【正文】 T（ K） 的統(tǒng)一基準焓， kcal/kmol()； △H0298 —— 該氣體在 25℃ 下的標準生成焓， kcal/kmol()； T—— 絕對溫度， K； Cp —— 氣體的等壓比熱容， kcal/（ kmol.℃ ） [（ kmol.℃ ） ] 氣體等壓比熱容與溫度的關系有以下經(jīng)驗式： Cp=A0+A1T+A2T 2+A3T 3+…… 式中 A0、 A A A3…… 氣體的特性常數(shù) 將式代入式積分可得統(tǒng)一基準焓的計算通式： HT =a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 式中常數(shù) a0、 a a a a4 與氣體特性常數(shù)及標準生成熱的關系為： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4 a0=△H0298－ － a2－ a 3－ a 4 采用氣體的統(tǒng)一基準焓進行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應如何進行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。 查《 小合成氨廠工藝技術與設計手冊 》 B302 型催化劑的正反應活化能分別為E1=43164kJ/koml CO 變化反應的逆反應活化能 E2 為： E2 E1=r*(△H) 對于 CO 變換反應 r=1，則 E2=(△H) + E1 △H 為反應熱，取其平均溫度下的值，即： （ 181+203） /2=192℃ ， T=465K CO 的反應式為： CO +H2O=CO2+H2 反應熱是溫度的函數(shù)，不同溫度下的反應熱可以用以下公式計算： △H=*T+ 103* 103T3 得： △H= kcal/kmol= kJ/kmol E2=+43164= kJ/kmol 最適宜溫度曲線 最適 宜溫度計算結果列于下表中： 表 329 最適宜溫度 Xp T 402 421 440 457 475 493 510 t 129 148 167 184 201 220 237 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： 020406080100100 150 200 250溫 度（℃）CO轉化率 Xp齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 25 廢熱鍋爐的熱量和物料計算 已知進廢熱鍋爐的轉化氣組分： 表 330 進廢熱鍋爐的轉化氣組分 組份 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 H2O 合計 ％ 100 M 3(標 ) kmol 進廢熱鍋爐的溫度為： 920℃ 出廢熱鍋爐的溫度為： 330℃ 進出設備的水溫： 20℃ 出設備的水溫： 330℃ 進出設備的轉化氣（濕）： kmol 進出設備的水量： X kmol 在設備里無物料的變化。 催化床層直徑計算 設計要求催化劑層總阻力＜ 690KPa（即 700mmH2O） , 催化劑層阻力降采用下式試算 Δ P= LE EdrfG p 1.10 ??? B302 為非球形催化劑，粒度為 5 177。 傳熱系數(shù) 的驗 算 管內給熱系數(shù)的計算公式如下： ? 內 = Re=G*d/? Pr=? *Cp/? 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 32 ? = i i iiiyMyM????? 粘度的計算： 查《化工原理》在 ℃ 時，各氣體的 u 值如下： 表 42 ℃ 時，各氣體的 u 值 組分 CO2 CO H2 CH4 N2 H2O ? () 根據(jù)公式得： i i im iiy u Mu yM??? ?? =*s=(m*h) 導熱系數(shù)的計算： 查《化工原理》在 ℃ 時，各氣體的導熱系數(shù)值如下： 表 43 ℃ 時，各氣體的導熱系數(shù)值 組分 CO2 CO H2 CH4 N2 H2O ? 根據(jù)公式得： ????? ?iiiii My My ?? =(h*℃ ) 熱容的 計算：變換氣在 ℃ 時根據(jù)《物理化學教程》知， CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式： Cp=a+b+cT2 來計算熱容以前面計算結果可得。 熱容的單位為 kJ/（ ） 計算結果同上表 3–10。 ni 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)， kmol； Hi — 始 態(tài)溫 度下 或末態(tài) 溫度 下氣 體的 統(tǒng)一 基準焓 ， kcal/kmol ，（ ） 現(xiàn)將有關氣體的計算常數(shù)列于氣體統(tǒng)一基準焓（通式）常數(shù)表 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 12 表 38 氣體統(tǒng)一基準焓（通式）常數(shù)表 分子式 a0 a1 a2 a3 a4 O2 103 10–3 10–7 10–10 H2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 H2O 104 10－ 3 10－ 7 10－ 11 N2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 CO 104 10－ 4 10－ 9 10－ 11 CO2 10－ 3 10－ 6 計算 O2 的基準焓： 根據(jù)基準焓的計算通式： HT=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 在 415℃ 時 T=415+273=688K 將 O2 的常數(shù)帶入上式得： HT=103+688+10–310–76883 +10–106884 =同理根據(jù)以上方法計算可得變換氣的各個組分的基準焓列于下表： 表 39 變換氣的各個組分的基準焓 組分 O2 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放熱： CO +H2O=CO2+H2 （ 3–3） △H1=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =（ +） （ ） =Q1=nCO△H1=（ ） = O2 + 2H2= 2 H2O （ 3–4） 同理： △H2=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =2 （ ）－（ 2+） = kJ/kmol Q2= nO2△H2=（ ） 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 13 = 氣體反應共放熱： Q=Q1+Q2=+= 氣體吸熱 Q3 根據(jù)《物理化學教程》知， CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式： Cp=a+b+cT2 來計算熱容 ，熱容的單位為 kJ/（ ）。 溫度 變換反應是可逆放熱反應。 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 4 第二章 工藝 原理和流程 工藝原理 一氧化碳變換反應式為： CO+H2O=CO2+H2+Q (21) CO+H2 = C+H2O (22) 其中反應（ 21）是主反應，反應（ 22）是副反應，為了控制反應向生成目的產(chǎn)物的方向進行，工業(yè)上采用對式反應（ 21）具有良好選擇性催化劑，進而抑制其它副反應的發(fā)生。 因此， CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。 Flow chart 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 2 第 一 章 總 論 概述 一氧化碳變換反應的意義與作用 在合成氨的生產(chǎn)中，一氧化碳變換反應是非常重要的反應。設計（ 論文）中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已在設計（論文）中加以說明，除此之外， 本設計（論文） 不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。所以通過一氧化碳變換反應既能把一氧化碳轉化為易在 下游除去的二氧化碳同時又生產(chǎn)有效組分氫氣或生產(chǎn)具有較高 H2/CO2 比的合成氣。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。本設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。 汽氣比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣 .改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應中最主要的調節(jié)手段。 查《合成氨廠工藝和設備計算》 C6 型催化劑的正負反應活化能分別為 E1=10000千卡 /公斤分子， E2=19000 千卡 /公斤分子。熱容 的單位為 kJ/（ ） 。同時也要注意以下幾方面的內容： (1) 最大限度地滿足工藝生產(chǎn)包括設備維修的要求。 當 T=638K 時，計算結果如下： 表 334 T=638K 各組分熱容 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 故： Cpm=∑Yi*Cp=（ ） 所以： Q1=（ 365+273） = 水的帶入熱 Q2: 水在 20℃ 時 Cp= kJ/（ ） 所以得： Q2=X*(20+273)*=*X 出熱： 變換氣在出口溫度為 250℃， T=523K 時根據(jù)《物理化學教程》知， CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式： Cp=a+b+cT2 來計算熱容。熱容的單位為 kJ/（ ） ，結果同 3–10。 中變爐一段催化床層的物料衡算 假設 CO 在一段催化床層的 實際變換率為 60％。從能量消耗上看，加壓也是有利。 生產(chǎn)制度 本工廠實行倒班制度，初步擬定為 五班三倒。國外大部分使用寬溫區(qū)的催化劑，變換催化劑從傳統(tǒng)類型 FeCr 系變換為 CoMo系。 本設計主要包括工藝路線的確定、中溫變換爐的物料衡算和熱量衡算、中溫變換爐工藝計算和設備選型、換熱器的物料衡算和熱量衡算以及設備選型等。在合成氨的生產(chǎn)中，一氧化碳變換反應是非常重要的反應。從我國目前的情況看，新建工廠或是改建的工廠基本都采用加壓變換。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中的 CO 含量也大幅度降低。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應易于進行。 進中變爐干氣壓力 中P =. 水汽比的確定 考慮到是天然氣蒸汽轉化來的原料氣，所以取 H2O/CO= 故 V（水） = n(水 )= 因此進中變爐的 變換氣濕組分 ： 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 8 表 33 進中變爐的變換氣濕組分 中變爐 CO 的實際變換率的求?。? 假定濕轉化氣為 100mol，其中 CO 基 含量為 ％，要求變換氣中 CO 含量為 2％，故根據(jù)變換反應： CO+H2O＝ H2+CO2， 則 CO 的實際變換率為： X ％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=74％ 式中 Ya、 39。熱容的單位為 kJ/（ ） ，結果同 3–10。 溫度： 變換氣進設備的溫度： 365℃ 變換氣出設備的溫度： 250℃ 水進設備的溫度： 20℃ 水出設備的溫度： 90℃ 熱量計算： 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 27 （ 1） 入熱： 變換氣帶入熱 :Q1 變換氣在 365℃ 時根據(jù)《物理化學教程》知， CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式 Cp=a+b+cT2 來計算熱容。 (4。 轉化氣在 330℃ 時 T=603K 下， 計算結果如下表： 表 332T=603K 各組分的 Cp 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以： Cpm=∑Yi*Cp=（ ） 因此： Q3=（ 330+273） = 水 的帶出熱 Q4: 水在 330℃ ， T=603K 時的熱容為： Cp= kJ/（ ） 所以得： Q4=X（ 330+273） = 假設熱損失 Q5= 總 : Q5=(Q1+ Q2) 熱量平衡： (Q1+ Q2)= Q3+ Q4 （ +） =+ X= 表 333 廢熱鍋爐 熱量平衡表 帶入熱 /kJ 帶出熱 /kJ 熱損失 /kJ 轉換氣 ————— 水 ————— ∑Q 水蒸汽的加入 : 要使 H2O/CO= 還要加入的水量為：（ ）247。 已知條件：變換氣的流量： 設冷凝水的流量： X kg 變換氣的溫度： 415℃ 冷凝水的進口溫度： 20℃ 進二段催化床層的溫度： 353℃ 操作壓力： 冷凝水吸熱 Q1：據(jù)冷凝水的進口溫度 20℃查《化工熱力學》可知 h1 =根據(jù)《化工熱力學》可知： 表 315 各溫度下的焓