畢業(yè)設(shè)計(jì)-70 kta合成氨變換工段的工藝設(shè)計(jì)

摘要變換工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工藝的流程中起著非常重要的作用本次設(shè)計(jì)為70KT/A合成氨變換工段的工藝設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用全低變的工藝流程。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，完成物料、熱量的計(jì)算。并對(duì)第一變換爐、第二變換爐、煤氣換熱器以及變換氣換熱器等主要設(shè)備進(jìn)行選型計(jì)算。并做出了合成氨變換工段全低變的工藝流程圖和設(shè)備布置圖。所得結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，工藝流程可行。關(guān)鍵詞合成氨；低溫變換；熱量衡算；物料衡算ABSTRACTTRANSFORMPROCESSESISONEOFTHEMOSTIMPORTANTPROCESSES,ANDITPLAYSAVERYIMPORTANTROLEINTHEINDUSTRYOFSYNTHETICAMMONIATHETASKISTHEDESIGNOFSHIFTPROCESSIN70KT/ANH3THELOWTEMPERATURESHIFTTECHNOLOGYWASADOPTEDINTHISCALCULATIONACCORDINGTOTHERELEVANTCULTURALHERITAGEDATA,COMPLETETHECALCULATIONOFMATERIAL,CALORIESFURTHERMORE,THESIZEANDTYPEOFTHEEQUIPMENTSWEREDETERMINEDSUCHASHEATEXCHANGER,SHIFTCONVERTER,ETCALSODOTOSYNTHESIZEANALLOFTHEAMMONIATRANSFORMATIONWORKSEGMENTLOWCRAFTFLOWCHARTANDEQUIPMENTSCHANGINGSETOUTDIAGRAMTHERESULTSMEETTHEREQUIREMENTSOFTHEDESIGNTASKWELL,THECRAFTPROCESSCANGO摘要IABSTRACTII第一章前言111變換氣反應(yīng)原理112CO變換反應(yīng)化學(xué)平衡213CO低溫變換催化劑5131低變催化劑的發(fā)展5132低變催化劑的主要成分5133催化劑的活性降低和中毒714工藝流程簡(jiǎn)述8第二章物料衡算及熱量衡算1021設(shè)計(jì)條件1022CO全變換過(guò)程總蒸汽比的計(jì)算1023第一變換爐催化劑床層物料與熱量衡算11231入第一變換爐催化劑床層汽氣比11232CO平衡變換率及出催化劑床層氣體的組成12233第一變爐熱量衡算13234第一變換爐催化劑層CO變換反應(yīng)平衡曲線14235CO在第一變換爐催化劑床層最適宜溫度15236CO在第一變換爐催化劑層變換反應(yīng)操作線1624第二變換爐第一段催化劑層物料及熱量衡算17241第二變換爐第一段催化劑層汽/氣比17242第二變換爐第一段催化劑層CO的平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算18243出口溫度校核18244第二變換爐第一段催化劑熱量衡算18245第二變換爐第一段催化劑床層平衡曲線計(jì)算19246CO在第二變換爐第一段催化劑層最適宜變換溫度20247CO在第二變換爐第一段催化劑層變換反應(yīng)操作線2025第二變換爐第二段催化劑床層物料及熱量衡算21251第二變換爐第二段催化劑層CO的平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算22252第二變換爐第二段催化劑熱量衡算22253平衡溫距校核23254第二變換爐第二段催化劑床層平衡曲線計(jì)算24255CO在第二變換爐第二段催化劑層最適宜變換溫度24256CO在第二變換爐第二段催化劑層變換反應(yīng)操作線2526煤氣換熱器熱量衡算2627變換氣換熱器熱量衡算27271進(jìn)設(shè)備熱量計(jì)算27272出設(shè)備熱量計(jì)算28第三章主要設(shè)備計(jì)算2931第一變換爐的計(jì)算29311催化劑用量計(jì)算29312催化劑床層阻力計(jì)算3032第二變換爐的計(jì)算31321第二變換爐第一段催化劑用量計(jì)算31322第二變換爐第二段催化劑用量計(jì)算32323第二變換爐催化劑床層阻力的計(jì)算3333煤氣換熱器的計(jì)算35331設(shè)備直徑及管數(shù)確定36332設(shè)備規(guī)格的確定37333傳熱系數(shù)計(jì)算37334傳熱面積計(jì)算42335列管長(zhǎng)度的計(jì)算42主要設(shè)備一覽表43設(shè)計(jì)結(jié)果及總結(jié)44參考文獻(xiàn)45致謝46第一章前言合成氨生產(chǎn)常用的原料包括焦碳、煤、焦?fàn)t氣、天然氣、石腦油和重油。不論以固體、液體或氣體為原料，所得到的合成氨原料氣中均含有一氧化碳。固體燃料氣化所得半水煤氣中的一氧化碳含量為2830，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化為1213，焦?fàn)t轉(zhuǎn)化氣為1115，重油部分氧化為4448。一氧化碳的清除一般分為兩次。大部分一氧化碳，先通過(guò)變換反應(yīng)，即在催化劑存在的條件下，一氧化碳與水蒸氣作用生成氫氣和二氧化碳。通過(guò)變換反應(yīng)，既能把一氧化碳變?yōu)橐子谇宄亩趸?，同時(shí)，又可制得與反應(yīng)了的一氧化碳相等摩爾的氫，而所消耗的只是廉價(jià)的水蒸氣。因此，一氧化碳的變換既是原料氣的凈化過(guò)程，又是原料氣制造的繼續(xù)。最后，殘余的一氧化碳再通過(guò)銅氨液洗滌法、液氮洗滌法或甲烷化法等方法加以清除。變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過(guò)程。目前，變換工序主要有“全低變”工藝和“中低變”工藝，此次設(shè)計(jì)運(yùn)用的是“全低變”工藝“全低變”工藝是90年代在我國(guó)小合成氨廠開始使用的，是從“中低變”演變而來(lái)，使用低溫活性較好的B302Q、B303Q等耐硫變換催化劑，各段進(jìn)口溫度均在200左右。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，隨著耐硫低溫催化劑的開發(fā)利用，“全低變”的工藝和設(shè)備不斷完善，操作水平也進(jìn)一部提高，目前“全低變”工藝已進(jìn)入成熟階段。該工藝具有蒸汽消耗低、系統(tǒng)阻力小、生產(chǎn)強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。11變換氣反應(yīng)原理合成氨生產(chǎn)需要的原料氣是H2和N2，而半水煤氣中含有約30左右的CO，需要將其除去。變換工段的目的就是將半水煤氣中的CO除去，在本質(zhì)上是原料氣凈化的一個(gè)過(guò)程。為了將CO除去，工業(yè)上采用的方法是在催化劑存在的條件下，利用較為廉價(jià)的水蒸氣與CO反應(yīng)，生成H2和CO2。原料氣中的一氧化碳與水蒸汽的變換反應(yīng)可用下式表示（122COHQ1）此反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱為40964J/MOL，當(dāng)開車正常生產(chǎn)后，即可利用其反應(yīng)熱來(lái)維持過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行。在一般情況下，一氧化碳與水蒸汽直接進(jìn)行反應(yīng)，其變換反應(yīng)的速度是很慢的，如果用催化劑催化，則可以加快反應(yīng)速度，大大有利于變換反應(yīng)的進(jìn)行。隨著一氧化碳變換反應(yīng)的進(jìn)行，伴隨著微量的副反應(yīng)發(fā)生，主要有如下幾種（1）甲烷的生成12Q242COHCO（13）3（14）242（2）一氧化碳的分解反應(yīng)（15）Q2CO（3）有機(jī)硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)（16）SHS22（17）C（18）O2212CO變換反應(yīng)化學(xué)平衡一氧化碳和水蒸汽的變換反應(yīng)系可逆反應(yīng)。QHCO22其平衡常數(shù)為（19）22COHPOYRK式中YI各組分的摩爾分?jǐn)?shù)R氣體的逸度系數(shù)KPCO的平衡常數(shù)由于小合成氨廠的變換反應(yīng)多在壓力20MPA，溫度為180250條件下進(jìn)行的，其逸度系數(shù)接近于1，即（110）21COHRRK則式（19）可簡(jiǎn)化為（111）22COHCPOYPK式中，PI各組分的分壓由于變換反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，考慮平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，且隨溫度的升高而降低。平衡常數(shù)與溫度關(guān)系的表達(dá)式很多，數(shù)值各不相同，這是由于恒壓熱容等基礎(chǔ)熱平衡數(shù)據(jù)不同所致。本設(shè)計(jì)可采用下面的公式計(jì)算1。（13722185LG0LG0621806418PKTTTT12）式中，T溫度，K（137252163EXP09LN1450248105894P13）在變換范圍內(nèi)，平衡常數(shù)也可用下面簡(jiǎn)化式計(jì)算（114）7LN43PKT式（114）在低溫下計(jì)算出的KP與式（112）及（113）相差較大，溫度越高誤差越小。CO變換反應(yīng)的化學(xué)平衡的影響因素A溫度溫度對(duì)變換反應(yīng)的影響較大溫度升高，反應(yīng)速度加快。從化學(xué)平衡來(lái)看，降低反應(yīng)溫度，增加蒸汽用量，有利于反應(yīng)向生成氫氣和二氧化碳的方向進(jìn)行，可以提高CO平衡轉(zhuǎn)化率。在變換反應(yīng)的初期，反應(yīng)物濃度高，提高反應(yīng)溫度，可加快正反應(yīng)；在變換反應(yīng)的后一階段，二氧化碳和氫氣的濃度增加，逆反應(yīng)速度加快，因此，須設(shè)法降低反應(yīng)溫度，使逆反應(yīng)速度減慢，這樣可以得到較高的變換率。但降低溫度也減慢了反應(yīng)速度，降低了催化劑的生產(chǎn)能力，應(yīng)綜合考慮。對(duì)于一氧化碳含量較高的半水煤氣，開始反應(yīng)時(shí)，為了加快反應(yīng)速度，一般要在較高的溫度下進(jìn)行，而在反應(yīng)的后一階段，為了使反應(yīng)比較完全，就必須使溫度降低一些，工業(yè)上采取的兩段中溫變換就是根據(jù)這一概念設(shè)計(jì)確定的。對(duì)于一氧化碳含量在24的中溫變換氣體，只需要在230左右，用低溫變換催化劑進(jìn)行低溫變換。此外，反應(yīng)溫度與催化劑的活性有很大的關(guān)系，一般工業(yè)用的變換催化劑低于某一溫度反應(yīng)便不能正常進(jìn)行，而高于某一溫度也會(huì)損壞催化劑，因此一氧化碳變換反應(yīng)必須在催化劑的適用溫度范圍內(nèi)選擇合理的工藝條件。B壓力一氧化碳變換反應(yīng)前后氣體的分子數(shù)相同，若為理想氣體，壓力對(duì)于反應(yīng)的平衡沒(méi)有影響。目前的工業(yè)操作條件下壓力40MPA氣壓下，溫度為200500時(shí)，壓力對(duì)于變換反應(yīng)沒(méi)有顯著的影響。但是在較高壓力下，反應(yīng)物濃度增加，分子間的有效碰撞次數(shù)增加，可以加快變換反應(yīng)速度，提高催化劑的生產(chǎn)能力。且各種氣體與理想氣體有一定的偏差，必須根據(jù)各氣體組分的逸度計(jì)算KP，因此壓力對(duì)CO的變換反應(yīng)有一定的影響。C蒸汽添加量一氧化碳變換反應(yīng)為可逆反應(yīng)，增加蒸汽量可使反應(yīng)向正方向移動(dòng)。因此，工業(yè)上一般均采用加入一定的過(guò)量水蒸氣的方法來(lái)提高一氧化碳的變換率。實(shí)際上，當(dāng)使用半水煤氣為原料，使用中溫鐵鉻催化劑的工藝流程中，一般采用H2O（汽）/CO（氣）34/1；在使用鐵鎂催化劑的工藝流程中，一般采用H2O（汽）/CO（氣）35/1。D二氧化碳濃度從一氧化碳變換反應(yīng)的方程式來(lái)看，如果出去生成的二氧化碳，有利于反應(yīng)向正方向進(jìn)行，并使變換反應(yīng)接近于完成。除去二氧化碳可以采用良種方式（1）利用堿性氧化物與二氧化碳作用生成碳酸鹽，例如（123CAOACA15）或利用堿性氧化物作為催化劑的的一種組分來(lái)吸收二氧化碳。由于（115）為一放熱反應(yīng)，要對(duì)生成的熱量采取一定的措施。更重要的是這一反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后要進(jìn)行更換催化劑，增加了生產(chǎn)操作的復(fù)雜性，因此在實(shí)際中很少應(yīng)用。（2）在兩段變換催化劑之間或中變和低變之間，將氣體送往脫除二氧化碳裝置，然后再進(jìn)行第二次變換。這種方法相互干擾較少，比較容易實(shí)現(xiàn)，但增加了換熱和脫除二氧化碳的設(shè)備，流程要復(fù)雜一些。13CO低溫變換催化劑131低變催化劑的發(fā)展隨著脫硫技術(shù)的進(jìn)展，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化鎳催化劑在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，以及純凈合成氣的制造，特別是在60年代初，透平壓縮機(jī)在合成氨工業(yè)上的出現(xiàn)，大系列化合成氨工藝對(duì)原先脫除少量一氧化碳以及二氧化碳的銅堿洗工序，已顯的很復(fù)雜，氣體精制度不能達(dá)到現(xiàn)代化工廠的要求（COCO210MLM3）,因此從1963年開始，世界各國(guó)對(duì)低溫變換催化劑展開了廣泛的研究。銅是合適的一氧化碳催化劑，能在較低溫度（200250）下進(jìn)行變換反應(yīng)，一氧化碳平衡轉(zhuǎn)換率可達(dá)到99左右。但是純銅金屬催化劑在加熱到具有足夠反應(yīng)速度的溫度時(shí)，會(huì)因燒結(jié)而損害表面結(jié)構(gòu)，使催化劑活性劇減，因此必須放入適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)性助催化劑，作為分散狀銅晶粒的間隔體。工業(yè)上采用的結(jié)構(gòu)性助催化劑有高熔點(diǎn)、難還原的氧化鉻、氧化鋁、氧化錳、氧化鋇等，它們的存在，可增加催化劑抗燒結(jié)的作用，延長(zhǎng)催化劑使用壽命，增長(zhǎng)催化劑的成型性能和機(jī)械強(qiáng)度。目前，中小型氮肥廠的低變催化劑均采用COMO系催化劑。COMO系變換催化劑是以CO,MO為有效組份，以AL2O3為骨架，堿金屬或稀土金屬的氧化物為輔助催化劑。COMO系變換催化劑使用前必須先進(jìn)行硫化，生成COS,MOS2才能獲得高的活性。硫化反應(yīng)為（116）22COOHSOOQA（117）3M3H132低變催化劑的主要成分（1）鈷鉬系寬溫變換催化劑COMO系寬溫變換催化劑是近10年來(lái)國(guó)內(nèi)研制的一種新型催化劑，它的特點(diǎn)是活性溫度低，耐硫性強(qiáng)，使用溫度范圍寬，因此它能廣泛的應(yīng)用與煤、油為原料的小氮肥廠，并實(shí)現(xiàn)中變直接串低變的工藝流程。也可以用它取代中變催化劑，實(shí)現(xiàn)COMO寬溫變換流程，還可望用于三催化劑工藝流程，以取代目前三催化劑流程中的CUZN系低變催化劑。COMO系寬溫變換催化劑的化學(xué)物理性質(zhì)包括堆積密度、抗壓強(qiáng)度、形狀及尺寸等。COMO系寬溫變換催化劑的加工工藝有混碾法及浸漬法兩種，大多數(shù)COMO系低變催化劑采用浸漬法工藝，如B302Q、B303Q、SB3等。浸漬法是以球形為載體，將催化劑浸漬到載體內(nèi)，由于載體本身強(qiáng)度高、相對(duì)密23ALO度小，故采用這種方法生產(chǎn)出來(lái)的催化劑具有密度小，耐壓強(qiáng)度大，阻力小等優(yōu)點(diǎn)。COMO系寬溫變換催化劑不同于CUZN系低變催化劑在于它的耐硫性特別強(qiáng)，正常生產(chǎn)中對(duì)氣體中的硫含量沒(méi)有上限要求，不論多高都可以直接進(jìn)入。但對(duì)氣體最低含硫量卻有限制，即在一定反應(yīng)溫度及蒸汽含量下，要求氣體中的含硫量不低于一定值，否則引起催化劑放硫而導(dǎo)致失活。COMO系寬溫變換催化劑的另一特點(diǎn)是可用于低溫變換，也可以用于中溫變換，可在160270（低變用），160460（中變用）的寬廣范圍內(nèi)使用。（2）銅鋅系低變催化劑金屬銅對(duì)一氧化碳的低溫變換具有高活性，因此國(guó)內(nèi)外都把銅作為催化劑的主活性相。但已知純金屬銅當(dāng)加熱到足夠反應(yīng)的溫度時(shí)，會(huì)因燒結(jié)而使表面積縮小，從而失去活性。因此必須加入一組分或多組分的結(jié)構(gòu)性助催化劑。銅基催化劑的助催化劑組分有ZNO、CR2O3、AL2O3、MGO、CUO、TIO2、MNO2等。ZNO用的最廣泛，最先出現(xiàn)的低溫變換催化劑，就是由ZNO和CUO兩個(gè)組分組成。ZNO有促進(jìn)催化劑活性的作用，并能起改進(jìn)銅微晶長(zhǎng)大的穩(wěn)定和分散作用。但是銅鋅二組分催化劑的熱穩(wěn)定性和壽命不夠理想，后來(lái)相繼出現(xiàn)CUOZNOCR2O3和CUOZNOAL2O3催化劑。結(jié)構(gòu)性助催化劑的加入不但和組分有關(guān)，而且和加入方法更為密切。用機(jī)械混合的方法，往CUOZNOCR2O3催化劑中加入K2O、CAO、MGO、AL2O3、TIO2、MNO2則不影響催化劑的結(jié)構(gòu)；但是用共沉淀的方法加入鋁和錳，將對(duì)催化劑的性質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響。例如添加錳的催化劑，顯示出很高的活性和良好的耐熱性。目前以普遍生產(chǎn)和采用的低溫變換催化劑為CUOZNOCR2O3和CUOZNOAL2O3系，究竟哪一種性能優(yōu)越，目前還不能取得一致的意見(jiàn)。但是就催化劑生產(chǎn)的勞動(dòng)條件來(lái)看，CUOZNOAL2O3系要比CUOZNOCR2O3系好，其制造成本要看鋁的加入形式和來(lái)源。如果以硝酸鋁形式加入，則成本并不比加入氧化鉻低。133催化劑的活性降低和中毒（1）熱燒結(jié)當(dāng)溫度超過(guò)280時(shí)，還原態(tài)金屬銅容易產(chǎn)生燒結(jié)，使催化劑表面積顯著減少，活性急劇下降。當(dāng)溫度超過(guò)銅的熔點(diǎn)（1083）一半時(shí)，更容易燒結(jié)。熱燒結(jié)引起催化劑表面積減少，主要是由于分散狀銅微晶粒，相鄰間的晶粒在一定溫度下擴(kuò)散并使晶粒長(zhǎng)大。從而使催化劑活性下降；溫度愈高，晶粒長(zhǎng)大速度就愈快，表面積和活性的下降趨勢(shì)愈大。盡管作為結(jié)構(gòu)性助催化劑的高熔點(diǎn)氧化鉻和氧化鋁的存在，間隔體對(duì)阻止銅晶粒的長(zhǎng)大，也無(wú)濟(jì)于事。因此低溫變換催化劑的使用，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度。（2）物理性破壞這里所指的物理性破壞，主要是指催化劑在操作溫度下，由于水蒸氣在催化劑微孔內(nèi)能夠凝聚和蒸發(fā)相繼反復(fù)進(jìn)行，而使催化劑破裂，造成催化劑床層阻力增大。因此低溫變換反應(yīng)必須控制在露點(diǎn)以上進(jìn)行，這樣就使反映溫度、壓力、蒸汽量、干氣量之間保持一定的關(guān)系。（3）鹵素中毒在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，鹵素對(duì)低變催化劑的毒害作用被人們忽視。后來(lái)發(fā)現(xiàn)鹵素是比硫更厲害的毒物，進(jìn)口氣中氯化物僅，就會(huì)顯著的毒害低變催710化劑，氯海量在時(shí)，就認(rèn)為被嚴(yán)重污染。810（4）硫中毒硫是銅基低變催化劑的主要毒物之一。由于脫硫技術(shù)的發(fā)展，原料氣中的硫能脫至以下，但原料氣量很大，極微量的硫化物，經(jīng)日積月累后數(shù)量710相當(dāng)可觀，從而對(duì)低變催化劑造成很大危害。14工藝流程簡(jiǎn)述全低變的工藝流程示意圖見(jiàn)圖11。變換氣換熱器煤氣換熱器淬冷過(guò)濾器淬冷過(guò)濾器第一變換爐變換氣冷卻器油分離器活性炭濾油器半水煤氣變換氣工段第二變換爐圖11低溫變換工藝流程示意圖FIG11SCHEMATICDIAGRAMOFTHELOWTEMPERATURECONVERSIONPROCESS半水煤氣首先進(jìn)入油水分離器，脫除部分固體和液體雜質(zhì)后進(jìn)入活性炭濾油器，進(jìn)一步脫除雜質(zhì)。經(jīng)凈化的半水煤氣進(jìn)入變換氣換熱器與從第二變換爐出來(lái)的變換氣進(jìn)行逆向熱交換，使其溫度上升到180左右，變換氣溫度下降到160左右。出變換氣換熱器的半水煤氣再進(jìn)入煤氣換熱器與從第一變換爐出來(lái)的變換氣進(jìn)行逆向熱交換，變換氣自身的溫度下降到300左右，半水煤氣升溫到200左右。出煤氣換熱器的半水煤氣與來(lái)自管網(wǎng)的中壓水蒸氣混合，一方面使半水煤氣溫度上升到變換反應(yīng)溫度，另一方面使半水煤氣增濕，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需要的汽氣比進(jìn)入第一變換爐發(fā)生變換反應(yīng)，在第一變換爐內(nèi)CO的變換率可達(dá)到60左右。經(jīng)第一變換爐變換后出來(lái)的變換氣進(jìn)入煤氣換熱器與半水煤氣逆向換熱后進(jìn)入淬冷過(guò)濾器I，逆向與噴淋下來(lái)的冷卻水換熱并使冷卻水汽化，此時(shí)變換氣的溫度下降到230左右，冷卻水和變換氣換熱后汽化，從而使蒸汽含量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，濕變換氣進(jìn)入第二變換爐第一段催化劑床層進(jìn)行變換反應(yīng)。經(jīng)第二變換爐第一段催化劑床層變換反應(yīng)后CO的變換率可達(dá)到85左右，溫度上升到280左右進(jìn)入淬冷過(guò)濾器II，逆向與噴淋下的冷卻水進(jìn)行熱交換，使其溫度下降到190左右，同時(shí)補(bǔ)充水蒸氣，達(dá)到設(shè)計(jì)要的汽氣比進(jìn)入第二變換爐第二段催化劑床層進(jìn)行變換，最終CO的變換率可達(dá)到99。出第二變換爐第二段的變換氣經(jīng)過(guò)變換氣換熱器后，再經(jīng)過(guò)變換氣冷卻器降溫至40左右，去后續(xù)工段。第二章物料衡算及熱量衡算21設(shè)計(jì)條件計(jì)算基準(zhǔn)1噸NH3。設(shè)備生產(chǎn)能力T/H729401由設(shè)計(jì)所給條件取每噸氨耗用半水煤氣3520NM3,則每小時(shí)的半水煤氣用量為352097222342222NM3/H初始半水煤氣組成見(jiàn)下表21。表21初始半水煤氣組成TABLE21THECOMPOSITIONOFTHEINITIALSEMIWATERGAS組分CO2COH2CH4O2N2合計(jì)703083781503226100NM3239561054041293605133102777342342222KMOL1069470657752294634531527822CO全變換過(guò)程總蒸汽比的計(jì)算選用B302Q型催化劑，設(shè)第二變爐出口變換氣溫度為200，平衡溫距為24，則計(jì)算時(shí)取變換溫度為T224。CO和H2O的反應(yīng)方程式為22HCO設(shè)ABCD設(shè)CO變換反應(yīng)的變換量為CO，則變換反應(yīng)的平衡常數(shù)KP（21）2COH2OPK本設(shè)計(jì)所給條件CO的變換率為99，則CO3089304查文獻(xiàn)1可知在220時(shí)CO變換的平衡常數(shù)KP14096。并由表21可知A、C、D的值分別為308、70、378，將A、C、D和KP的值代入式（21）求得B750。即可知總水氣比為750/100。23第一變換爐催化劑床層物料與熱量衡算231入第一變換爐催化劑床層汽氣比設(shè)CO在催化劑床層轉(zhuǎn)化率為600，且O2全部和H2燃燒生成H2O，則CO的反應(yīng)量CO為308601848NM3/100NM3干半水煤氣則CO的總反應(yīng)量為KMOL28N64108234設(shè)氣體出催化劑床層的溫度為360，取平衡溫距為20，則計(jì)算所取溫度為380。查文獻(xiàn)1知380時(shí)的KP146，由式（21）代入數(shù)據(jù)可得3024818303741764B解上式得B2572即此時(shí)的汽氣比為2572/100。入爐蒸汽量KMOL039N280172534入爐濕氣的量34222288022430244NM319207KMOL由此可計(jì)算出入爐的濕氣組成，結(jié)果見(jiàn)下表22。表22入第一變換爐濕半水煤氣組成TABLE22THECOMPOSITIONOFTHEWETSEMIWATERGASINTOTHEFIRSTSHIFTCONVERTER組分CO2COH2CH4O2H2ON2合計(jì)5572450300711902420461798100NM3239561054041293605133102779103177342430244KMOL106947065775229464064345319207232CO平衡變換率及出催化劑床層氣體的組成設(shè)360時(shí)的平衡變換率為XP，360時(shí)的KP18371，代入式（21）得27024052465407308318PPPPXX則實(shí)際變換率為平衡變換率478510276由以上計(jì)算知實(shí)際反應(yīng)掉的CO的量為1054040663242NM3。出催化劑層干氣體量3NM54071264302由以上計(jì)算可得出催化劑干氣體組成，見(jiàn)下表23。表23出第一變換爐催化劑變換氣干氣體組成TABLE23THECOMPOSITIONOFTHEDRIEDSEMIWATERGASOUTTHEFIRSTCONVERTER組分H2COCO2CH4N2合計(jì)4810105221781281932100NM319260242162871985133773424000405KMOL859818823893229345317875出一段催化劑層剩余濕氣量340244880221027427239NM3剩余蒸汽量NM4268710263480剩余CO的量1054046324242162NM3CO在濕氣中含量971同理，可求出CO2、H2、CH4、N2、H2O在濕氣中的含量，結(jié)果見(jiàn)下表24。表24出第一變換爐催化劑變換氣濕氣組成TABLE24THECOMPOSITIONOFTHEWETSEMIWATERGASOUTLETTHEFIRSTCONVERTER組分H2COCO2CH4N2H2O合計(jì)450898720411201810573100NM3192602421628719851337734229842427239KMOL8598188238932293453133219073233第一變爐熱量衡算（1）第一變換爐內(nèi)CO變換反應(yīng)放熱量為Q1氣體由200上升到360，平均溫度TM280。查文獻(xiàn)1知CO變換反應(yīng)的，則由表22和表24中KJ/OL39572H的數(shù)據(jù)可求出J1018647071Q（2）氧氣和氫氣燃燒放熱Q2查文獻(xiàn)2可知氧氣和氫氣燃燒焓為484017KJ/KMOL，則KJ106480762（3）氣體溫度上升吸熱Q3在平均溫度285和平均壓力092MPA下可查出CPH22938KJ/KMOLKCPN23039KJ/KMOLKCPCO3057KJ/KMOLKCPCO24632KJ/KMOLKCPCH4491KJ/KMOLKCPO23178KJ/KMOLKCPH2O3559KJ/KMOLK則平均比熱容593071490232461039180858MP3384KJ/KMOLK氣體吸熱TQ84319073設(shè)熱損失Q439106KJ由熱平衡方程式1234Q將上述數(shù)據(jù)代入熱平衡方程式知T160?？芍澜Y(jié)果與實(shí)際所取溫度一致，故不需要進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。234第一變換爐催化劑層CO變換反應(yīng)平衡曲線由平衡變換率的計(jì)算公式OHC2PPPAXBADK可求出各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，結(jié)果見(jiàn)表25。表25第一變換爐CO在各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率TABLE25THEEQUILIBRIUMCONVERSIONRATEOFCOINTHEFIRSTCONVERTERT，200230250270290310330350370400KP2209125787506265460034542647206616391320XP，8322800877967566732270676806653962696000以200為例，計(jì)算過(guò)程如下在200時(shí)，查表知KP22090由式（21）知2COH2OPPPAXDB代入數(shù)據(jù)得240324013248695902OHC2PPXXP解上式可得XP08322將以上數(shù)據(jù)作圖可得平衡曲線圖，見(jiàn)圖21。235CO在第一變換爐催化劑床層最適宜溫度查文獻(xiàn)可得最適宜溫度計(jì)算公式為1（2221EMTREIN3）式中，TM最適宜溫度，KTE平衡溫度，KR通用氣體常數(shù)，8314KJ/KMOLE1、E2正、逆反應(yīng)活化能，KJ/KMOLRVHCO變換反應(yīng)熱，KJ/KMOLR對(duì)于變換反應(yīng)R1查文獻(xiàn)1可知E143340KJ/KMOL，在平均溫度280時(shí)，由式3263029845109710HTTT代入數(shù)據(jù)，可得395762KJ/KMOL。RCO變換的逆反應(yīng)活化能E2為KJ8916239576402H當(dāng)XP8322時(shí)，TE20027324732K將上面的數(shù)據(jù)代入式（23）可得K645430258916LN239718MTM1724。同理，可分別求出各轉(zhuǎn)化率下的最適宜溫度，結(jié)果見(jiàn)下表26。表26第一變換爐CO轉(zhuǎn)換最適宜溫度TABLE26THEOPTIMALTEMPERATUREFORCOINTHEFIRSTSHIFTCONVERTERXP，8322800877967566732270676806653962696000TE，K4732503252325432563258326032623264326632TM，K4456473849265115530354925680586860576245TM，1724200621952383257127602948313633253513由以上數(shù)據(jù)作圖可求得最適宜溫度曲線，見(jiàn)圖21。236CO在第一變換爐催化劑層變換反應(yīng)操作線由第一變換爐催化劑變換率及熱平衡計(jì)算可知入口氣體溫度200出口氣體溫度370入口CO變換率0出口CO變換率600由此可作出第一變換爐催化劑床層操作線如圖21所示0102030405060708090100200300400500溫度，轉(zhuǎn)化率，平衡曲線最適宜溫度操作線24第二變換爐第一段催化劑層物料及熱量衡算241第二變換爐第一段催化劑層汽/氣比設(shè)在此段CO的總轉(zhuǎn)化率達(dá)到88，可知CO在此段催化劑層的總轉(zhuǎn)化量為KMOL094156927841053NMCO則知CO在此段催化劑層的轉(zhuǎn)化量為92755663242629513NM313175KMOL根據(jù)以上計(jì)算可得CO在此段的轉(zhuǎn)化率為0712463095設(shè)氣體入口、出口溫度分別為230、280，平衡溫距取70，則出口氣體平衡溫度為350。查文獻(xiàn)1知此時(shí)的KP2066。由前面的計(jì)算可知A975、C2040、D4508代入式（21）解得B3058則可以得到汽氣比為3058/100。此時(shí)所需總蒸汽量為3NM41205834269473則需補(bǔ)充的蒸汽量為1224442683495610NM3此時(shí)總的蒸汽量為42723995610522869NM3由以上的計(jì)算可求出此時(shí)的入爐濕氣組成，結(jié)果見(jiàn)下表27。表27入第二變換爐第一段變換氣組成TABLE27THECOMPOSITIONOFTHESHIFTGASINLETTHEFIRSTPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER組分H2COCO2CH4N2H2O合計(jì)3808842174210315462447100NM31926024216287198513377342122444522869KMOL8547188238932293453546722342242第二變換爐第一段催化劑層CO的平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算由出口平衡溫度350，查文獻(xiàn)1知KP2066，由公式（22）代入數(shù)據(jù)得27584287403160PPPXXX出口濕氣體組成計(jì)算如下CO的量916404163NMCO2的量7329587H2的量35H2O的量141N由上面的計(jì)算可得出出口濕變換氣的組成,結(jié)果見(jiàn)下表28。表28出第二變換爐第一段催化劑變換氣組成TABLE27THECOMPOSITIONOFTHEGASOUTLETTHEFIRSTPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER組分H2COCO2CH4N2H2O合計(jì)4438253233210215461857100NM32221151264911671151337734292931522869KMOL991656552102293453414922342243出口溫度校核032185702342OHCKP由上述計(jì)算可知與所取KP相差不大，故不重復(fù)計(jì)算。244第二變換爐第一段催化劑熱量衡算（1）CO放熱Q1設(shè)第二變換爐一段內(nèi)CO變換反應(yīng)放熱量為Q1氣體由230升至280，平均溫度TM255，查文獻(xiàn)1知KJ/OL39762H則61804710KJQ（2）氣體溫度上升吸熱Q2濕變換氣在平均溫度255，平均壓力094MPA下，查文獻(xiàn)1知CPH22930KJ/KMOLKCPN22978KJ/KMOLKCPCO3000KJ/KMOLKCPCO24575KJ/KMOLKCPCH44822KJ/KMOLKCPH2O3896KJ/KMOLK則02857031804369146971836KJ/MOLKPQ2221923468T（3）假設(shè)熱損失Q3KJ/KMOL6108由熱量平衡得Q1Q2Q36479468031TT50計(jì)算溫度與出口溫度一致，故不需要重復(fù)計(jì)算。245第二變換爐第一段催化劑床層平衡曲線計(jì)算入此段催化劑床層汽/氣比為3058/100。根據(jù)入此段催化劑床層的氣體組成，計(jì)算各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，結(jié)果如表29。表29CO在第二變換爐第一段催化劑平衡轉(zhuǎn)換率TABLE29THEEQUILIBRIUMCONVERSIONRATEOFCOINTHEFIRSTSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTERT，230250270290310330350KP12568875062654600345426472066XP，9045868884547772722366265991以230為例進(jìn)行計(jì)算。在230時(shí)查文獻(xiàn)1可知此時(shí)的KP12568，把數(shù)據(jù)代入式（21）可得4590428742803176122PPPPOHCXXXP由表中數(shù)據(jù)作圖即可求得平衡曲線，見(jiàn)圖22。246CO在第二變換爐第一段催化劑層最適宜變換溫度最適宜溫度可由式（23）計(jì)算，查文獻(xiàn)1知B302Q型催化劑的E143340KJ，在平均溫度255時(shí)KJ/MOL39762H則2140ER80KJ/OL由式（23）代入數(shù)據(jù)可計(jì)算出最適宜溫度，其結(jié)果見(jiàn)表210。表210CO在第二段變換爐第一段催化劑最適宜轉(zhuǎn)化溫度TABLE210THEOPTIMALTEMPERATUREFORCOINTHEFIRSTSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTERXP，9045868884547772722366265991TE，K5032523254325632583260326232TM，K4709488450585231540355745744TM，1977215223262499267128423012由以上數(shù)據(jù)作圖即可求得此段最適宜溫度曲線，見(jiàn)圖22。247CO在第二變換爐第一段催化劑層變換反應(yīng)操作線由一段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果可知入口氣體溫度230出口氣體溫度280入口變換率600出口變換率625（總變換率85）由以上數(shù)據(jù)即可作出此段催化劑床層的操作線，見(jiàn)圖22。0102030405060708090100150200250300350400溫度，轉(zhuǎn)化率，一段平衡曲線一段最適宜溫度一段操作線25第二變換爐第二段催化劑床層物料及熱量衡算由前面的計(jì)算可知在CO的變換過(guò)程中須加入的總蒸汽量為3NM02871096342第一變換爐催化劑層及第二變換爐第一段催化劑層加入的蒸汽量分別為88022NM3、95610NM3。在此段催化劑層須加入的蒸汽量為2873308802295610103698NM3。由此可知進(jìn)入此段催化劑層的濕氣組成，結(jié)果見(jiàn)表211。表211入第二變換爐第二段催化劑層變換氣組成TABLE211THECOMPOSITIONOFTHESHIFTGASINLETTHESECONDPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER組分H2COCO2CH4N2H2O合計(jì)3522201185108112273118100NM322211512649116711513377342196629630605KMOL991656552102293453877928152可知CO在此段變換量為1054040991054041264911595NM35176KMOLCO在此段的轉(zhuǎn)化率為67910126459251第二變換爐第二段催化劑層CO的平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算由出口平衡溫度200，查文獻(xiàn)1知道此時(shí)的KP22090，由公式（22）代入數(shù)據(jù)得689501283012502PPPPXXX由上面的計(jì)算可得出出口濕變換氣的組成，結(jié)果見(jiàn)表212。表212出第二變換爐催化劑層濕變換氣組成TABLE212THECOMPOSITIONOFTHEWETSHIFTGASOUTLETTHESECONDSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTER組分H2COCO2CH4N2H2O合計(jì)3718017203508212302934100NM32337101054128306513377342185034630605KMOL104334757282293453826028152出變換爐的干變換氣組成見(jiàn)表213。表213出第二變換爐第二段催化劑層干變換氣組成TABLE213THECOMPOSITIONOFTHEDRIEDSHIFTGASOUTLETTHESECONDPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER組分H2COCO2CH4N2合計(jì)524502428781131734100NM32316561054128306513377342445571KMOL10442475728229345319891252第二變換爐第二段催化劑熱量衡算（1）CO放熱Q1設(shè)第二變換爐二段內(nèi)CO變換反應(yīng)放熱量為Q1出此段催化劑床層的溫度200，進(jìn)口溫度175，平均溫度TM187，查文獻(xiàn)14026KJ/MOLH則6172510KJQ（2）氣體溫度上升吸熱Q2氣體由175上升至200，在平均溫度TM187，壓力10MPA下，查文獻(xiàn)1知CPH22919KJ/KMOLKCPN22962KJ/KMOLKCPCO2978KJ/KMOLKCPCO24553KJ/KMOLKCPCH44435KJ/KMOLKCPH2O3945KJ/KMOLK平均熱容為KKJ/MOL7035293405842035401781192PTQ2812（3）假設(shè)熱損失Q3KJ。61由Q1Q2Q36650289357015TT25計(jì)算溫度與出口溫度一致，故不需要重復(fù)計(jì)算。253平衡溫距校核2COH20413685079PPK查得當(dāng)時(shí)，T2202，溫距為2202200202與所取溫距3251P相近，故不需要重復(fù)計(jì)算。254第二變換爐第二段催化劑床層平衡曲線計(jì)算入此段催化劑床層汽/氣比為466/100。根據(jù)入此段催化劑床層的氣體組成，計(jì)算各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，結(jié)果如表214。表214CO在第二變換爐第二段催化劑平衡轉(zhuǎn)換率TABLE214THEEQUILIBRIUMCONVERSIONRATEOFCOINTHESECONDPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTERT，160180200220240260280KP589643602722990152401044873805353XP，9825971595269334903686508160由表中數(shù)據(jù)作圖即可求得平衡曲線，見(jiàn)圖23。255CO在第二變換爐第二段催化劑層最適宜變換溫度最適宜溫度可由式（23）計(jì)算，查文獻(xiàn)1知型B302Q催化劑的E143340KJ，在平均溫度187時(shí)，則有KJ/MOL5402H2134025835/LRER由式（23）代入數(shù)據(jù)可計(jì)算出最適宜溫度，其結(jié)果見(jiàn)表215。表215CO在第二段變換爐第二段催化劑最適宜轉(zhuǎn)化溫度TABLE210THEOPTIMALTEMPERATUREFORCOINTHESECONDSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTERXP，9825971595269334903686508160TE，K4332453247324932513253325532TM，K4092426944464623479849725146TM，1360153717141892206622402414由以上數(shù)據(jù)作圖即可求得最適宜溫度曲線，見(jiàn)圖23。020406080100120100150200250300溫度，轉(zhuǎn)化率，二段平衡曲線二段最適宜溫度二段操作線256CO在第二變換爐第二段催化劑層變換反應(yīng)操作線由二段催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果可知此段入口氣體溫度175出口氣體溫度200入口變換率6250出口變換率9333（總變換率99）由以上數(shù)據(jù)即可作出此段催化劑床層的操作線，見(jiàn)圖23。020406080100120100150200250300溫度，轉(zhuǎn)化率，二段平衡曲線二段最適宜溫度二段操作線圖23第二變換爐第一段平衡曲線、最適宜溫度曲線、操作線FIG23THEEQUILIBRIUMTEMPERATURECURVE,OPTIMALTEMPERATURECURVEANDOPERATINGLINEFORTHESECONDSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTER26煤氣換熱器熱量衡算（1）已知條件進(jìn)設(shè)備半水煤氣量（干）15278KMOL進(jìn)設(shè)備變換氣量19207KMOL出設(shè)備半水煤氣量（濕）19207KMOL出設(shè)備變換氣量19207KMOL進(jìn)設(shè)備半水煤氣溫度T出設(shè)備半水煤氣溫度200進(jìn)設(shè)備變換氣溫度360出設(shè)備變換氣溫度200（2）熱量衡算半水煤氣帶入熱Q1設(shè)半水煤氣進(jìn)口溫度為187，查184，10MPA下半水煤氣各組分的比熱容并求出平均比熱容CPM3075KJ/KMOLK。T7530812過(guò)熱蒸汽帶入熱Q2查文獻(xiàn)3可知在260，10MPA下水蒸汽的焓為2902KJ/KG，故KJ105329018362Q半水煤氣帶出熱Q3在200，10MPA下的半水煤氣的平均比熱容為CPM3449KJ/KMOLK。KJ102304932163出設(shè)備變換氣帶走熱量Q4200時(shí)，變換氣的平均比熱容為CPM3449KJ/KMOLK。KJ10243093712064設(shè)熱損失Q5278106KJ由熱量衡算知12345Q代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得T1854與所設(shè)溫度相近，故不需要重復(fù)計(jì)算。即入設(shè)備半水煤氣溫度為187。27變換氣換熱器熱量衡算根據(jù)前面的計(jì)算，進(jìn)出變換氣換熱器的物料參數(shù)為進(jìn)出設(shè)備變換氣量（濕）28152KMOL進(jìn)設(shè)備變換氣溫度200進(jìn)出設(shè)備半水煤氣量（干）15278KMOL出設(shè)備變換氣溫度155出設(shè)備半水煤氣溫度187但進(jìn)設(shè)備半水煤氣溫度還未知，設(shè)為T。271進(jìn)設(shè)備熱量計(jì)算（1）變換氣帶入熱Q1在200、10MPA下，查文獻(xiàn)1知平均比熱容為3702KJ/KMOLK。KJ6110920137285（2）半水煤氣帶入熱Q2設(shè)進(jìn)設(shè)備半水煤氣溫度為125、在壓力10MPA下，查文獻(xiàn)1可計(jì)算出此時(shí)的平均比熱容為3057KJ/KMOLK。TQ5730812272出設(shè)備熱量計(jì)算（1）變換氣帶出熱在155、10MPA下，查文獻(xiàn)1計(jì)算平均比熱容為3269KJ/KMOLK。KJ102641569328153Q（2）半水煤氣帶出熱在187、10MPA下，查文獻(xiàn)1計(jì)算平均比熱容為2978KJ/KMOLK。KJ10538729815764設(shè)Q5414106KJ由12345Q可得T1262與假設(shè)溫度相近,故不需計(jì)算。即進(jìn)設(shè)備半水煤氣溫度為125。第三章主要設(shè)備計(jì)算31第一變換爐的計(jì)算已知條件平均操作壓力174MPA一段氣體進(jìn)口溫度200一段氣體出口溫度360一段氣體進(jìn)口流量（干）342222NM3一段氣體出口流量432226NM3一段出口CO含量1052一段入口汽氣比R02572催化劑型號(hào)B302Q進(jìn)此段催化劑氣體成分（濕）見(jiàn)表31表31進(jìn)一變換爐濕半水煤氣組成TABLE22THECOMPOSITIONOFTHEWETSEMIWATERGASINTOTHEFIRSTSHIFTCONVERTER組分CO2COH2CH4O2H2ON2合計(jì)5572450300711902420461798100NM3239561054041293605133102779103177342430244KMOL106947065775229464064345319207311催化劑用量計(jì)算根據(jù)B302Q催化劑宏觀動(dòng)力學(xué)方程得（314316EXP1822222803050OHCPHCOCOCOYKYYRTDWN1）式中，各組分濕基摩爾分率22,COHCOOYYR通用氣體常數(shù)，8314KJ/（MOLK）T氣體溫度，KKPCO反應(yīng)平衡常數(shù)CO反應(yīng)速度，MOL/H4770反應(yīng)速率常數(shù)16040反應(yīng)活化能，J/MOL則由上式可推出（32）22220050603843118EXP14COCOHCOHOCOPOVDYYYWRTK式中，V0氣體的體積，NM3T平均溫度，K5372查文獻(xiàn)1得CO的平衡常數(shù)KP4959，的含量由557上升到2178，將2COY以上數(shù)據(jù)代入式（32）2531486EXP462059473130746250184238632WYDCO積分并解之得W226M3考慮到一段催化劑床層操作條件較惡劣，油污、雜質(zhì)較多，備用系數(shù)取12，故實(shí)際催化劑用量取27312催化劑床層阻力計(jì)算變換爐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮催化劑床層的阻力降，阻力降與設(shè)備直徑及催化劑床層高度有關(guān)，這里要求低變催化劑的床層阻力688KPA。取催化劑的床層直徑30催化劑床層的阻力降由公式下式（33）計(jì)算TD（3LEDFGPP1012983）式中變換氣通過(guò)催化劑床層的壓力降，MPAPF摩擦系數(shù)，一般取15G變換氣質(zhì)量流率，KG/M2H氣體的重度，KG/M3L催化劑床層高度，M0378PTDED催化劑顆粒直徑，MPD催化劑床層直徑，MTDB302Q型催化劑為球型催化劑，其粒度為35MM，取其值為4MM，則有M04PD由公式，代入數(shù)據(jù)可得0378TED378043807氣體平均分子量M1889，則在此操作條件下氣體的密度KG/M2H637825491氣體質(zhì)量流速KG/M2H75096341892732G催化劑床層高度M803472L由以上數(shù)據(jù)得催化劑床層壓降為MPA562380710623591028P由以上結(jié)