【文章內(nèi)容簡介】 O、 CO 2和 H 2各組分的分壓； yCO 、 yH2O 、 yCO2 、 yH2 —— 分別為 CO、 H 2 O、 CO 2和 H 2 摩爾分?jǐn)?shù)。 平衡含量和轉(zhuǎn)化率的計(jì)算 現(xiàn)以 1 mol 濕原料氣為基準(zhǔn) ya 、 yb、 yc 、 yd 分別為 CO、 H 2 O、 CO 2和 H 2 的摩爾分?jǐn)?shù)， xp 為 CO 的平衡轉(zhuǎn)化率，則各組分平衡含量分別為： ya ya xp ， yb yaxp ， yac ya xp ，和 yd ya xp 。所以 Kp=))(( ))(( 00 22 22 pabHco padpacHco Hco xyyyy xyyxyypp pp ?? ????? 已知溫度及初始組成，則可根據(jù)上敘關(guān)系計(jì)算 CO 的平衡變換率 xp 及系統(tǒng)平衡組成。 生產(chǎn) 中可測(cè)定原料氣及變換氣中一氧化碳的 含量 ，而由下式計(jì)算一氧化碳的實(shí)際變換率 X： X= %100)1( ??? ?? aa aa yy yy 式中 : ya 、 ya′—— 分別為原料氣及變換氣中一氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)（干基） 。 變換工藝的選擇 變換工藝主要有 4 種：全中變、中串低、全低變和中低低。對(duì)于每一種變換工藝，由于采用不同的熱回收方式而使變換工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)有所不同。 合理選擇變換工藝應(yīng)考慮以下因素：半水煤 氣、水和蒸汽的質(zhì)量；半水煤氣中硫化氫含量；變換氣中 CO 含量要求；對(duì)變換后續(xù)工段的影響；企業(yè)現(xiàn)有的管理水平和操作水平。 中變段間的熱回收方式最主要有 3 種：煤氣冷激、中變爐內(nèi)噴冷激和中變爐外噴水增濕。 中變段間煤氣冷激與中變爐內(nèi)噴水冷激兩種中低低工藝流程各有優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)比較如： A、節(jié)能效果：段間噴水熱回收率高，直接將段間高位能轉(zhuǎn)化為蒸氣，增加了汽氣比，降低了蒸汽消耗，節(jié)能效果比段間煤氣冷激要好。 B、設(shè)備：段間噴水冷激需在中變爐內(nèi)設(shè)置蒸發(fā)層和噴頭，這樣與煤氣冷激相比中變爐的結(jié)構(gòu)就更為復(fù)雜，設(shè)備高度亦需增加，煤氣 冷激流程有部分半水煤氣不經(jīng)過主熱交，因此主熱換熱面積也比爐內(nèi)噴水流程要小。 C、操作運(yùn)行：煤氣冷激流程操作簡單，但需防止中變下段發(fā)生偏流，造成床層寧夏大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 變換流程及工藝條件 漏氧，引起低變一段催化劑中毒失活，爐內(nèi)噴水冷激操作要求高，冷激水最好能用脫氧軟水，噴水冷激裝置既要達(dá)到所需的噴淋量，又要保證霧化好，以免中變下段催化劑粉化和結(jié)塊。 通過以上比較，中變爐內(nèi)噴水冷激流程具有節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，中變段間煤氣冷激流程具有操作簡單、投資省等優(yōu)點(diǎn)。 因此本設(shè)計(jì)采用中變－低變串聯(lián)流程。流程圖如下 ： 圖 2–1 主要設(shè)備說明 變換爐 變爐是變換工段的主要設(shè)備，對(duì)其設(shè)計(jì)必須滿足低汽氣比的要求。從理論上分析，入爐的反應(yīng)初期，離平衡比較遠(yuǎn)，可逆反應(yīng)速率起主導(dǎo)作用。當(dāng)汽氣比增加時(shí)，除增加反應(yīng)物 H2O 含量外，還造成反應(yīng)物 CO 濕含量的降低，對(duì)反應(yīng)速率的降低起主導(dǎo)作用。因此，在保證觸媒安全的前提下，反應(yīng)初期并不要求很高的汽氣比，實(shí)際上反應(yīng)速率是隨汽氣比的增高而降低的。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)入后期，離平衡比較近，此時(shí)反應(yīng)物H2O 含量的增高，對(duì)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)起主導(dǎo)作用。因此，適當(dāng)增加汽氣比是完全必要的。 常見的變換爐，一般設(shè)為 二 段床層 ,上面的理論分析 可知，一段宜采用低汽氣比，但考慮到催化劑的操作溫度，往往還是加入比較高的蒸汽量。一、二段間宜噴水降溫，其調(diào)溫手段靈活，同時(shí)取得增加汽氣比的效應(yīng)，符合觸媒后期變換反應(yīng)的要求，采用爐內(nèi)噴水比爐外噴水增濕，減少設(shè)備，節(jié)省投資，縮短管線，減少阻力。 冷凝水宜用軟水。 寧夏大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 變換流程及工藝條件 換熱器 本設(shè)計(jì)采用最常用的 固定管板式換熱器。 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。 工藝條件 溫度 變換反應(yīng)存在最佳溫度，如果整個(gè)反應(yīng)過程能按最佳溫度曲線進(jìn)行，則反應(yīng)速率最大，即相同的生產(chǎn)能力下所需催化劑用量最少。但是實(shí)際生產(chǎn)中完全按最佳溫度曲線操作是不現(xiàn)實(shí)的。首先，在反應(yīng)初期， x 很小，但對(duì)應(yīng)的 Tm很高，且已超過 了催化劑的耐熱溫度。而此時(shí)，由于遠(yuǎn)離平衡，反應(yīng)的推動(dòng)力大，即使在較低溫度下操作仍有較高的反應(yīng)速率。其次，隨著反應(yīng)的進(jìn)行， x 不斷升高，反應(yīng)熱不斷放出，床層溫度不斷提高，而依據(jù)最適宜曲線， Tm卻要求不斷降低。因此，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，應(yīng)從催化床中不斷移出適當(dāng)?shù)臒崃?，使床層溫度符?Tm的要求。生產(chǎn)上控制變換反應(yīng)溫度應(yīng)遵循如下兩條原則。 應(yīng)在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)操作催化床溫度。入口溫度高于催化劑的起始活性溫度 200C 左右，熱點(diǎn)溫度低于催化劑的耐熱溫度。在滿足工藝條件的前提下，盡量維持低溫操作。隨著催化劑使用時(shí)間的增長 ，因催化劑活性下降，操作溫度應(yīng)適當(dāng)提高。 催化床溫度應(yīng)盡可能接近最佳溫度。為此，必須從催化床中不斷移出熱量，并且對(duì)移出的熱量加以合理利用。 根據(jù)催化床與冷卻介質(zhì)之間的換熱方式的不同，移出方式可分為連續(xù)換熱和多段換熱式兩大類。對(duì)變換發(fā)應(yīng)，由于整個(gè)反應(yīng)過程變換率較大，反映前期與后期單位催化床所需排出的熱量想差甚遠(yuǎn)，故主要采用多段換熱式。此類變換爐的特點(diǎn)是反應(yīng)過程與移熱過程分開進(jìn)行。多段換熱式又可分為多段間接換熱與多段直接換熱。前者是在間壁式換熱器中進(jìn)行的；后者則是在反應(yīng)器中直接加入冷流體以達(dá)到降溫的目的，又稱冷 激式。變換反應(yīng)可用的冷激介質(zhì)有；冷原料氣，水蒸汽及冷凝水。 對(duì)于低溫過程，由于一氧化碳反應(yīng)量少，無需從床層移熱。其溫度控制除了必須在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)操作外，低限溫度必須高于相應(yīng)條件下的水蒸汽露點(diǎn)溫度寧夏大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 變換流程及工藝條件 約 300C。 變換反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對(duì)反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 CO 平衡含量增大，反應(yīng)推動(dòng)力變小，對(duì)反應(yīng)速率不利，可見溫度對(duì)兩者的影響是相反的。 而存著最佳反應(yīng)溫對(duì)一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為 Tm=1212ln1 EEEE RTTee?? 式中 Tm、 Te— 分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。 壓力 壓力對(duì)變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響，但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。對(duì)平衡而言，加壓并無好處。但從動(dòng)力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗低。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點(diǎn)，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)各段壓力的合 理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為 ,中型氨廠為 。本設(shè)計(jì)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 。 水汽比 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(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。 為了盡可能地提高 CO 的變換率，防止副反應(yīng)的發(fā)生，工業(yè)上是在水蒸氣過量下進(jìn)行反應(yīng)的。因此，應(yīng)該充分利用變換的反應(yīng)熱，直接回收蒸汽，以降低水蒸氣的消耗。此外，合理確定 CO 最終變換率以及催化劑床層的段效，保持良好的段間冷卻效果，都可以 促進(jìn)水蒸氣消耗的降低。 中（高）變換時(shí)適宜的水蒸汽比例一般為： H2O/CO=3～ 5，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO 可達(dá) 15 以上，因此，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。 寧夏大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 工藝計(jì)算 第 三 章 工藝計(jì)算 已知條件 如下表 ： 表 3–1： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計(jì) 含量，％ 100 計(jì)算 基準(zhǔn)： 1 噸氨 計(jì)算生產(chǎn) 1 噸氨需要的 變換氣量： （ 1000/17） （ 2） = M3(標(biāo) ) 因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中物料可能會(huì)有損失，因此變換氣量取 M3(標(biāo) ) 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn) 350 天）： 每小時(shí)的 生產(chǎn)量： 100000247。350247。24=要求出中變爐的變換氣干組分中 CO％ 小于 2％ 。 進(jìn)中變爐的變換氣干組分 如下表 ： 表 3–2： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計(jì) 含量， ％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 假設(shè)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為 330℃，取 變化氣 出爐與入爐的溫差為 35℃ ，出爐的 變換氣溫度為 365℃ 。 進(jìn)中變爐干氣壓力 中P =. 基本工藝數(shù)據(jù)的確定 水氣比的確定 考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取 H2O/CO= 故 V（水） =? VCO=*=(標(biāo) ) ， n(水 )= V（水） /= 因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 如下表。 表 3–3： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 ％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 寧夏大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 工藝計(jì)算 中變爐 CO 的實(shí)際變換率的求取 假定濕轉(zhuǎn)化氣為 100mol，其中 CO 濕基含量為 ％ ，要求變換氣中 CO 含量為 2％ ，故根據(jù)變換反應(yīng)： CO+H2O＝ H2+CO2， 則 CO 的實(shí)際變換率公式為： Xp％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100 （ 31） 式中 aY 、 39。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 所以： Xp= ? ?? ? ?? ??=74％ 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)： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) 》可知 Kp=12 時(shí)溫度為 397℃ 。 中變的平均溫距為 397℃ 365℃ =32℃ 根據(jù)《合成氨工藝與節(jié)能 》可知中溫變換的平均溫距為： 30℃ 到 50℃ ，中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO 可用。 中變爐催化劑平衡曲線 根據(jù) H2O/CO=，與文獻(xiàn)《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) 》上的公式 XP= AWqU2? 100％ ① V=KPABCD ② q= WVU 42 ? ③ U=KP（ A+B） +（ C+D） ④ W=KP1 ⑤ 其中 A、 B、 C、 D 分別代表 CO、 H2O、 CO2及 H2的起始濃度 將 ② 、 ③ 、 ④ 、 ⑤ 式代入 ① 式并查的不同溫度下的 KP值便可計(jì)算出 XP值。 計(jì)算結(jié)果列于下表： 表 3–4： 寧夏大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 工藝計(jì)算 t 300 320 340 360 380 400 420 440 460 T 573 593 613 633 653 673 693 713 733 Xp 中變爐催化劑平衡曲線如下： 0102030405060708090100300 350 400 450 500溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp.圖 3–1 . 最佳溫度曲線的計(jì)算 由于中變爐選用 C6型催化劑， 最適宜溫度曲線由式1212ln1 EEEE RTTTmee??? 進(jìn)行計(jì)算。 查《合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算》 C6型催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能分別為 E1=10000 千卡 /公斤分子， E2=19000 千卡