《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》求取 ⇩

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k11

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—23m=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K122

表1—12氨的单位容积制冷能力单位qv23

表1—13氟利昂—12压缩机的理论单位制冷能力K124

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λ27

表1—17立式和V型氨压缩机制冷量换算系数K228

表1—18立式和V型氟利昂—12压缩机的吸气系数λ29

表1—19立式和V型氟利昂—12压缩机制冷量换算系数K230

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Kp42

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ZNH354

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ZNH359

表2—12压力P=320大气压，不同氢氮比时平衡氨浓度ZNH364

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QM67

表2—16在500℃不同压力下的反应热Q68

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Q68

表2—18不同压力、温度下的反应热Q69

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Z124

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ξ126

表2—42工业生产条件下触媒的内表面利用率ξ126

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—34Nu=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βi147

二.氨合塔内气体流动阻力的计算147

表2—50K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—53A6、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—55A6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—2H2、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—6100～120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—11CO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W241

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W242

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—13M—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—16ZnO—Cr2O3触媒常数A、B243

图3—17 ZnO—Cr2O3触媒常数C、D244

表3—17 ZnO—Cr2O3触媒有效利用率244

图3—18 ZnO—CuO—Cr2O3触媒常数K244

图3—19 ZnO—CuO—Cr2O3触媒常数A、B244

图3—20 ZnO—CuO—Cr2O3触媒常数C、D245

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