铁串钌氨合成塔模拟及优化.docVIP

第五章　铁串钌氨合成塔的模拟及优化 氨合成塔作为合成氨生产装置的核心，其能否正常高效运行，是合成氨生产过程中能否达到高产、节能、降耗的关键。低温、低压、高活性氨合成催化剂的开发和应用，又是保证氨合成塔高效运行的关键。基于钌基氨合成催化剂的高活性，本文对铁串钌的氨合成塔进行模拟计算和操作参数优化，为实现铁串钌氨合成塔的工业应用提供理论依据。 4.1 Φ2400合成塔 Φ2400合成塔是为实施国家“18.30”项目、实现中小氮肥装置改造而设计的合成塔，对其进行模拟计算和操作参数优化具有重要的意义。 合成塔共分四床层，第一层为轴向层，其余为径向层；一、二层间为冷气直接冷激，其余层间为间接换热。 催化剂床层总体积42.63 m3。第一层体积7.16 m3，外径Φ2250，内径Φ377，催化剂层高1853 mm；第二层体积9.71 m3，外径Φ2196，内径Φ978，催化剂层高3198 mm；第三层体积10.31 m3，外径Φ2196，内径Φ938，催化剂层高3336 mm；第四层体积15.46 m3，外径Φ2196，内径Φ1073，催化剂层高5362 mm。 第一层轴向床层的催化剂粒度为3.3～6.7mm，第二、三、四层径向床层的催化剂粒度为2.2～3.3mm。 床层空隙率为0.426，催化剂颗粒球形度为0.66，催化剂孔隙率为0.369，催化剂曲折因子为3.28。 4.2 合成塔数学模型 合成塔的数学模型包括物料衡算方程、热量衡算方程、动量衡算方程（即催化剂床层压降计算方程）、动力学方程。通过以上四个方程联立，运用龙格－库塔数值积分法求解，可得到物料组成、温度、压力、反应速率等参数随床层高度变化的情况，实现合成塔的模拟计算。 4.2.1 物料衡算方程 物料衡算方程如式（4-1）、（4-2）所示。 轴向床：　　　 （4-1） 径向床：　　　 （4-2） 式中为氨的摩尔分率，l为轴向位置，为催化剂内表面利用率，为催化剂活性校正系数，A为床层截面积，为进塔物料总摩尔流量，r为径向位置，L为床层高度，为氨合成反应本征动力学方程的实用形式 　 （4-3） 径向床：　 　 （4-4） 式中为床层中混合组分的比热，为反应焓变，可根据式（4-5）计算[沈]。 （4-5） 4.2.3 动量衡算方程 动量衡算方程如式（4-6）～（4-9）所示。 轴向床：　 　 （4-6） 径向床：　 　 （4-7） 　　 （4-8） 　 （4-9） 式中为混合组分的密度，为混合组分的粘度，为空塔质量通量，为催化剂颗粒的比表面相当直径，为催化剂颗粒的球形度，为床层空隙率。 4.2.4 动力学方程 动力学方程取决于氨合成催化剂的类型，本文涉及的A301和Ru/C氨合成催化剂的动力学方程分别如式（4-10）、（4-11）所示。 （4-10） 式中, MPa0.5·s-1，为反应速率常数；为反应平衡常数；R=8.314 kJ·kmol-1·K-1。 （4-11） 式中 MPa0.27·s-1；，为H2的吸附平衡常数；，为NH3的吸附平衡常数。 4.2.5 物性参数计算方程 （1）恒压热容计算方程 （4-12） （4-13） T500K时： （4-14） T500K时： （4-15） （4-16） （4-17） 混合气体的平均热容根据下式计算： 　 （4-18） 式中为i组分的摩尔分率，为i组分的热容。 （2）粘度计算方程 H2、、、的粘度与温度的关系如下： （4-20） （4-21） （4-22） （4-23） 加压、、、混合气体的粘度可按下式计算： 式中组分的粘度，组分的摩尔分率，组分的分子量为组分的修正系数。、、、的修正系数Ci与总压P温度t的关系如下： （4-26） （4-27） （4-28） （4-29） （3）导热系数计算方程 采用修正对比状态计算法。对比导热系数与对比温度和对比压力的关系为： 　 （4-30） 式中，而修正混合气体临界导热系数，，。而，。 单组分气体的修正临界温度、压力参数如表4-1所示。 表-1 单组分修正临界参数 N2 H2 NH3 CH4 Ar Pci/atm 3393 1.589 18.04 23.20 4.864 Tci/K 126.2 33.3 405.5 239.0 151.2 单组分气体的临界导热系数修正参数： （4-31） ＝3577.32 （4-32） （4-33） （4-34） ＝2970.64 （4-35） 4.3 合成塔优化的变量自由度分析 Φ2400合成塔的