石油化工技术参考资料 32 气体压缩、氨合成甲醇合成工艺设计PDF电子书下载

Ⅰ气体压缩 1

Ⅰ—1压缩机的种类及选用范围 1

一.压缩机的分类和特点 1

二.活塞式压缩机的区分 1

三.透平式风机的区分 2

四.各类压缩机的选用范围 2

图1—1各类压缩机的适用范围 2

Ⅰ—2活塞式压缩机功率和效率的计算 2

一.功率计算 2

图1—2氮气的ξ、β和B值 3

图1—3氢气的ξ、β和B值 3

图1—4甲烷的ξ、β和B值 4

图1—5氢、氮混合气的ξ、β和B值 4

图1—6空气的ξ、β和B值 5

图1—7氧气的ξ、β和B值 5

图1—8乙烯的ξ、β和B值 6

图1—9常压吸气压缩1米3/分气体时的理论耗功（吸入温度t=20℃时） 6

图1—10氢氮混合气压缩功率计算 7

图1—11天然气压缩功率计算 7

图1—12CO2气压缩功率计算 8

图1—13空气压缩功率计算 8

图1—14吸入压力P吸压出压力P出与相对压力损失的关系平均数值（实线）低数值（虚线） 9

图1—15指示功率损失△CuHδ与吸入压力的关系平均值（实线）低值（虚线） 10

图1—16指示功率损失△CuHδ与吸入压力的关系 10

表1—1某些气体绝热指数的平均值 10

表1—2某些气体的绝热指数k 11

表1—3多变膨胀指数m值（平均压缩比3～4以下） 11

表1—4k/k-1的计算值（或m/m-1） 11

表1—5不同多方指数时容积比值、温度比值和压力比值的关系 12

表1—6ε k-1/k-1值 13

表1—7k-1/ZK的计算值 13

表1—8〔（P排/P吸）k-1/Zk-1〕计算值 14

图1—17多段压缩时理论功率 14

图1—18最佳压力比的确定 14

图1—19等温效率与终了压力的关系曲线 15

图1—20等压力比分配与级数关系 15

图1—21最终压力、级数与各中间级名义压力选取关系 16

二.压缩机的输气量和各种效率计算 17

表1—9吸入口毫米水银柱换算成标准状态的修正系数 17

表1—10吸入口大气压力换算成标准状态的修正系数 18

图1—22容积系数λv的计算 19

图1—23 m=1.2时，容积系数及余隙与压缩比的关系 19

图1—24温度系数与压缩比的关系 19

图1—25 H型四列对动式压缩机 21

Ⅰ—3活塞式冷冻压缩机的功率计算 21

一.冷冻机的制冷能力与冷冻系数 21

表1—11氨压缩机的理论单位制冷能力K1 22

表1—12氨的单位容积制冷能力单位qv 23

表1—13氟利昂—12压缩机的理论单位制冷能力K1 24

表1—14氟利昂—12单位容积的制冷能力 25

二.冷冻机的功率计算 26

表1—15制冷压缩机制冷循环的各点参数表 26

表1—16立式和V型氨压缩机的吸气系数λ 27

表1—17立式和V型氨压缩机制冷量换算系数K2 28

表1—18立式和V型氟利昂—12压缩机的吸气系数λ 29

表1—19立式和V型氟利昂—12压缩机制冷量换算系数K2 30

Ⅰ—4离心式压缩机工艺计算 31

一.离心压缩机段数的确定和段压比的计算 31

图1—26压缩机的分段数Z与省功比/△h的关系 31

二.离心压缩机的功率计算 32

图1—27多变能量头的关系 33

图1—28水力效率与进口流量的关系 33

三.离心压缩机级数的决定与转速的计算 33

图1—29离心式压缩机估计的特性曲线（吸入温度为40℃） 34

Ⅰ—5氢、氮混合气压缩机系列表 34

参考文献 39

Ⅱ氨合成 41

Ⅱ—1氨合成反应的化学平衡与热效应 41

一.低压下反应的平衡常数 41

表2—1常压下不同温度时的平衡常数Kp 42

二.加压下反应的平衡常数 41

表2—2不同压力下β与I值 41

表2—3按拉尔逊Z—道吉式计算出的不同压力下的Kp值 43

表2—4由实验数计算出的平衡常数Kp值 45

图2—1氨合成反应的Kγ值与压力和温度的关系 46

表2—5氨合成反应的Kγ值 46

表2—6按吉列斯皮—比梯式计算出的不同压力下的Kp值 48

三.平衡氨浓度的计算 50

图2—2合成混合气H2-N2-NH3平衡时的列线图 52

图2—3a混合气中平衡氨含量与温度、压力的关系（压力P=10-1000大气压，温度t=200-550℃） 52

图2—3b混合气中平衡氨含量与温度、压力的关系（压力P=0-800大气压，温度t=200-700℃） 52

图2—4氢氮混合气及含有惰性气体时不同压力、温度下的平衡氨浓度 53

表2—7平衡氨浓度（H2：N2=3：1）ZNH3（拉尔逊—道吉数据） 53

表2—8压力P=1-1000大气压、t=300-640℃、H2/N2=3无惰性气体存在时平衡氨浓度ZNH3 54

表2—9压力P=100-800大气压、温度t=344℃-600℃无惰性气体存在时平衡氨浓度 56

表2—10平衡氨浓度ZNH3（H267.5%，N222.5%，Ar3%，CH47%） 58

表2—11含有惰性气体时，不同压力下的平衡氨浓度ZNH3 59

表2—12压力P=320大气压，不同氢氮比时平衡氨浓度ZNH3 64

表2—13平衡氨浓度与原始混合物组成之间的关系 65

图2—5在300大气压、500℃和不同氢氮气比值（H2：N2）下氮氢混合物中的平衡氨浓度 65

四.氨合成反应的热效应 65

表2—14不同温度下的反应热效应Q°值 66

表2—15纯N2：3H2气生成17.6% NH3+20.6% N2+61.8% H2的混合热QM 67

表2—16在500℃不同压力下的反应热Q 68

表2—17不同压力下反应最后生成物成分为17.6% NH3+20.6% N2+61.8%H2时反应热Q 68

表2—18不同压力、温度下的反应热Q 69

图2—6不同温度、压力下的氨合成反应热（温度300-550℃） 85

图2—7不同温度、压力下的氨合成反应热（温度0-700℃） 86

Ⅱ—2氨合成的动力学计算 86

一.动力学方程式的应用形式及反应速度常数的计算 87

图2—8函数值？（t）与温度及活化能的关系（t=370-450℃) 93

图2—9函数值？（t）与温度及活化能的关系（t=450—540℃） 93

表2—19io=0.05时函数F（Zeq）与Zeq之间的关系 94

表2—20io=0.10时函数F（Zeq）与Zeq之间的关系 94

表2—21io=0.15时函数F（Zeq）与Zeq之间的关系 94

表2—22i=0.05时函数F（Z）与Z之间的关系 95

表2—23i=0.10时函数F（Z）与Z之间的关系 95

表2—24i=0.15时函数F（Z）与Z之间的关系 95

表2—25i=0.05时函数G（Z）与Z之间的关系 95

表2—26i=0.10时函数G（Z）与Z之间的关系 95

表2—27i=0.15时函数G（Z）与Z之间的关系 96

表2—28温度450℃时不同压力的k值 96

表2—29不同压力下A6、A9型触媒反应速度常数k计算值 96

表2—30压力300公斤/厘米2下A6触媒的k值 96

表2—31压力300公斤/厘米2A9、A10触媒的k值 97

图2—10A6、A9型触媒速度常数与温度的关系 98

表2—32函数f（Z）=Z（1-Z）/（1+Z）3〔L2（1-Z）4-Z2〕值 99

表2—33积分值I（Z）=∫Z0Z（1-Z）1.5dZ/（1+Z）3〔L2（1-Z）4-Z2〕 103

表2—34不同压力、温度下的Iz·103值 108

图2—11a函数值f（Z）与氨含量及平衡氨浓度的关系（Zeq=0.15～0.31） 111

图2—11b函数值f（Z）与氨含量及平衡氨浓度的关系（Zeq=0.32～0.37） 111

图2—11c函数值f（Z）与氨含量及平衡氨浓度的关系（Zeq=0.38～0.49） 112

图2—11d函数值f（Z）与氨含量及平衡氨浓度的关系（Zeq=0.50～0.60） 113

图2—12积分值I（Z）与混合气中氨含量及平衡氨含量的关系（Z=5%～30%；Zeq=12%～62%） 114

图2—13a积分值I（Z）与混合气中氨含量及平衡氨含量的关系（Z=2%～16%；Zeq=22%～40%） 115

图2—13b积分值I（Z）与混合气中氨含量及平衡氨含量的关系（Z=6%～30%；Zeq=22%～40%） 115

图2—13c积分值I（Z）与混合气中氨含量及平衡氨含量的关系（Z=16%～30%；Zeq=22%～40%） 116

图2—13d积分值I（Z）与混合气中氨含量及平衡氨含量的关系（Z=6%～30%；Zeq=42%～60%） 116

图2—13e积分值I（Z）与混合气中氨含量及平衡氨含量的关系（Z=18%～30%；Zeq=42%～60%） 116

图2—14a压力P=135大气压，A6型触媒活性曲线（温度t=380℃～500℃） 117

图2—14b压力P=135大气压，A6型触媒活性曲线（温度t=410℃～520℃） 118

图2—15压力P=250大气压，A6型触媒函数值1/γ与温度的关系 119

图2—16压力P=250大气压，A9型触媒函数值1/γ与温度的关系 120

图2—17压力P=300大气压，A6型触媒函数值1/γ与温度关系 121

图2—18压力P=300大气压、A9型触媒函数值1/γ与温度关系 122

二.触媒内表面利用率的计算 123

表2—35内表面利用率ξ与ψ的关系 123

表2—36-f’（yNH3·S）值（yIo=0.1463，b=1+yIo/1-yIo=1.343） 124

表2—37不同粒度触媒的当量直径 124

表2—38一定气体成份下的压缩因子Z 124

表2—39不同组份下的D°NH3H值 125

表2—40不同温度下M值 125

表2—41压力P=300公斤/厘米2下、不同温度下的内表面利用率ξ 126

表2—42工业生产条件下触媒的内表面利用率ξ 126

表2—43内表面利用率ξ计算参考值 127

三.最适宜温度的计算 127

表2—44在压力P=300公斤/厘米2，H2/N2=3，yIo=0.15逆反应活化能E2=41990千卡/公斤·分子，最适宜温度T适与平衡温度T之间的关系 127

四.动力学计算的近似式 128

Ⅱ—3氨合成系统的一般工艺计算 128

一.由新鲜气中惰性气体含量，图解计算吹出气中CH4和Ar的含量，每生成一吨氨的吹出气量，新鲜气消耗定额 128

图2—19当acB·Ar=0.4%和30℃时acB·cH4，anp·uH，anp·cH4和vnp之间的关系 128

图2—20当acB·Ar=0.4%和30℃时aCB·CH4，anp·uH，anp·Ar和vcB之间关系 129

二.氨产量与合成率之间的关系 129

图2—21氨产量与合成率之间关系 130

图2—22合成塔进气量与合成率的关系 130

三.合成塔出口气体温度与合成率之间的关系 130

图2—23合成塔进出口温差与合成率的关系 131

四.当回收热量时，合成塔最终出口气体温度与回收热量的关系 131

图2—24回收热量与合成塔出口温度的关系 132

五.中置式副产蒸汽合成系统出塔内一段换热器气体的最佳温度计算 132

图2—25a塔最终出口温度为90.5℃时一次引出温度、副产蒸汽压力及气量的关系 134

图2—25b塔最终出口温度为100℃时一次引出温度、副产蒸汽压力及气量的关系 134

图2—25c塔最终出口温度为110℃时一次引出温度、副产蒸汽压力及气量的关系 134

图2—25d塔最终出口温度为120℃时一次引出温度、副产蒸汽压力及气量的关系 135

图2—25e塔最终出口温度为130℃时一次引出温度、副产蒸汽压力及气量的关系 135

图2—25f塔最终出口温度为140℃时一次引出温度、副产蒸汽压力及气量的关系 135

六.不同温度、压力下合成混合气中饱和氨浓度 136

表2—45不同温度和压力下液氨上混合气体中的饱和氨含量 136

表2—46饱和氨浓度计算系数 136

表2—47混合气中饱和氨含量计算值（-20℃，0℃，18℃） 136

图2—26a混合气中饱和氨含量与温度压力关系（压力P=200～400大气压，温度t=-15～95℃） 137

图2—26b混合气中饱和氨含量与温度、压力的关系（压力P=100～1000大气压，温度t=-30～70℃ 137

图2—26c混合气中饱和氨含量与压力、温度的关系（压力P=30～1000大气压，温度t=-20～40℃） 137

图2—26d在300大气压下，冷凝后在气体中的氨浓度（温度t=-30～50℃） 138

图2—26e混合气中饱和氨含量与温度、压力的关系（压力P=100～700大气压，温度t=-20～18℃） 138

七.不同温度、压力下合成混合气中（3H2：N2）饱和水蒸汽含量 138

表2—48不同温度、压力下混合气中饱和水蒸汽含量 138

图2—27压缩氮氢混合气中饱和水蒸汽含量 138

Ⅱ—4主要设备的工艺计算 139

一.氨合成塔触媒层的计算：氨产率、温度分布、触媒量 139

图2—28绝热反应时氨触媒层中温度与氨含量的关系 140

图2—29冷激式触媒层物料分布 142

图2—30出口氨含量与空速、产量、触媒用量的关系 143

图2—31合成系统不同净值时的比较 144

图2—32在300大气压、500℃时氨合成触媒产率与空速之间的关系 144

图2—33不同空速下有效转化系数 144

图2—34 Nu=0.023Re0.8Pr0.4算图 146

图2—35冷管排列方案 146

表2—49冷管分布均匀度系数βi 147

二.氨合塔内气体流动阻力的计算 147

表2—50 K值与催化剂颗粒大小间关系 148

图2—36空间速度与压力降的关系（压力P=271大气压，温度t=450℃） 148

图2—37空间速度与压力降的关系（压力P=550大气压，温度t=520℃） 148

图2—38管壁影响的修正系数 148

图2—39摩擦系数与雷诺准数的关系 149

三.开工加热器的计算 149

图2—40电炉功率、床层温度、出水率与时间的关系 150

表2—51电热元件单位表面容许负荷计算程序 151

图2—41电热元件的结构形式 152

图2—42燃料加热炉的结构形式 152

图2—43燃烧烟气量、理论空气量、燃料油低发热值及过剩空气系数的关系 153

图2—44燃料中H/C原子比和燃烧产物及其中CO2及H2O的含量关系 154

图2—45a单排光滑管水冷壁的角系数 156

图2—45b直径不同的光滑管构成的单排水冷壁的角系数 156

图2—45c双排光滑管水冷壁的角系数 156

图2—46三原子气体的辐射减弱系数 157

图2—47a介质黑度与KPS之间关系 157

图2—47b炉子黑度的求法 157

图2—48炉子黑度、理论燃烧温度与炉子出口处烟温关系 158

图2—49辐射给热系数与烟温及壁温的关系 159

图2—50a介质横向流过顺列光滑管束时的对流给热系数 161

图2—50b介质横向流过错列光滑管束时的对流给热系数 162

图2—50c空气及烟气作纵向流动时的给热系数 163

图2—51 a燃用固体燃料（木材除外）时，对于错列管束的污染系数 164

图2—51b燃用固体燃料（木材除外）时，对于顺列管束的污染系数 165

图2—51 c燃用固体燃料时，镶成横向鳍片的管束的污染系数 165

表2—52燃用液体燃料、气体燃料及木材时的污染系数 165

Ⅱ—5氨合成触媒 166

一.氨合成触媒的基本组成、规格与使用条件 166

二.触媒的活性与热稳定性 166

表2—53 A6、A9、A10型触媒的活性 166

表2—54 A10型触媒的耐热性 166

三.触媒的物理性能 167

四.触媒的还原及出水量的计算 167

五.触媒的还原条件 168

表2—55 A6型触媒还原条件 168

表2—56 A9型触媒还原条件 168

表2—57 A10型触媒还原条件 168

参考文献 169

Ⅲ 甲醇合成 171

Ⅲ—1甲醇合成反应的化学平衡 171

一.常压下平衡常数表达式 171

表3—1常压下甲醇合成反应不同公式所表达的平衡常数计算值 172

表3—2埃魏尔1940年根据实验整理的平衡常数值 174

图3—1常压下平衡常数与温度的关系 174

二.加压下的平衡常数 174

图3—2 H2、CO及CH3OH逸度系数 175

表3—3不同温度及压力下的Kγ值 176

图3—3 CO+2H2？CH3OH不同压力、温度下反应的Kγ值 175

图3—4不同压力、温度下CO+2H2？CH3OH反应的逸度比 177

图3—5不同压力、温度下，CO+2H2？CH3OH反应的逸度比 178

表3—4在H2/CO=2，无惰性气时，不同压力及温度下的Kγ值 179

表3—5不同压力、不同温度下的Kp值 181

表3—6 100～120大气压下，Kp的实验值 184

图3—6压力P=100～120气压下，平衡常数与温度关系（实验结果） 184

表3—7江口式计算所得平衡常数值 185

三.合成反应的平衡甲醇浓度 184

表3—8在H2/CO=2，无惰性气时，不同压力及温度下的Z值 186

表3—9不同氢、一氧化碳比、不同惰性气含量、不同温度及压力下的平衡甲醇浓度 188

四.合成甲醇反应热效应 221

表3—10合成甲醇反应热效应 222

图3—7反应热与反应温度和压力的关系 221

图3—8在压力P=300大气压，起始组成H2/CO=4～4.6，不同甲醇合成率时，气体混合物的焓 221

表3—11 CO和H2全部转化为甲醇时，一定压力下不同温度的反应热 234

表3—12 CO和H2没有全部转化为甲醇，并考虑到混合热时，一定压力下，不同温度的反应热 234

Ⅲ—2甲醇合成反应的动力学计算 234

一.巴米拉采夫—蒙科利诺夫一特拉贝尔方程 234

表3—13压力P=250大气压，气体组成：CO26%；H268.5%；CO21.5%；N2+CH44%各种不同甲醇浓度下的？m和1/（1+2ym）2？m值 241

图3—9气体组成为H2 65%；CO 14%；CO2 1.0%；N2+CH4 20%时不同温度下1/（1+2 ym）2？m值 236

表3—14压力P=300大气压，气体成分：CO 15.0%；H2 62.0%；CO2 8.0% ； CH415.0%不同甲醇浓度，不同温度下的反应速度W 241

表3—15当空速V0=20000时-1，图解积分得到的反应速度常数KT值 242

表3—16压力P=300大气压，气体成份：CO 16.0%；H2 64.0%；CO2 1.5%；CH4+N218.5%；不同甲醇浓度，不同温度下的反应速度W 242

图3—10 M—2型触媒，压力P=300大气压，反应速度与温度和甲醇浓度的关系。进气组成：H2 60%；CO13%；CO2 0.7%；CH4+N2 26.3% 237

图3—11 M—2型触媒，压力P = 300大气压，甲醇合成反应速度与温度的关系。进气组成：H2 62%；CO 15.0%；CO2 8%；CH415% 238

图3—12 M—2型触媒，压力P=300大气压，反应速度的倒数与温度和甲醇浓度的关系。进气组成：H260%；CO13%；CO20.7%；CH4+N2 26.3% 239

图3—13 M—2型触媒，压力P=300大气压反应速度倒数与温度和甲醇浓度的关系。进气成份：CO15%；H262%；CO28.0%；CH415% 240

图3—14甲醇合成率与温度及反应速度关系 243

图3—15甲醇浓度与温度及反应速度的关系 243

二.纳塔等用逸度来求合成甲醇反应速度 243

图3—16 ZnO—Cr2O3触媒常数A、B 243

图3—17 ZnO—Cr2O3触媒常数C、D 244

表3—17 ZnO—Cr2O3触媒有效利用率 244

图3—18 ZnO—CuO—Cr2O3触媒常数K 244

图3—19 ZnO—CuO—Cr2O3触媒常数A、B 244

图3—20 ZnO—CuO—Cr2O3触媒常数C、D 245

三.切尔尼契克一捷姆金方程式 245

Ⅲ—3甲醇合成的一般工艺计算 245

一.塔出口甲醇浓度与入塔气量之间的关系 245

图3—21塔出口甲醇浓度与入塔气量之间的关系 246

二.塔出口温度与甲醇合成率之间的关系 246

三.塔后循环气吹出气量与新鲜气中惰性气体含量之间的关系 247

四.冷凝温度与混合气中甲醇含量之间的关系 248

图3—22a混合气中甲醇含量随温度和甲醇分压的变化 249

图3—22b压力P=300大气压，混合气中甲醇冷凝温度与含量的关系 249

图3—23混合气中甲醇含量与温度、压力的关系 249

五.甲醇浓度与进气中CO含量间关系及CO转化率 250

表3—18气体中甲醇含量与克分子浓度之间关系 250

图3—24a气体中甲醇含量与克分子浓度之间关系 250

图3—24b进塔气中CO含量与其平衡转化率之间关系 250

图3—24c甲醇克分子浓度与CO转化率之间的关系 251

Ⅲ—4甲醇合成触媒 252

一.甲醇触媒的类型 252

二.主要性能 252

表3—19在P=250大气压（表压），空速为20000～40000时-1，气体组成：CO2 1～2.5%；O2 0.2～0.5%；CO 25.2～28.6%；H2 58.2～64.8%情况下的化学活性 252

图3—25 a气体空速40000时-1，压力350大气压不同温度下的触媒生产能力 253

图3—25b 350大气压，温度390℃，不同空速下粒度0.5～1毫米的触媒生产能力 253

图3—25c不同压力和温度下粒度0.5～1和4～5毫米的触媒生产能力对比关系 253

图3—25d不同压力和温度下，空速40000时-1，粒度0.5～1.0毫米的触媒生产能力 253

表3—20粗甲醇的质量 252

三.触媒的升温还原 254

表3—21触媒升温还原时升、降温速度、空间速度与出水速率 254

表3—22某厂甲醇触媒活化控制指标（触媒量4.6吨） 255

图3—26某厂M—2型甲醇触媒升温还原曲线 255

Ⅲ—5工艺操作指标（设计指标） 256

参考文献 257