【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 換反應(yīng)后，氣體中 CO 含量應(yīng)低于 3%。 4 第 2 章 工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算 工藝原理 半水煤氣中 CO 是在一定溫度和有催化劑存在的條件下與水蒸氣發(fā)生變換反應(yīng)，生成 CO2和 H2,同時(shí)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，這是一個(gè)等體積可逆的放熱反應(yīng)： CO+H2O? CO2+H2+Q 在變換觸媒中 CO 變換反應(yīng)的原理一般認(rèn)為是水分子首先被催化劑的活性表面所吸附，然后分解成氫和吸附態(tài)的氧，氫脫附后進(jìn)入氣相，當(dāng)氣相中的 CO 撞擊到氧原子的吸附層后，即被氧化為 CO2,離開催化劑表面，催化劑則復(fù)原，然后其表面與水分子作用重新生成氧原子的吸附層，如此反應(yīng)反復(fù)進(jìn)行，催化劑用 [K]表示，則化學(xué)反應(yīng)過程表示如下： [K]+H2O? [K]H2O [K]+H2O? [K]O+H2O [K]O+CO? [K]+CO2 從反應(yīng)式看出，催化劑本身不發(fā)生氧化還原作用，而只是提供吸附反應(yīng)物和活性吸附中心 [4]。 工藝路線的選擇 目前的變化工藝 主要有 ： 多段 中溫變換，中 溫 串 連低溫變換 ，全低 變這 3 種工藝。本設(shè)計(jì)參考齊齊哈爾市黑龍江化工集團(tuán)的生產(chǎn)工藝，選用 多段 中溫變換工藝 [5]。 工藝流程簡(jiǎn)述 中溫變換工藝大都采用加壓變換，本流程的氣壓是 。采用低溫高活性中變催化劑 B113型，降低了工藝上 對(duì)過量蒸汽的要求。 由造氣來的半水煤氣給原料氣壓縮后，進(jìn)入半水煤氣分離器分離掉油后進(jìn)入飽和塔接觸傳熱，然后進(jìn)入第一、第二換熱器進(jìn)行換熱，達(dá)到工藝要求后進(jìn)入中變爐一段進(jìn)行反應(yīng)，再依次進(jìn)入二、三段進(jìn)行反應(yīng)。 反應(yīng)結(jié)束，經(jīng)過第一、第二交換器使氣體達(dá)到工藝要求，進(jìn)入下一工段。在 各段之間配有冷凝水作為冷激線，調(diào)節(jié)汽氣比和溫度。 系統(tǒng)中的熱水在飽和塔、熱水塔以及水加熱器中循環(huán)，定期排污，保持循環(huán)水的質(zhì)量和水的平衡。 5 圖 21 變換工段流程圖 工藝參數(shù) 原料氣體組分 表 21 原料氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計(jì) % 100 工作壓力 進(jìn)料氣壓力： 進(jìn)料汽壓力： 工作溫度 進(jìn)中變爐一段催化劑的氣體溫度： 320℃ 出中變爐一段催化劑的氣體溫度： 450℃ 進(jìn)中變爐二段催化劑的氣體溫度： 350℃ 出中變爐二段催化劑的氣體溫度： 400℃ 進(jìn)中變爐三段催化劑的氣體溫度： 350℃ 出中變爐三段 催化劑的氣體溫度： 380℃ 出系統(tǒng)變換氣 (干基 )中 CO 含量：低于 3%[6] 熱水飽和塔 水煤氣分離器 第一換熱器 第 二 換 熱 器 中 變 爐 第一交換器 第二交換器 6 計(jì)算基準(zhǔn) 以 1t/h氨為計(jì)算基準(zhǔn)，則 V 變 =???? =3 假設(shè)生產(chǎn)過程中的物料損失 10%，則 V 變 =3 ? (1+10%)=3 物料衡算 原料氣組分如表 22。 表 22 原料氣組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 3 Kmol/h .591 變換氣量及變換率計(jì)算 設(shè)氫與氧在變換爐一段催化劑作用下完全燃燒生成水，由 O2+2H2→2H 2O 可知，實(shí)際參加 CO 變換反應(yīng)的半水煤氣量為： 3 氧 =3 3? =3 則干變換氣量為： V 變 =V+VYCOX (21) V—參加反應(yīng)的班水煤氣體積 ， Nm3/h YCO—參加反應(yīng)的半水煤氣中 CO 含量， % CO 變換率為： ? ?? ?39。39。100 100%100 C O C OC O C OVVXVV???? (22) 其中： YCO = %% ?? X= %% ???? ）（ ）（ 則： V 變 =3 ? (1+%? %)=4 CO 變換總量為： 3 ? %? %= Nm3/h=變換氣中 CO 的量 為： 3 ? %= Nm3/h= kmol/h 7 總蒸汽量計(jì)算 中溫變換爐出口變換氣溫度為 38℃ ，平衡溫距去 24℃ ，則 t=404℃ CO 變換反應(yīng)式為： CO+H2O=CO2+H2 設(shè)起始濃度為： a b c d 則 a= ， b=， d= CO 反應(yīng)量為： ? CO=? %= Nm3/h(每 100Nm3干 半 水煤氣 )[7] 查表，得 404 C? 時(shí)， Kp= ? ? ? ?? ? ? ?222222 5 . 7 0 8 2 5 . 7 0 8 2 O 2 5 . 7 0 8 2 5 . 7 0 8 OC O HpC O H Opp cdK p p a b? ? ??? ? ? ?= 將 a， c， d 的值代入上式，得 b=，即汽 /氣 = 上式中， O2為半水煤氣中氧的濃度 ，為 需要總蒸汽量 (包括噴的冷凝水量 )為： %=[8] 中變爐物料衡算 (1) 一段物料衡算 入爐蒸汽比計(jì)算 設(shè) CO 在一段催化劑 層 轉(zhuǎn)化率為 %，且 O2在一段催化劑與氫氣完全燃燒生成水，則 CO 反應(yīng)量為： CO 反應(yīng) =%=(每 100Nm3干半水煤氣 ) CO 總反應(yīng) 量 =3 %=氣體出一段催化劑層溫度為 450℃ ,平衡溫距取 18℃ ，出口氣平衡溫度為 428℃ 。查表得， 468℃ 的 Kp=，則 222 CO HpCO H OppK pp? (23) 將 a， c， d 即 O2代入上式，得 b= /氣 = 37 入爐蒸汽量為 3 37=1 入爐濕氣組分 如表 23。 表 23 入爐濕氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 H2O 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 1 4 Kmol/h 此時(shí)， a=， b=， c=， d=， O2= 變換率計(jì)算 設(shè) 450℃ CO 變換為 Xp，查表得 450℃ 時(shí)， Kp= 則： 8 ? ?? ?? ?? ?222222O2OC O HpC O H Opp c a X p d a X pK p p a a X p b a X p? ? ??? ? ? ? (24) 將入爐氣有關(guān)組 分代入上式得， Xp=% 實(shí)際變換率為平衡變換率的百分?jǐn)?shù)：100%=% 則， 出一段催化劑層干氣體量為： 3 +3=3 其中，剩余 CO=( 73)= CO2=+ 73= H2=1 + 73=1 出一段干氣如表 24。 表 24 出一段催化劑層干氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 3 kmol/h 出一段催化劑層剩余蒸汽量為： 1 +2=出一段濕氣如表 25。 表 25 出一段催化劑層濕氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) % 100 Nm3/h kmol/h (2) 二段物料衡算 二段入爐蒸汽比計(jì)算 表 26 二段入爐干氣組成 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 3 kmol/h 設(shè) CO 在二段催化劑層轉(zhuǎn)化 為 50%，則二段催化劑層中 CO 反應(yīng)量為： CO 反應(yīng)量 ==(每 100Nm3干半水煤氣 ) CO 總反應(yīng)量 =3 45=氣體出二段催化劑層溫度為 400℃ ，平衡溫距取 18℃ ，出口氣平衡溫度為 418℃ ，查表得 418℃ 時(shí)的 Kp= 9 此時(shí)： ? ?? ?? ?? ?222C O HpC O H Opp c C O d C OK p p a C O b C O? ? ? ??? ? ? ? ? (25) a=， c=， d= Kp= ??? ?? ））（（ ））（（ 解得， b=，即入二段催化劑層汽 /氣 = 二段入爐蒸汽量為： 3 92=1 表 27 二段入爐濕氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 1 5 kmol/h 平衡變換率計(jì)算以及出二段催化劑層氣體的計(jì)算 設(shè) 400℃ 時(shí)， CO 平衡變換率為 Xp， 400℃ 時(shí)， Kp= ? ? ? ?? ? ? ?222C O HpC O H Opp c a X p d a X pK p p a a X p b a X p???? ?? (26) a=， b=， c=， d= 將 a， b， c， d 代入 (16) ? ? ? ?? ? ? ?2221 6 . 5 3 4 7 . 5 4 2 3 6 . 0 2 9 7 . 5 4 27 . 5 4 2 7 . 5 4 2 2 5 . 2 5 7 7 . 5 4 2C O HpC O H Opp X p X pK p p X p X p???? ??= 解得 Xp=% 實(shí)際變換率為平衡變換率的百分?jǐn)?shù)： %% 50 ?? 出 二 段催化劑層干氣體量為： 3 +=其中： CO2=+=1 CO=()= H2=1 +=2 出二段催化劑層干氣組分如表 28。 表 28 出二段催化劑層干氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 2 4 kmol/h 出二段催化劑層 剩余蒸汽量為： 1 =1 Nm3/h 10 出二段催化劑層濕氣組分如表 29。 表 29 出二段催化劑層濕氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 2 1 5 kmol/h (3) 三段物料衡算 三段入爐蒸汽比計(jì)算 表 210 三段入爐干氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 2 4 kmol/h 設(shè) CO 在三段催化劑層轉(zhuǎn)化 率 為 %，則三段催化劑 層中 CO 反應(yīng)量為： ? CO==(每 100Nm3干半水煤氣 ) CO 總反應(yīng)量 = =氣體出三段催化劑層溫度為 380℃ ，平衡溫距取 18℃ ，出口氣平衡溫度為 398℃ ，查表得 398℃ 時(shí)的 Kp=。 此時(shí) ? ?? ?? ?? ?222C O HpC O H Opp c C O d C OK p p a C O b C O? ? ? ??? ? ? ? ? (27) a=， c=， d= 將 a， c， d 的值代入 (17) Kp=))(( ?? ?? b ））（（= 解得， b=，即如三段催化劑層 汽 /氣 = 三段入爐蒸汽量為： 4 15=1 Nm3/h=入三段催化劑層濕氣組分如表 211。 表 211 三段入爐濕氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) % 100 Nm3/h 1 2 1 5 kmol/h 平衡變換率計(jì)算以及出三段催化劑層氣體的計(jì)算 11 設(shè) 380℃ 時(shí)， CO 平衡變換率為 Xp， 380℃ 時(shí)， Kp= ? ? ? ?? ? ? ?222 C O HpC O H Opp c a X p d a X pK p p a a X p b a X p???? ?? (28) a=， b=， c=， d= 將 a， b， c， d 代入 (18) ? ? ? ?? ? ? ?2221 6 . 5 3 4 7 . 5 4 2 3 6 . 0 2 9 7 . 5 4 27 . 5 4 2 7 . 5 4 2 2 5 . 2 5 7 7 . 5 4 2C O HpC O H Opp X p X pK p p X p X p???? ??= 解得 Xp=% 實(shí)際變換率為