【正文】 ，取其平均值為 5 =，即轉(zhuǎn)化 為球形粒徑，即φ ， dp== 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 30 設(shè)催化劑床層直徑為 , 則： E=+ 3 7 8 0 4 0 7 ????Dd p （ 1）催化劑床層阻力 氣體平均分子量 M= 氣體在進(jìn)入低變催化劑層中的重度γ γ =1273 ???= 式中： 200 為氣體的平均溫度值 氣體質(zhì)量流量 G=? ? 2 4 5 6??? =() （ 2）催化劑層高 L=）（??= m 所以：Δ P= ? ? ? ? ??????? ? =628kgf/m2=(628mmH2O) 計算結(jié)果符合要求Δ P＜ , 故假設(shè)正確，取催化劑直徑 中變換熱器計算 已知條件 已知條件： 水進(jìn)主換熱器的溫度： 20℃ 水出主換熱器的溫度： 90℃ 變換氣進(jìn)主換熱器的溫度： 365℃ 變換氣出主換熱器的溫度： 250℃ 傳熱面積的計算 以水的吸熱來計算 從前面主換熱器的計算中可知水吸熱為： Q4Q2 則實際轉(zhuǎn)熱量為： Q= (Q4Q2)*=平均溫差： 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 31 tm=1222ln tttt????? =℃ 取 K=250 kJ/(m2*h*℃ ) 傳熱面積： S=Q/(K*tm)= 設(shè)富裕傳熱面積為： 20% S 實 =*= 選擇固定管板式換熱器： 表 41 固定管板式換熱器 參數(shù) 公稱直徑 /mm 900 公稱 面積 /m2 管數(shù) /根 588 管長 /mm 4 500 管程數(shù) /個 2 殼程數(shù) /個 1 管子排列方式 三角形 設(shè)備直徑與管板的確定 管板直徑的計算公式： D=(n/? ) n—— 管數(shù) ? —— 管板填充系數(shù)，取 t—— 管子中心距，取 所以 D= ? = 管板直 徑選用 φ ，設(shè)備外徑為 φ [17]。 熱量衡算： （ 1） 入熱： 水的帶入熱 Q1 查表得：水在 20℃ 時 Cp= kJ/（ ） 所以： Q1=X（ 20+273） = 轉(zhuǎn)化氣的帶入熱 Q2： 轉(zhuǎn)化氣在 920℃ 時 T=1193K 根據(jù)《物理化學(xué)》知， CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式： Cp=a+b+cT2 來計算熱容。 △H=（ ∑niH i） 始 －（ ∑niH i） 末 式中 △H —— 過程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時為放熱，為負(fù)數(shù)時系統(tǒng)為吸熱， kcal；（ ） 。本設(shè)計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，故壓力可取 。 原料與產(chǎn)品規(guī)格 原料規(guī)格 表 11 原料氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計 % 100 產(chǎn)品規(guī)格 經(jīng)過變換反應(yīng)后，氣體中 CO 含量應(yīng)低于 2%。粗原料氣中常含有大量的 C，由于 CO 是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過 CO 變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的 CO2 和氨合成所需要的 H2。 Temperature shift converter。對本文研究做出重要貢獻(xiàn)的個 人和集體，均已在文中作了明確說明并表示了謝意。變換反應(yīng)既是原料氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)過程。 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 3 本設(shè)計參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐進(jìn)入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從 920℃降到 330℃，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到 3 到 5 之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到3%以下。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡變換率，從而有利于降低 CO 殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。 在中變爐催化劑平衡曲線上查的 Te 值，根據(jù)最適溫度計算式可算出最適溫度。計算結(jié)果同上表 3–10。 (2) 有效地利用車間建筑面積 (包括空間 )和土地。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計算熱容， 結(jié)果同表 3–11。 計算結(jié)果如下： 表 326 平均溫度為 476K 時的生成焓 組分 H2 H2O CO CO2 HT（ kcal/kmol） HT（ kJ/kmol） 放熱： CO +H2O=CO2+H2 △H1=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 = kJ/kg 所以： Q1= = kJ 氣體吸熱 Q2： 氣體吸熱時的平均溫度： （ 181+203） /2=℃ ， T= 根據(jù)《物理化學(xué)教程》知， CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式： Cp=a+b+cT2 來計算 熱容。 中變的平均溫距為 397℃ 365℃ =32℃ 中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO 可用。但從動力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率。 設(shè)計規(guī)模與生產(chǎn)制度 設(shè)計規(guī)模 天然氣為原料年產(chǎn) 15 萬噸氨車間一氧化碳變換工段初步設(shè)計 , 年生產(chǎn)時間為 7200 小時。其后的十年間是全低變工藝和中 低 低工藝推廣和完善的過程。一氧化碳變換反應(yīng)既是原料氣的凈化過程，又是原料氣的制造過程。用天然氣制造的原料氣中，含有一部分一氧化碳，這些一氧化碳不能直接作為合成氨的原料，而且對合成氨的催化劑有毒害作用，必須在催化劑的催化作用下通過變換反應(yīng)加以除去。隨著新型耐硫催化劑的開發(fā)成功，八 十年代中期開發(fā)了中變串低變工藝；為了利用低變的低溫高活性，九十年代初期開發(fā)了全低變工藝；為了克服全低變工藝不能長期穩(wěn)定運行的缺點，九十年代中期又開發(fā)了中 低 低工藝。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。單就平衡而言，加壓并無好處。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： ％ 74％ =％ 則反應(yīng)后的各組分的量分別為： H2O％ =％ ％ +％ =23％ CO％ =％ ％ =％ H2％ =％ +％ ％ =％ CO2％ =％ +％ =％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： K= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知 K=12 時溫度為 397℃。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計算熱容， 結(jié)果同 3–11 則在 T=632K 時，計算結(jié)果如下： 表 321 T=632K 各組分的 Cp 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以得： Cpm=∑Yi*Cp= 故： Q2=(365353) = J/kg 熱損失： Q3=Q1Q2= J/kg 低變爐的物料和熱量計算 低變爐的物料衡算 已知進(jìn)低變爐的濕組分如下： 表 322 進(jìn)低變爐的濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 所以 進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分如下： 表 323 進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 要將 CO％ 降到 ％ （濕基）以下，則 CO 的實際變換率為： 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 21 X p％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=％ 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： ％ = Nm3= kmol 出低溫變換爐 CO 的量： = Nm3 = 出低溫變換爐 H2 的量： += Nm3= kmol 出低溫變換爐 H2O 的量： = Nm3= kmol 出低溫變換爐 CO2 的量 : += Nm3= kmol 出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干） =++++= Nm3= kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ = =% H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% 出低變爐的干組分 如下： 表 324 出低變爐的干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積： V 總（干） =+++++ =(標(biāo) ) = kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = ? =% 同理： CO2％ = ? =% H2％ = ? =% N2％ = .668 ? =% 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 22 CH4％ = 100 ?=% H2O％ = 100 ?=% 所以出低變爐的濕組分如下： 表 325 出低變爐的濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 對出低 變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)： Kp=（ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） 計算得 Kp= 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng) Kp= 時 t=223℃ 設(shè) 平均溫距為 20℃ ，則出低變爐 一段催化床層的變換氣溫度為： t=22320=203℃ 低變爐的熱量衡算 已知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為： 181℃ 出低變爐催化床層的變換氣溫度為： 203℃ 變換氣反應(yīng)放熱 Q1: 在 203℃ 時 ， T=476K， 計算變換氣中各組分 的生成焓原理與計算中變爐一段床層一樣，使用公式及表36 計算平均溫度為 476K 時的生成焓。熱容的單位為 kJ/（ ），結(jié)果同表 3–10。 (3) 要為車間的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、先進(jìn)合理以及節(jié)能等要求創(chuàng)造條件。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計算熱容，計算結(jié)果同上表 3–11。 最適宜 溫度計算結(jié)果列于下表中 表 314 最適宜 溫度 XP Te 573 593 613 633 653 673 699 T t XP Te 714 727 739 751 760 770 805 T t 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： t03060901201501802102402703000 1CO轉(zhuǎn)化率Xp溫度（℃）t 操作線計算 由中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知： 中變爐人口氣體溫度 330℃ 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 16 中變爐出口氣體溫度 415℃ 中變爐入口 CO 變換率 0 中變爐出口 CO 變換率 60% 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下 010203040506070330 415溫度 （℃）轉(zhuǎn)化率 Xp操作線 中間冷淋過程的物料和熱量衡算 此過程采用水來對變換氣進(jìn)行降溫。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分 Fe3O4 的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到 180℃左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 %以下，再進(jìn)入甲烷化工段。 這是從80 年代中期發(fā)展起來的。一氧化碳加壓變換，可以提高生產(chǎn)能力，降低能源消耗，節(jié)約觸媒，提高經(jīng)濟(jì)效益 [1]。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 Transformation of carbon monoxide。合成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣 的制?。辉蠚獾膬艋c合成。要做到時時注意安全，事事想著安全，做到早預(yù)報，做處理，盡量避免重大事故的發(fā)生。一般小型氨廠操作壓力為 ,中型氨廠為 ~。以 P=1atm， t=25℃ 為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為： HT=△H0298=Cpdt 式中： HT —— 氣體在 ?T298在