化工專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書

專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書

化學(xué)工程與工藝系

二〇一五年二月

目錄緒

論

1

第一章合成氨廠變換系統(tǒng)工藝設(shè)計

3

第二章天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化過程設(shè)計

12

第三章城市煤氣廠脫硫工段工藝設(shè)計

14

第四章輕柴油裂解過程工藝設(shè)計

16

第五章山梨醇生產(chǎn)工藝過程設(shè)計

19

第六章碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈生產(chǎn)工藝設(shè)計

20

緒

論一.課程設(shè)計的目的

1.培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，正確的設(shè)計思想，科學(xué)的研究方法和良好的工作作風(fēng)。

2.培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考及工作能力，獨立檢索資料、閱讀文獻、綜合分析、理論計算、工程制圖、使用計算機、數(shù)據(jù)及文字處理等能力。

3.培養(yǎng)學(xué)生掌握一定的基本技能及綜合運用基礎(chǔ)理論、基本知識。通過課程設(shè)計的教學(xué)過程，使學(xué)生掌握設(shè)計的方法及步驟、獲得工程設(shè)計和科學(xué)研究的初步鍛煉。

二.課程設(shè)計對學(xué)生的基本要求

1.學(xué)生要刻苦鉆研，勇于創(chuàng)新，獨立完成課程設(shè)計任務(wù)，不準(zhǔn)弄虛作假、抄襲別人的成果，保質(zhì)保量地完成《課程設(shè)計任務(wù)書》所規(guī)定的任務(wù)。

2.嚴(yán)格遵守紀(jì)律，在指定的地點進行課程設(shè)計。

3.自覺遵守教室使用的相關(guān)規(guī)則，定期打掃課程設(shè)計工作現(xiàn)場的衛(wèi)生，保持良好的工作環(huán)境。

4.課程設(shè)計成果及資料應(yīng)交系資料室收存，不得擅自帶離學(xué)校。

三.課程設(shè)計的基本內(nèi)容

1.文獻的檢索、分析、綜合和應(yīng)用;

2.綜述設(shè)計項目的目的和意義;

3.工藝方法選擇及論證;

4.反應(yīng)原理及有關(guān)計算;

5.工藝流程設(shè)計及論證;

6.設(shè)備型式選擇及論證;

7.化工工藝計算:物料衡算;熱量衡算;非定型設(shè)備工藝計算;

8.定型設(shè)備選擇及化工管道設(shè)計;

9.設(shè)計繪制工藝物料流程圖;

10.編寫設(shè)計說明書。

四.課程設(shè)計的學(xué)時分配

課程設(shè)計的教學(xué)時數(shù)為3周，設(shè)計進程及學(xué)時分配如下：

1.設(shè)計準(zhǔn)備：下達設(shè)計任務(wù)書、安排設(shè)計進度；查閱資料、收集所需設(shè)計參數(shù)。（0.5周）

2.工藝方法及流程設(shè)計：確定工藝方法；設(shè)計繪制原則性工藝流程圖；設(shè)備型式選擇。（0.5周）

3.工藝設(shè)計計算:物料衡算；熱量衡算；非定型設(shè)備工藝計算；定型設(shè)備選擇；化工管道設(shè)計。（1周）

4.圖紙和設(shè)計說明書：設(shè)計繪制工藝流程圖；編寫設(shè)計說明書。（0.7周）

5.設(shè)計考核和評定成績。（0.3周）

五、課程設(shè)計的考核

對設(shè)計說明書的內(nèi)容和質(zhì)量以及設(shè)計圖紙質(zhì)量進行審核并分組答辯，綜合評定成績，成績按優(yōu)、良、中、及格、不及格五級記分。

六.課程設(shè)計資料的裝訂

在教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生按如下規(guī)定順序裝訂課程設(shè)計資料：封面→任務(wù)書（含成績）→設(shè)計說明書→圖紙。要求設(shè)計資料整齊、清潔。第一章合成氨廠變換系統(tǒng)工藝設(shè)計

在合成氨生產(chǎn)中，一氧化碳變換是重要的一環(huán)。合成氨原料氣中的一氧化碳對合成氨催化劑有毒害作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般分二次除去，其中絕大部分是通過一氧化碳變換反應(yīng)除去的，微量一氧化碳再經(jīng)銅洗精煉或甲烷化除去。

變換反應(yīng)為：

這樣既能把一氧化碳變?yōu)橐子诔サ亩趸?，而且二氧化碳又是生產(chǎn)碳酸氫銨、純堿、尿素等化工產(chǎn)品的重要原料，同時又可制得與被除掉的一氧化碳等摩爾的氫，所消耗的只是廉價的水蒸汽。因此，一氧化碳變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)，在合成氨生產(chǎn)流程中是非常重要的一個環(huán)節(jié)。

1.1變換系統(tǒng)的流程

二十世紀(jì)八十年代以來，我國合成氨廠變換系統(tǒng)在技術(shù)改造、節(jié)能降耗等方面取得了重大進展。

八十年代中期，我國研制出了鈷鉬耐硫?qū)挏刈儞Q催化劑（B302Q、B303Q等），其低溫活性達到國際先進水平。現(xiàn)在已被國內(nèi)合成氨廠普遍采用，由傳統(tǒng)的單一中變流程改為中變串低變流程。近年來，進一步改造成能耗更低的全低變或中低低流程。中變串低變流程是在傳統(tǒng)單一中變流程的中變爐后串聯(lián)一臺低變爐；全低變流程是變換爐三段都采用鈷鉬耐硫低變催化劑，變換反應(yīng)溫度進一步降低，采用的汽氣比更低，蒸汽用量更少；中低低流程是變換爐一段采用鐵鉻系中變催化劑，二、三段采用鈷鉬耐硫催化劑。由于鐵鉻系中變催化劑耐有害成分的能力較強，因而有效地保護了低變催化劑，使其優(yōu)越性得以充分發(fā)揮。目前以固體燃料為原料的合成氨廠變換系統(tǒng)主要是這三種流程。

變換系統(tǒng)各種流程的簡單對比

流程

單一中變

中變

串低變

全低變

（三段）

中低低

（三段）

無飽和塔

全低變

催化劑

B104,B106,

B109

中變：B113

低變：B303Q

B302Q、B303Q(EB-4)

中變：B113

低變：B303Q

B302Q、B303Q(EB-4)

變換爐出口

溫度℃

約400

約200

約200

約200

約200

汽氣比

1.02～1.05

0.5～0.6

0.3～0.4

0.4～0.5

0.27～0.32

循環(huán)水量

噸/噸氨

25～30

13～15

6～8

8～9

－

最終

變換率

90％

95％

95％

95％

95％

出口CO

3％

1％

1％

1％

1％

段間

降溫方式

**冷激

**冷激

間接換熱

間接換熱

**冷激

由于鈷鉬耐硫?qū)挏刈儞Q催化劑的活性溫度低，因而使變換反應(yīng)溫度大幅度下降（低變溫度180℃～210℃），比單一中變第三段的溫度低了約200℃。變換反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度降低，有利于平衡向生成物方向移動，這樣就使得變換反應(yīng)水蒸汽用量大幅度下降，汽氣比由單一中變流程時的1.02～1.05（過去由于反應(yīng)溫度高，為達到一定的變換率，必須維持較高的汽氣比），降低為中串低流程時的0.6左右，全低變流程時的0.3～0.4左右。由于變換系統(tǒng)是合成氨廠蒸汽用量大戶，所以節(jié)能降耗作用顯著。

1.2變換系統(tǒng)飽和熱水塔工藝設(shè)計

飽和熱水塔是變換系統(tǒng)的主要熱量回收設(shè)備，它的設(shè)計與操作好壞直接關(guān)系到外界補充給系統(tǒng)蒸汽量的多少。外界補充的蒸汽越少，則能耗越低，經(jīng)濟效益越好。

1.2.1變換系統(tǒng)飽和熱水塔工藝設(shè)計主要內(nèi)容

1、根據(jù)所采用的流程確定初始氣體成分、最終變換率、汽氣比等，計算變換后氣體成分，變換氣露點，變換氣絕熱飽和溫度；

2、初定循環(huán)熱水量，進行水加熱器、飽和塔、熱水塔物料衡算，能量衡算；

3、計算飽和塔、熱水塔平衡線，操作線，據(jù)此繪制兩塔I~t圖，求出飽和塔、熱水塔理論塔板數(shù)；

4、檢視兩塔推動力是否合理，若不合理，則調(diào)整循環(huán)熱水量，從第2步開始重新計算，直至合理為止；

5、繪制所用系統(tǒng)工藝流程簡圖、飽和熱水塔計算物料表。

1.2.2

濕氣體的幾個熱力學(xué)性質(zhì)

（1）飽和度φ：氣體中水蒸汽分壓PH2O與同一溫度下水的飽和蒸汽壓PH之比，稱為氣體中水蒸汽

飽和度，即

飽和塔出口氣體中的水蒸汽含量，最大達到出口溫度下的飽和濕含量，即φ＝100％，實際生產(chǎn)中是達不到飽和的，一般φ＝90～95％

（2）濕含量m：指1kg干氣體中所含有的水蒸汽質(zhì)量

kg/kg(干氣)

M干——干氣體分子量

P――氣體總壓，絕對壓力

（3）熱含量I：即單位質(zhì)量氣體所含有的熱量。一種物質(zhì)在某一狀態(tài)下的熱含量是從某一基準(zhǔn)狀態(tài)變化到該狀態(tài)時所吸收的熱量?；鶞?zhǔn)狀態(tài)是人為選定的，一般為0℃。對于濕氣體它的熱含量應(yīng)是干氣體的顯熱與所包含的水蒸汽的顯熱與潛熱之和，以1kg干氣體為基準(zhǔn)的濕氣體的熱含量為

――干氣體的平均比熱容（0～t℃），kJ/kg?℃

i――水蒸汽在t℃時的焓，kJ/kg

(4)露點溫度td：

濕氣體在濕含量不變的條件下冷卻到飽和時的溫度，稱為露點溫度，達到露點時φ＝100％。欲求某一氣體的露點只需從飽和蒸汽表中查出與該氣體的水蒸汽分壓相應(yīng)的飽和溫度即是該氣體的露點溫度。

（5）絕熱飽和溫度ts：

當(dāng)不飽和的氣體與足夠量的水在絕熱情況下相接觸時，水向氣體中汽化時所需的熱量只有取自氣體中的顯熱，于是氣體溫度逐漸降低，而濕含量逐漸增加，當(dāng)水汽含量達到飽和時，氣體溫度將不再因蒸發(fā)水份而降低，這時的溫度稱為氣體的絕熱飽和溫度。

絕熱飽和溫度是氣、水直接接觸時，水能被加熱或冷卻的極限溫度。在變換系統(tǒng)中，出熱水塔的熱水溫度，取決于入塔變換氣的絕熱飽和溫度。故在變換系統(tǒng)的設(shè)計計算中，必須首先計算入熱水塔變換氣的絕熱飽和溫度，而后才能進一步確定出系統(tǒng)的溫度分布。

氣體的絕熱飽和溫度決定于它的最初溫度和濕含量。由熱平衡可知,若以1kg干氣體為計算基準(zhǔn)，則

（4-6-5）

當(dāng)達到絕熱飽和溫度時，氣體的最終熱含量將等于它的初始熱含量加上以水蒸汽狀態(tài)而進入到氣體中的水的熱含量。式中下標(biāo)s的各項為絕熱飽和溫度下的值，下標(biāo)1的各項為氣體起始狀態(tài)的值。絕熱飽和溫度可用試算法求解，其步驟為：

1.先假定一個絕熱飽和溫度ts，這個溫度可參考氣體的露點溫度來假定，如氣體溫度較露點溫度高得不多，試算可在露點溫度附近假設(shè)。

2.計算出在假定的絕熱飽和溫度時的飽和濕含量ms和入熱水塔變換氣的濕含量m1

。

3.分別查出蒸汽在假定的絕熱飽和溫度下和進氣溫度下的焓is和i1。

4.分別計算式（4-6-5）等式兩邊，看計算結(jié)果是否相等，如相等則說明假定值正確，否則需重新假定溫度再進行計算，直到相等為止。

1.2.3

飽和熱水塔的平衡線和操作線

飽和塔中的平衡曲線是指在不同溫度下氣體與水達到平衡狀態(tài)，也就是氣體中水汽含量達到飽和狀態(tài)時的熱含量與水溫的關(guān)系曲線。一般以水溫t為橫坐標(biāo)，飽和濕氣體的熱含量I為縱坐標(biāo)來繪制的。操作線是在塔內(nèi)實際操作過程中，氣體的熱含量與水溫的關(guān)系線。

設(shè)進、出塔的干氣體重量為G，進塔氣的熱含量為I1，出塔氣的熱含量為I2，進塔水重量為L1、溫度為t1，出塔水重量為L2，溫度為t2，根據(jù)熱平衡得

因氣相中濕含量的變化而造成的水量變化與循環(huán)水量相比是很小的，如略去其影響則水量可視為不變，則

上式即為操作線方程式。從式中可看出操作線是一條直線，其斜率為L/G。一般在設(shè)計飽和熱水塔時，首先要進行物料衡算和能量衡算，通過計算求出I1、I2、t1、t2，這時只要以I1、t2為一點，I2、t1為另一點，相連的直線即為操作線。

1.2.4

飽和熱水塔的循環(huán)水量

飽和熱水塔中，回收變換氣的余熱傳遞給半水煤氣是靠水為媒介來完成的。循環(huán)于飽和熱水塔中的水量必須滿足于以下幾個基本條件：

⑴

水量必須保證完成最大限度的傳遞熱量。

⑵

必須滿足噴淋密度的要求。例如，對于填料塔，水量必須保證全塔在適宜的潤濕率下操作。

⑶

必須使設(shè)備結(jié)構(gòu)和經(jīng)常運行費用經(jīng)濟合理。

循環(huán)水量的大小基本上是由變換系統(tǒng)的汽氣比決定的。當(dāng)氣體成分一定時，汽氣比的大小，決定了出變換爐氣體中殘余的水蒸汽含量。過去單一中變流程中，汽氣比大，變換氣中蒸汽含量高，循環(huán)水量就大；現(xiàn)在采用的帶有低變的流程中，汽氣比小，變換氣中蒸汽含量低，造成變換氣露點溫度低，絕熱飽和溫度低，循環(huán)水量就應(yīng)該小。在汽氣比很小的情況下，若循環(huán)水量過大，會使水加熱器溫升小，使飽和塔入塔熱水溫度低，造成出塔半水煤氣溫度偏低，濕含量低，使外供蒸汽量增加。

在飽和熱水塔系統(tǒng)中循環(huán)水量（L）與氣量（G）之比為飽和熱水塔的操作線斜率。這一比值有一極值（L/G）opt，當(dāng)L/G為這一極值時，回收的蒸汽量最多，也就是氣體離開熱水塔時帶出的水蒸汽量為最少。一般用熱水塔出口溫度來判斷水蒸汽回收的好壞比用飽和塔出口的溫度來判斷更準(zhǔn)確。同時，當(dāng)循環(huán)水量較大時，操作線斜率大，對飽和塔來說，操作線與平衡線距離增大，推動力較大，傳熱效果好，對飽和塔是有利的；但對熱水塔則相反。同理，循環(huán)水量小時對熱水塔有利，對飽和塔不利。因此，我們必須選擇一個合適的循環(huán)水量，使兩者都處在合理范圍之內(nèi)，使熱能回收達到最佳程度。帶有低變流程的循環(huán)水量一般為6～15噸/噸氨。

1.3

變換系統(tǒng)變換爐工藝設(shè)計

變換爐是變換系統(tǒng)的最主要的設(shè)備。變換爐的設(shè)計要力求做到催化劑能得到最有效的利用、結(jié)構(gòu)簡單、阻力小、熱損失小、蒸汽耗量低。

1.3.1變換系統(tǒng)變換爐工藝設(shè)計主要內(nèi)容

1.根據(jù)合成氨生產(chǎn)原料確定初始氣體成分、根據(jù)所采用的流程確定汽氣比等，選定變換爐段數(shù)以及段間降溫方法。根據(jù)所用催化劑確定變換爐進口溫度；

2.根據(jù)選定的初始氣體成分、汽氣比、所用催化劑參數(shù)等，計算變換爐每一段的平衡曲線、最適宜溫度曲線。計算變換爐每一段的操作線，根據(jù)每段最適宜溫度曲線調(diào)整該段的進出口溫度以及各段變換率，直至合理為止。據(jù)此繪制變換爐x~t圖；

3.進行變換爐的物料衡算和能量衡算；

4.根據(jù)所用催化劑的宏觀動力學(xué)方程及變換爐x~t圖，計算每一段催化劑用量；

5.繪制所用系統(tǒng)工藝流程簡圖、變換爐計算物料表。

1.3.2變換爐段間的降溫方法

變換反應(yīng)是劇烈的放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行氣體溫度不斷升高，但最適宜反應(yīng)溫度則是隨著變換率的增高而逐步降低的。因此，為了提高變換率，使反應(yīng)能在最適宜溫度下進行，必須不斷移走反應(yīng)熱，使溫度隨反應(yīng)進行不斷降低。其次，催化劑本身耐熱性有一定限度，為防止催化劑層超溫也必須及時移走反應(yīng)熱。

要使反應(yīng)完全沿著最適宜溫度進行在實際上是極為困難的。在工業(yè)上是采取分段變換的方法來解決，變換爐一般分為三段。即第一段在較高溫度下進行幾乎絕熱的變換反應(yīng)，以得到較快的反應(yīng)速度，提高催化劑利用率；然后進行中間冷卻；第二段在較低的溫度下繼續(xù)反應(yīng)，段間進行冷卻降溫；第三段的反應(yīng)溫度更低。中間冷卻降溫的方法主要有兩種，**直接冷激法和通過換熱器間接換熱法。

**冷激降溫時，因為水的汽化潛熱很大，只需很少量的水就能達到降溫的目的，增加了氣體中的水蒸汽含量，減少外供蒸汽消耗，因而系統(tǒng)阻力較小。但變換爐的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。中串低流程和無飽和塔全低變流程一般采用**冷激法。全低變流程采用間接換熱的方法。由于全低變流程汽氣比較小，反應(yīng)后剩余的蒸汽量很小，造成變換氣的露點溫度很低，這時若熱水只通過單一水加熱器升溫，就不可能達到飽和塔進口水溫的要求。因此，全低變流程中熱水經(jīng)第一水加熱器后，又經(jīng)第二水加熱器與出二段變換氣換熱，再經(jīng)調(diào)溫水加熱器與出一段變換氣換熱，經(jīng)多級換熱不斷提高進入飽和塔水溫，使半水煤氣在飽和塔中可飽和更多水蒸汽，減少外供蒸汽量。由于類似的原因，中低低流程也采用間接換熱的方法。

1.3.3

變換反應(yīng)平衡曲線、最適宜溫度線和操作線

（1）平衡曲線

平衡變換率與溫度的關(guān)系曲線稱為平衡曲線。

對于一定組成的濕半水煤氣，不同溫度下的平衡變換率xp可由下式計算：

A、B、C、D——氣體中CO、H2O、CO2、H2的原始組成（濕基），摩爾分率。

（2）最適宜反應(yīng)溫度的計算只要知道氣體的原始組成和催化劑活化能就可直接算出不同平衡變換率xp時的最適宜反應(yīng)溫度Tm。

E1、E2——正、逆反應(yīng)活化能，kJ/kmol

最適宜反應(yīng)溫度曲線繪出后對各段催化劑層進出口溫度的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

最適宜反應(yīng)溫度與半水煤氣原始組成有關(guān)，因此和平衡曲線一樣，對于用熱水或水蒸汽冷激的變換爐，冷激后氣體的原始組成發(fā)生變化，這時應(yīng)根據(jù)冷激后氣體的原始組成來進行計算。

（3）操作線

操作線是爐內(nèi)反應(yīng)進行時溫度與變換率的變化過程線。由于進出口焓差是狀態(tài)函數(shù)，我們可以假設(shè)一個便于計算的步驟來進行。第一步，氣體組成不變，溫度升高至出口溫度；第二步，氣體在出口溫度下進行反應(yīng)（假設(shè)先反應(yīng)再升溫也可以）。

N1、N2

——進、出催化劑床的氣體流量，kmol，對于變換反應(yīng)N1＝N2；

t1、t2

——進、出催化劑床的氣體溫度，℃；

x1、x2

——進、出催化劑床氣體的變換率；

Cp

——進催化劑床氣體在平均溫度(t1+t2)/2下的真實摩爾熱容，kJ/kmol?K；

ΔHR

——出口溫度下的反應(yīng)熱，kJ/kmolCO；

NR

——變換掉的一氧化碳量，kmol；

CO%

——氣體中一氧化碳的濃度，摩爾分率（濕基）。如果反應(yīng)是在絕熱條件下進行（忽略散熱），

上式就是操作線方程式。由上式可看出操作線是一直線，若考慮半水煤氣中的氧氣與氫氣反應(yīng)放熱，同時考慮變換爐因熱損失而造成的溫度降Δtl（℃），則操作線方程為

1.3.4工藝條件的選定

（1）最終變換率

最終變換率過高或過低都會帶來不利的影響。如定得過高，則要耗用過多的催化劑或由于要提高汽氣比使蒸汽消耗增加；過低則要增加半水煤氣耗量，加重銅洗工段負荷，并浪費氣體壓縮功。由于設(shè)計中采用了帶有低變的流程，而且后續(xù)工段采用銅洗脫除殘余的一氧化碳，允許出變換系統(tǒng)的變換氣中殘余一氧化碳含量稍高一點，因此可選擇最終變換率為95％，相應(yīng)的CO為1％左右。

（2）變換爐進出口溫度

進爐溫度根據(jù)已選定的催化劑來決定，一般高于催化劑的活性起始溫度20℃即可。出口溫度要根據(jù)催化劑的活性溫度和流程來確定，對于帶有低變的流程，低變的出口溫度一般在200℃左右。

（3）汽氣比

在最終變換率和出口溫度選定后，可根據(jù)最佳出口平衡溫差來選定汽氣比。所謂出口平衡溫差是指出口溫度與出口變換率對應(yīng)的平衡溫度之間的溫度差。最佳平衡溫差與操作條件有關(guān)，一般可取15～20℃作為合理的最佳平衡溫差。對鈷鉬耐硫催化劑，由于其低溫活性好，活化能低，平衡溫差可適當(dāng)放寬，15～30℃也是合理的。對于不同的半水煤氣成分，可用試算法來選定汽氣比。

試算步驟如下：

1、已知半水煤氣成分，最終變換率，初選汽氣比，據(jù)此算出變換后有關(guān)組分的摩爾分率。

2、根據(jù)變換后有關(guān)組分的摩爾分率計算出平衡常數(shù)。

3、根據(jù)平衡常數(shù)查表得到對應(yīng)的平衡溫度；

4、根據(jù)選定的出口溫度計算平衡溫差；

5、若平衡溫差在15～20℃之間，說明原假設(shè)的汽氣比可用，若平衡溫差不在合理范圍內(nèi)，可重選汽氣比，重新計算，直至平衡溫差合理為止。

（4）各段催化劑床進出口氣體溫度和變換率

在催化劑床段數(shù)、最終變換率、變換爐出口氣體溫度、汽氣比等條件確定后，即可對各段催化劑床進出口氣體溫度和變換率進行選定。選定的原則是在既定條件下各段催化劑體積之和應(yīng)為最小，也就是使催化劑的利用率為最高。

完全根據(jù)理論計算比較繁瑣，在要求不甚高的情況下，可以以最適宜反應(yīng)溫度曲線和催化劑的最佳活性溫度范圍為依據(jù)，來選定各段催化劑床進出口氣體溫度和變換率。前面已經(jīng)介紹過，床層溫度若能沿著最適宜反應(yīng)溫度曲線變化，那么反應(yīng)速度最快而催化劑體積可以最小。對于分段降溫的變換爐，要使床層溫度完全沿著最適宜反應(yīng)溫度曲線變化是不可能的，但應(yīng)使反應(yīng)盡可能地靠近最適宜反應(yīng)溫度曲線進行，因此操作線應(yīng)該是跨越最適宜溫度曲線的兩側(cè)。即各段催化劑床的進口點應(yīng)在最適宜溫度曲線的下方，而出口點則在曲線上方，只偏在任何一側(cè)從總的方面來看結(jié)果都是不利的。在滿足以上要求的同時，全部操作線都應(yīng)在催化劑的最佳活性溫度范圍之內(nèi)。據(jù)此作出變換爐的x～t圖。

1.3.5催化劑用量的計算

計算催化劑用量的基礎(chǔ)是反應(yīng)速度。目前常用催化劑的宏觀動力學(xué)方程、活化能、反應(yīng)速度常數(shù)等數(shù)據(jù)都有發(fā)表，為較準(zhǔn)確地計算催化劑用量提供了條件?？臻g速度經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)實際中的催化劑用量可用來對計算結(jié)果進行檢驗。

催化劑體積VR（m3）

VR＝0V0

0——標(biāo)準(zhǔn)接觸時間，h?m3/Nm3

V0——通過催化劑床氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，Nm3/h

標(biāo)準(zhǔn)接觸時間是指氣體以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積計量時與催化劑床接觸的時間，它是空間速度的倒數(shù)。

鐵鉻系中變催化劑B113型的宏觀動力學(xué)方程為：

正反應(yīng)活化能：E1＝17796cal/mol=74.49KJ/mol，逆反應(yīng)活化能：E2＝E1-△HR

B113型中變催化劑的標(biāo)準(zhǔn)接觸時間0

式中

A、B、C、D分別為CO、H2O、CO2、H2的摩爾分率(各段氣體的原始組成)

γb------催化劑堆密度，對B113催化劑取1400kg/m3

k1------反應(yīng)速率常數(shù)（mol/g催化劑?h），設(shè)

進行圖解積分。

鈷鉬耐硫低變催化劑B302Q(EB-1)的宏觀動力學(xué)方程為：

正反應(yīng)活化能：E1＝10351cal/mol=43.33KJ/mol，（活化能越小，表明催化劑催化活性越好）。

逆反應(yīng)活化能：E2＝E1-△HR

B302Q(EB-1)型低變催化劑的標(biāo)準(zhǔn)接觸時間0

式中

A、B、C、D分別為CO、H2O、CO2、H2的摩爾分率(各段氣體的原始組成)

b------催化劑堆密度，對B302Q(EB-1)型催化劑取1000kg/m3

k1------反應(yīng)速率常數(shù)（mol/g催化劑?h），設(shè)

以x～w作圖，進行圖解積分。

上述公式積分不能得出簡單的解析計算式，但可以用圖解積分法求解。首先根據(jù)各段操作線確定該段不同變換率x下相應(yīng)的反應(yīng)溫度，查表得到該溫度下的平衡常數(shù)Kp，計算出K1，再根據(jù)x、Kp計算出β、w，然后以w-x作圖，圖解積分得到τ0。采用催化活性高，活性溫度低，操作溫度區(qū)間寬的一氧化碳變換催化劑，不僅可以大大降低變換反應(yīng)的水蒸汽消耗，而且還可以達到較高的CO變換率。

1.3.6

催化劑床阻力計算

氣體通過變換爐催化劑床的壓力降可用下式計算：

式中：p——氣體通過催化劑床的阻力降，Kg/m2；f——摩擦系數(shù)，一般取1.5；

G——氣體重量流速，Kg/m2?h；g——氣體在操作狀態(tài)下的重度，Kg/m3；dp——顆粒直徑m；

L——催化劑床高度，m；

Dt——催化劑床的直徑，m。

由公式計算得出的壓力降一般都是對新催化劑的預(yù)期壓力降。催化劑在使用過程中會發(fā)生破損和粉化現(xiàn)象，使粒度減小、空隙率降低，從而使阻力增加，因此對催化劑床的預(yù)期壓力降應(yīng)將新催化劑的預(yù)期壓力降增加50％。在選定了容許壓力降后，即可根據(jù)催化劑體積決定催化劑床直徑。

1.3.7物料衡算和熱量衡算舉例

水加熱器的物料、熱量衡算

（1）物料衡算

⑴濕變換氣流量（同低變爐出口氣體）：

1.2285Kmol干氣；1.6394Kmol濕氣；

⑵熱水流量：15t/tNH3

物料在水加熱器中無變化。

（2）熱量衡算

進、出物料溫度：

變換氣進口——203℃（比低變爐出氣溫度低2℃）；

變換氣出口——127℃（比變換氣露點高10℃左右）；

熱水進口——115℃（比絕熱飽和溫度低2℃左右）；求熱水出口溫度。

入熱：

⑴變換氣帶入熱

干變換氣在0～203℃恒壓平均摩爾熱容（查圖，查203℃時的值）

CP＝35.5Kj/Kmol?℃

由水蒸汽表得203℃時水蒸汽焓為2794.9Kj/Kg，則：

干變換氣帶入熱＝1.2285×35.5×203＝8853.2Kj

水蒸汽帶入熱＝0.4109×18×2794.8＝20670.90Kj

合計＝29524.10Kj

⑵熱水帶入熱：98.82×115×4.186＝47570.96Kj

⑶總?cè)霟幔?7095.06Kj

出熱：

⑴變換氣帶出熱

干變換氣在0～127℃平均分子熱容

CP＝35.28Kj/Kmol?℃，

由水蒸汽表得：127℃時水蒸汽焓為2729.88Kj/Kg，則

干變換氣帶出熱＝1.2285×35.28×127＝5504.40Kj

水蒸汽帶出熱＝0.4109×18×2729.88＝20190.74Kj

合計＝25695.14Kj

⑵熱水帶出熱：98.28×4.186×t＝413.70×tKj

⑶熱損失（取總?cè)霟岬?.5％）：

77095.06×0.5％＝385.48Kj

⑷總出熱：26108.84+413.70t

Kj

根據(jù)熱平衡:總?cè)霟幔娇偝鰺?/p>

從而解得出水溫度：t=（77095.06-26108.84）/413.70＝123.3℃

∴水加熱器出口水溫為123.3℃，在水加熱器中熱水溫升為

123.3-115＝8.3℃

其它設(shè)備的物料衡算和熱量衡算與此類似。

主要參考文獻

小氮肥廠工藝設(shè)計手冊

石油化學(xué)工業(yè)出版社

小氮肥廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊（上冊）

化學(xué)工業(yè)出版社

無機化工工藝學(xué)（合成氨）

陳五平主編

氮肥工藝設(shè)計手冊?理化數(shù)據(jù)

化學(xué)工業(yè)出版社

化學(xué)工藝學(xué)

廖巧麗、米鎮(zhèn)濤主編

第二章天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化過程設(shè)計

一．概述

一氧化碳和氫氣的混合物稱為合成氣，英文縮寫是Syngas。合成氣中H2與CO的比值隨原料和生產(chǎn)方法不同而異。合成氣是有機合成原料之一，也是氫氣和一氧化碳的來源，發(fā)展合成氣有利于資源優(yōu)化利用，有利于化學(xué)工業(yè)向原料路線和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多元化方向發(fā)展。利用合成氣轉(zhuǎn)化成液體和氣體燃料、大噸位化工產(chǎn)品和高附加值的精細有機合成產(chǎn)品，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的重要技術(shù)是C1化工技術(shù)。自從20世紀(jì)70年代后期以來，C1化工得到世界各國極大重視，以天然氣為基礎(chǔ)的合成氣轉(zhuǎn)化制備化工產(chǎn)品的研究廣泛開展，已經(jīng)和將有更多C1化工過程實現(xiàn)工業(yè)化，今后合成氣的應(yīng)用前景將越來越寬廣。

天然氣是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的重要原料資源，以天然氣為原料制合成氣的成本最低。天然氣中甲烷含量一般大于90%。以天然氣為原料生產(chǎn)合成氣，主要有水蒸汽轉(zhuǎn)化法和部分氧化法。目前工業(yè)上多采用水蒸汽轉(zhuǎn)化法，廣泛用于生產(chǎn)合成氣、純氫氣和合成氨原料氣，此法技術(shù)成熟，生產(chǎn)實踐經(jīng)驗豐富，積累的設(shè)計數(shù)據(jù)完整；其工藝過程原理在化學(xué)工程與工藝專業(yè)的相關(guān)課程中已講述，所以，專業(yè)課程設(shè)計選用天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化過程進行設(shè)計是比較合適的。

二．工藝原理簡述

因為天然氣的主要成分是甲烷，而甲烷在烷烴中是熱力學(xué)最穩(wěn)定的，其他烴類較易反應(yīng)，因此在討論天然氣轉(zhuǎn)化過程時，主要考慮甲烷與水蒸汽的反應(yīng)。

甲烷水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)必須在催化劑存在下才能有足夠的反應(yīng)速率。倘若操作條件不適當(dāng)，析碳反應(yīng)嚴(yán)重，對于烴類蒸汽轉(zhuǎn)化過程要注意防止析碳。在正常生產(chǎn)中，沒有碳黑析出，故在討論反應(yīng)體系的化學(xué)平衡時，只須考慮以下兩個反應(yīng)：

CH4+H2O=CO+3H2+Q1

CO+H2O=CO2+H2-Q2

在壓力不太高時，上述二氣相反應(yīng)的平衡常數(shù)僅是溫度的函數(shù)，根據(jù)反應(yīng)溫度查出或求出上述二反應(yīng)的平衡常數(shù)，在總壓和氣體的初始組成已知的工況下，通過聯(lián)立求解非線性方程組，即可求出平衡組成。影響甲烷水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)平衡的主要因素有溫度、水碳比和壓力。

三．工藝條件

在選擇工藝條件時，理論依據(jù)是熱力學(xué)和動力學(xué)分析以及化學(xué)工程原理，此外，還需結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟、生產(chǎn)安全等進行綜合優(yōu)化。轉(zhuǎn)化過程主要工藝條件有壓力、溫度、水碳比和空速，這幾個條件之間互有關(guān)系，要恰當(dāng)匹配。

1、壓力從熱力學(xué)特征看，低壓有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)。從動力學(xué)看，在反應(yīng)初期，增加系統(tǒng)壓力，相當(dāng)于增加反應(yīng)物分壓，反應(yīng)速率加快。但到反應(yīng)后期，反應(yīng)接近平衡，反應(yīng)物濃度很低，而產(chǎn)物濃度高，加壓反而會降低反應(yīng)速率，所以從化學(xué)角度看，壓力不宜過高。但從工程角度考慮，適當(dāng)提高壓力對傳熱有利，因為甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)需要外部供熱，大的給熱系數(shù)是強化傳熱的前提，提高壓力，即提高了介質(zhì)密度，是提高雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的有效措施。為了增大傳熱面積，采用多管并聯(lián)的反應(yīng)器，這就帶來了如何將氣體均勻地分布的問題，提高系統(tǒng)壓力可增大床層壓降，使氣流均布于各反應(yīng)管。雖然提高壓力會增加能耗，但若合成氣是作為高壓合成過程（例如合成氨、甲醇等）的原料時，在制造合成氣時將壓力提高到一定水平，就會降低后續(xù)工序的壓縮功，使全廠總能耗降低。加壓還可以減小設(shè)備、管道的體積，提高設(shè)備的生產(chǎn)強度，占地面積也小。綜上所述，甲烷水蒸汽轉(zhuǎn)化過程一般是加壓的，大約3MPa左右。

2、溫度從熱力學(xué)角度看，高溫下甲烷的平衡濃度低，從動力學(xué)角度看，高溫使反應(yīng)速率加快，所以出口殘余甲烷含量低。因加壓對平衡的不利影響，更要提高溫度來補償。在3MPa壓力下，為使甲烷殘余含量降至0.3%（干基），必須使溫度達到1000℃。但是，在此高溫下，反應(yīng)管的材質(zhì)經(jīng)受不了，以耐高溫的HK-40合金鋼為例，在3MPa的壓力下，要使反應(yīng)爐管壽命達10年，管壁溫度不得超過920℃，其管內(nèi)介質(zhì)溫度相應(yīng)為800~820℃。因此，為滿足殘余甲烷≤0.3%的要求，需要將轉(zhuǎn)化過程分為兩段進行。第一段轉(zhuǎn)化在多管反應(yīng)器中進行，管間供熱，反應(yīng)器稱為一段轉(zhuǎn)化爐，最高溫度（出口處）控制在800℃左右，出口殘余甲烷10%（干基）左右。第二段轉(zhuǎn)化反應(yīng)器為大直徑的鋼制圓筒，內(nèi)襯耐火材料，可耐1000℃以上高溫。對于此結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，不能再用外加熱方法供熱。溫度為800℃左右的一段轉(zhuǎn)化氣絕熱進入二段轉(zhuǎn)化爐，同時補入氧氣，氧與一段轉(zhuǎn)化氣中的可燃性氣體燃燒放熱，溫度升至1200℃左右，然后轉(zhuǎn)化反應(yīng)繼續(xù)進行，使二段出口氣體中甲烷降至0.3%。若補入空氣則有氮氣帶入，這對于合成氨是必要的，對于合成甲醇或其他產(chǎn)品則不應(yīng)有氮。

3、水碳比水碳比是諸操作變量中最便于調(diào)節(jié)的一個條件，又是對一段轉(zhuǎn)化過程影響較大的一個條件。水碳比高，有利于防止結(jié)碳，殘余甲烷含量也低。為了防止結(jié)碳，操作中一般控制水碳比在3.5左右。近年來，為了節(jié)能，要降低水碳比，但要解決防止析碳問題，可采取的措施有三個，其一是研制、開發(fā)新型的高活性、高抗碳性的低水碳比催化劑；其二是開發(fā)新的耐高溫爐管材料，提高一段爐出口溫度；其三是提高進二段爐的空氣量，保證降低水碳比后，一段出口氣中較高殘余甲烷能在二段爐中耗盡。目前，水碳比已可降至3.0，最低者可降到2.75。

4、氣流速度反應(yīng)爐管內(nèi)氣體流速高有利于傳熱，降低爐管外壁溫度，延長爐管壽命。加壓下進爐甲烷的空間速度（碳空速）控制在1000~2000h-1。

四．設(shè)計任務(wù)書

1、設(shè)計條件

（1）、生產(chǎn)能力：每小時轉(zhuǎn)化100~1000kmol天然氣（每生數(shù)據(jù)不同）；

（2）、天然氣組成（體積分?jǐn)?shù)）為：97.2%CH4，0.2%CO2，2.2%N2，0.4%Ar；

（3）、原料混合氣配比為：水蒸汽/天然氣=2.75~3.5（摩爾比）（每生數(shù)據(jù)不同）；

（4）、一段爐進口混合氣溫度為370℃，出口溫度790~820℃（每生數(shù)據(jù)不同）；出口處，轉(zhuǎn)化反應(yīng)平衡溫距為10℃，變換反應(yīng)達平衡；轉(zhuǎn)化過程為恒壓，壓力為3.0MPa。

（5）二段轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量為0.3%（干基）、出口溫度為1000℃；加氮空氣組成為：78%N2，21%O2，1%Ar；二段轉(zhuǎn)化氣中（H2+CO）/N2=3.0。

2、設(shè)計計算內(nèi)容

（1）、作一段爐的物料衡算與熱量衡算，

（2）、作二段爐的物料衡算。

3、設(shè)計成果

（1）、設(shè)計說明書一份；

（2）、物料流程圖一張。

4、主要參考文獻：

（1）廖巧麗、米鎮(zhèn)濤主編.化學(xué)工藝學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001

（2）陳五平主編.無機化工工藝學(xué)，上冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001

5、設(shè)計時間：三周

第三章城市煤氣廠脫硫工段工藝設(shè)計

城市煤氣廠一般用三種方法生產(chǎn)人工煤氣，生成的煤氣分別稱之為焦?fàn)t煤氣、水煤氣和發(fā)生爐煤氣。焦?fàn)t煤氣簡稱焦?fàn)t氣，是煤在煉焦?fàn)t中干餾時產(chǎn)生的煤氣，主要成分是甲烷、氫氣、一氧化碳等。水煤氣是用蒸汽跟赤熱的無煙煤或焦炭在煤氣發(fā)生爐中作用而生成的煤氣，主要成分是氫氣和一氧化碳等。發(fā)生爐煤氣是用空氣（或氧氣）和少量的水蒸氣跟固體燃料（煤或焦炭）在煤氣發(fā)生爐中反應(yīng)而產(chǎn)生的煤氣，主要成分是一氧化碳和氮氣等。各種煤氣中都含有硫化合物，按其化合狀態(tài)可分為兩類：一類是硫的無機化合物，主要是硫化氫；另一類是硫的有機化合物，如二硫化碳、硫氧化碳等，因此對煤氣必須加以凈化處理方可提供使用。

《城市煤氣廠脫硫工段工藝計算》課程設(shè)計過程如下。

一．前言

1.H2S的危害性；2.脫硫方法概述；3.工藝計算概述

二．

工藝過程

1.脫硫方法及基本原理；2.方案流程圖（方框圖及文字說明）；3.設(shè)備選型及作用。

三．

設(shè)計依據(jù)

1.設(shè)計能力；2.年工作日；3.煤氣成份；4煤氣壓力；5.液體溫度；6.氣體溫度；7.脫硫液成份；8.煤氣中H2S含量；10.大氣壓力

四．

工藝計算

（一）

物料衡算

1.

煤氣處理量

Nm3(干)/hr

2.

某一設(shè)備處理量V操

已知：T1、T2、P1、P2

式中：；；為飽和蒸氣壓；；

3.

溶液循環(huán)量

4.

物料衡算一覽表

表１物料衡算一覽表

設(shè)備名稱

介質(zhì)

操作溫度/

操作壓力/KPa

操作氣量/m3/hr

溶液循環(huán)量/m3/h

（二）熱量衡算

對脫硫塔和富液換熱器進行熱量衡算。

（三）設(shè)備工藝計算

計算非定型設(shè)備的直徑,換熱面積和填料高度等工藝尺寸。

（四）管徑計算

1.

管徑Ｄ：

式中：u為氣體流速，m/s

2.

規(guī)格化管徑Ｄ規(guī)：核算流速

3.

主要管道一覽表

表２主要管道一覽表

管道起訖

介質(zhì)

規(guī)格

操作氣量/m3/hr

操作壓力/KPa

操作溫度/

流速/m/s

氣柜—

五．

定型設(shè)備選擇

選擇本工段中的靜電除焦器、羅茨鼓風(fēng)機和泵等定型設(shè)備。

六．

工藝物料流程圖。

七．

主要參考文獻

1.中國城市燃氣協(xié)會會刊《城市燃氣》[J].

2.吳志泉等.化工工藝計算[M].華東理工大學(xué)出版社.1992.

3.婁愛娟.化工設(shè)計[M].華東理工大學(xué)出版社.2003.

4.侯文順.化工設(shè)計概論（第二版）[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2005

第四章輕柴油裂解過程工藝設(shè)計

一．前

言

乙烯是石油化工的主要代表產(chǎn)品，在石油化工中占主導(dǎo)地位。乙烯裝置生產(chǎn)的三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）和三苯（苯、甲苯、二甲苯）是其他有機原料及三大合成材料（合成樹脂、合成橡膠、合成纖維）的基礎(chǔ)原料。乙烯產(chǎn)量的增長，帶動和促進了三大合成材料和其他有機原料的增長。因此可以說，乙烯產(chǎn)量是衡量一個國家石油化工發(fā)展水平的主要標(biāo)志。

烴類熱裂解是生產(chǎn)乙烯的主要手段。自從石油烴裂解制乙烯技術(shù)工業(yè)化后，石油化學(xué)工業(yè)得到了飛速發(fā)展。乙烯生產(chǎn)的原料來源，也更加廣闊。就世界范圍來看，美國主要為從濕性天然氣中分離所得的乙烷和丙烷，日本與西歐主要為直餾汽油（石腦油）。最近幾年，由于天然氣和輕油資源供應(yīng)日益緊張，不少國家開始重視以輕柴油、原油等重質(zhì)油作為裂解原料。

為了滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的急需，經(jīng)過長期的努力，我國的乙烯工業(yè)有了很大的發(fā)展。如今我國以乙烯為代表的石化工業(yè)進入了蓬勃發(fā)展的新時期。通過新建裝置的投產(chǎn)和老裝置的技術(shù)改造，我國乙烯工業(yè)已躋身于世界主要乙烯生產(chǎn)國之列。近幾年我國乙烯產(chǎn)量以10.3%的年均速度增長，由1991年的1.761Mt增長到2000年的4.698Mt。預(yù)計2001－2005年，我國乙烯需求仍將以8%～9%的速率增長。需求的增長帶動了國內(nèi)乙烯工業(yè)的發(fā)展，同時也對乙烯裂解原料的供應(yīng)和優(yōu)化提出了更高的要求。

本課題以輕柴油為原料裂解年產(chǎn)30萬噸乙烯過程的設(shè)計，是與實際生產(chǎn)過程是緊密聯(lián)系的，目的是讓學(xué)生了解乙烯生產(chǎn)流程及生產(chǎn)能力，掌握現(xiàn)有的工藝條件及設(shè)備布局，從而加深對乙烯生產(chǎn)過程的理解，對現(xiàn)有的乙烯工藝有一個整體的把握，同時，也能促進學(xué)生們思考諸如：過程缺陷在哪里，我們應(yīng)如何解決？設(shè)備是否能夠進一步改進，如何改進最經(jīng)濟合理？乙烯原料的優(yōu)化和平衡，是降低乙烯生產(chǎn)成本、提高競爭力的重要措施，我們?nèi)绾谓鉀Q好這個大課題？如何發(fā)展乙烯工業(yè)投入少、見效快的捷徑？

目前，已經(jīng)工業(yè)化的裝置中所采用的管式爐裂解技術(shù)約有十幾種，其中以魯姆斯，斯通－韋伯，凱洛格，布朗路特及西拉斯等公司所開發(fā)的裂解技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計采用輕柴油為裂解原料，選用魯姆斯技術(shù)，設(shè)計內(nèi)容為：對裂解裝置分別進行物料衡算、能量衡算和設(shè)備工藝計算。

本次設(shè)計的主要內(nèi)容有：

⑴生產(chǎn)方法，反應(yīng)原理和工藝流程的確定

⑵工藝計算，包括物料衡算、能量衡算、若干關(guān)鍵設(shè)備計算

⑶主要管徑的計算

⑷繪制物料流程圖

二．設(shè)計條件：

年產(chǎn)30萬噸乙烯裝置，每年開工以8000小時計算

原料為輕柴油。

裂解氣組成見下表

裂解氣組成和流量

組

分

輕柴油裂解氣

%（摩爾）

乙