973.52 88.1 合计 100 6911.02 308.53 中变炉CO的实际变换率的求取：

假定湿转化气为100mol，其中CO基含量为8.16％，要求变换气中CO含量为 2％，故根据变换反应：CO+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率为：

X％=

Ya?Ya?Ya?1?Ya??×100=74％

式中Ya、Ya'分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基） 则反应掉的CO的量为：8.16×74％=6.04 则反应后的各组分的量分别为： 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％ 中变炉出口的平衡常数：

K= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12

查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知K=12时温度为397℃。 中变的平均温距为397℃-365℃=32℃ 中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。 3.中变炉一段催化床层的物料衡算

假设CO在一段催化床层的实际变换率为60％。 因为进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：

组 分 含量，％ M3(标) koml CO2 6.86 474 21.16 CO 8.16 563.86 25.172 H2 39.8 2750.68 122.798 N2 16.12 1113.9 49.73 O2 0.24 16.29 0.727 CH4 0.27 18.763 0.838 H2O 28.56 1973.52 88.1 合计 100 6911.02 308.53 假使O2与H2 完全反应，O2 完全反应掉 故在一段催化床层反应掉的CO的量为：

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60％×563.86=338.318M3(标)=15.1koml

出一段催化床层的CO的量为：

563.86-338.318=225.545 M3(标)=10.069koml

故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:

2750.68+338.318-2×16.29=3056.41 M3(标)=136.447koml 故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：

474+338.318=812.318 M3(标)=36.26koml

出中变炉一段催化床层的变换气干组分：

组 分 含量％ M3(标) koml CO2 15.54 812.318 36.26 CO 43.1 225.545 10.069 H2 58.47 3056.41 136.447 N2 21.13 1113.9 49.73 CH4 0.35 18.76 0.838 合计 100 5226.94 233.35 剩余的H2O的量为：

1973.52-338.318+2×16.29=1667.79M3(标)=74.45koml

所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分：

组 分 含量％ M3(标) koml CO2 11.78 812.318 36.26 CO 3.27 225.545 10.069 H2 44.33 3056.41 136.447 N2 16.16 1113.9 49.73 CH4 0.27 18.76 0.838 H2O 24.19 1667.79 74.45 合计 100 6894.73 307.8 对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行计算： 已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）：

组 分 含量％ M3(标) koml CO2 11.78 812.318 36.26 CO 3.27 225.545 10.069 H2 44.33 3056.41 136.447 N2 16.16 1113.9 49.73 CH4 0.27 18.76 0.838 H2O 24.19 1667.79 74.45 合计 100 6894.73 307.8 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=6.6 查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当K=6.6时t=445℃ 设平均温距为30℃，则出变炉一段催化床层的变换气温度为： 445℃-30℃=415℃

4．中变炉一段催化床层的热量衡算 以知条件：进中变炉温度：335℃

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出变炉一段催化床层的变换气温度为：415℃

反应放热Q：在变化气中含有CO，H2O，O2，H2 这4种物质会发生以下2种反应：

CO +H2O=CO2+H2 （1-1） O2 + 2H2= 2 H2O （1-2）

这2个反应都是放热反应。

为简化计算，拟采用统一基准焓（或称生成焓）计算。以P=1atm，t=25℃为基准的气体的统一基准焓计算式为：

HT=△H0298=Cpdt 式中 HT

T——气体在

?在TK的统一基准焓，

298kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；

△H0298

——该气体在25℃下的标准生成热，

kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；

T——绝对温度，K；

Cp ——气体的等压比热容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/

（kmol.℃）]

气体等压比热容与温度的关系有以下经验式：

Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+?? 式中A0、A1、A2、A3??气体的特性常数 将式代入式积分可得统一基准焓的计算通式：

Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 式中常数a0、a1、a2、a3、a4与气体特性常数及标准生成热的关系为： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4

a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4

采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算，不必考虑系统中反应如何进行，步骤有多少，只要计算出过程始态和末态焓差，即得出该过程的总热效果。

△H=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末 式中△H ——过程热效应，其值为正数时为放热，为负数时系统为吸热，kcal；（4.1868kJ）;

ni --- 始态或末态气体的千摩尔数，kmol；

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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 1.90318×103 -2.11244×103 -6.0036×104 -1.97673×10 -2.83637×104 -96377.88867 3 a1 5.80298 7.20974 7.11092 6.45903 6.26627 6.396 a2 2.15675×10–3 -5.5584×10－4 1.2932×10－3 5.18164×10 8.98694×10－4 5.05×10－3 －4 a3 -7.40499×10–7 4.8459×10－7 1.28506×10－7 2.03296×10 5.04519×10－9 -1.135×10－6 －7 a4 1.08808×10–10 -8.18957×10－11 -5.78039×10－11 -7.65632×10－11 -4.14272×10－11 0.00

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：

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