【文章內容簡介】 水煤氣與 來自管網(wǎng)的中壓水蒸氣混合，一方面使半水煤氣溫度上升到變換反應溫度，另一方面使半水煤氣增濕，并達到設計要求所需要的汽氣比進入第一變換爐發(fā)生變換反應，在第一變換爐內 CO 的變換率可達到 60%左右。經第一變換爐變換后出來的變換氣進入煤氣換熱器與半水煤氣逆向換熱后進入淬冷過濾器 I，逆向與噴淋下來的冷卻水換熱并使冷卻水汽化，變換氣換熱器 煤氣換熱器 淬冷過濾器Ⅰ 淬冷過濾器Ⅱ 第一變換爐 變換氣冷卻器 油分離器 活性炭濾油器 半水煤氣 變換氣 工段 第二變換爐 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 9 此時變換氣的溫度下降到 230 ℃ 左右，冷卻水和變換氣換熱后汽化，從而使蒸汽含量達到設計要求，濕變換氣進入第二變換爐第一段催化劑床層進行變換反應。經第二變換爐第一段催化劑床層變換反應后 CO 的變換率可達 到 85%左右，溫度上升到 280 ℃ 左右進入淬冷過濾器 II，逆向與噴淋下的冷卻水進行熱交換，使其溫度下降到 190 ℃ 左右，同時補充水蒸氣，達到設計要的汽氣比進入第二變換爐第二段催化劑床層進行變換，最終 CO 的變換率可達到 99%。出第二變換爐第二段的變換氣經過變換氣換熱器后，再經過變換氣冷卻器降溫至 40 ℃ 左右，去 后續(xù) 工段。 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 10 第二章 物料衡算及熱量衡算 設計條件 計算基準 ： 1 噸 NH3。 設備生產能力： t /h722 1070 3 ??? 由設計所給條件取每噸氨耗用半水煤氣 3520Nm3,則每 小時的半水煤氣用量為： 3520= Nm3/h 初始半水煤氣組成見下表 21。 表 21 初始半水煤氣組成 Table21 The position of the initial semiwater gas 組分 CO2 CO H2 CH4 O2 N2 合計 % 100 Nm3 kmol CO 全變換過程總蒸汽比的計算 選用 B302Q 型催化劑，設第二變爐出口變換氣溫度為 200 ℃ ，平衡溫距為24 ℃ ，則計算時取變換溫度為 t=224℃ 。 CO 和 H2O 的反應方程式為： 222 HCOOHCO ??? 設 A B C D 設 CO 變換反應的變換量為 △ CO，則變換反應的平衡常數(shù) Kp： 222C O H 2C O H O 2( C O) ( C O 2 O )( C O) ( C O 2 O )p pp C D %K p p A B %? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? （ 21） 本設計所給條件 CO 的變換率為 99%，則 : 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 11 C O % 99% %? ? ? ? 查文獻 [1]可知在 220℃ 時 CO 變換的平衡常數(shù) Kp=。并由表 21 可知 A、C、 D 的值分別為 %、 %、 %，將 A、 C、 D 和 Kp 的值代入式（ 21）求得： B=。即可知總水氣比為 。 第一變換爐催化劑床層物料與熱量衡算 入第一變換爐催化劑床層汽氣比 設 CO 在催化劑床層轉化率為 %，且 O2 全部和 H2 燃燒生成 H2O，則CO 的反應量 △ CO 為： %60%= Nm3/100 Nm3 干半水煤氣 則 CO 的總反應量為： km 3 ??? 設氣體出催化劑床層的溫度為 360 ℃ ，取平衡溫距為 20 ℃ ，則計算所取溫度為 380 ℃ 。 查文獻 [1]知 380 ℃ 時的 Kp=，由式（ 21）代入數(shù)據(jù)可得： )()( )()( ????? ?????? B 解上式得 B= 即此時的汽氣比為 。 入爐蒸汽量 km 3 ??? 入爐 濕氣的量 += Nm3= kmol 由此可計算出入爐的濕氣組成，結果見下表 22。 表 22 入第一變換爐濕半水煤氣組成 Table22 The position of the wet semiwater gas into the first shift converter 組分 CO2 CO H2 CH4 O2 H2O N2 合計 % 100 Nm3 105404 kmol 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 12 CO 平衡變換率及出催化劑床層氣體的組成 設 360℃ 時的平衡變換率為 Xp， 360 ℃ 時的 Kp=]，代入式（ 21）得： )()()()(????????????????ppPpXXXX 則實際變換率為平衡變換率 %% ?? 由以上計算知實 際反應掉的 CO 的量為 = Nm3。 出催化劑層干氣體量 ???? 由以上計算可得出催化劑干氣體組成，見下表 23。 表 23 出第一變換爐催化劑變換氣干氣體組成 Table23 The position of the dried semiwater gas out the first converter 組分 H2 CO CO2 CH4 N2 合計 % 100 Nm3 kmol 出一段催化劑層剩余濕氣量 += Nm3 剩余蒸汽量 3Nm 6 8 0 3 2 8 0 2 ???? 剩余 CO 的量 = Nm3 CO 在濕氣中含量 %% ?? 同理，可求出 CO H CH N H2O 在濕氣中的含量，結果見下表 24。 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 13 表 24 出第一變換爐催化劑變換氣濕氣組成 Table24 The position of the wet semiwater gas outlet the first converter 組分 H2 CO CO2 CH4 N2 H2O 合計 % 100 Nm3 kmol 第一變爐熱量衡算 （ 1）第一變換爐內 CO 變換反應放熱量為 Q1 氣體由 200 ℃ 上升到 360 ℃ ，平均溫度 tm=280 ℃ 。 查文獻 [1]知 CO 變換反應的 k J /k m o l39572)( ??? H ，則由表 22 和表 24 中的數(shù)據(jù)可求出 9 5 5 0)( 71 ?????Q （ 2）氧氣和氫氣燃燒放熱 Q2 查文獻 [2]可知氧氣和氫氣燃燒焓為 484017 kJ/kmol，則kJ102 2 8 4 0 1 62 ????Q （ 3）氣體溫度上升吸熱 Q3 在平均溫度 285 ℃ 和平均壓力 MPa 下可查出 Cp(H2)= kJ/kmol?K Cp(N2)= kJ/kmol?K Cp(CO)= kJ/kmol?K Cp(CO2)= kJ/kmol?K Cp(CH4)= kJ/kmol?K Cp(O2)= kJ/kmol?K Cp(H2O)= kJ/kmol?K 則平均比熱容： )( ???? ????????mPC = kJ/kmol?K 氣體吸熱 tQ ???? 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 14 設熱損失 Q4 =106 kJ 由熱平衡方程式 1 2 3 4Q Q Q Q? ? ? 將上述數(shù)據(jù)代入熱平衡方程式知： △ t=160 ℃ 。 可知道結果與實際所取溫度一致，故不需要進行重復計算。 第一變換爐催化劑層 CO 變換反應平衡曲線 由平衡變換率的計算公式： )()( )()(OHCO HCO 2 22 pp ppp AXBAXA AXDAXCpp ppK ??? ????? 可求出各溫度 下的平衡轉化率，結果見表 25。 表 25 第一變換爐 CO 在各溫度下的平衡轉化率 Table 25 The equilibrium conversion rate of CO in the first converter T， ℃ 200 230 250 270 290 310 330 350 370 400 Kp Xp， % 以 200 ℃ 為例，計算過程如下： 在 200 ℃ 時，查表知 Kp= 由式（ 21）知： 222C O H 2C O H O 2( ) ( 2 O % )( ) ( 2 O % )ppppp C A X D A XK p p A A X B A X? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? 代入數(shù)據(jù)得： ))(( ))(( OHCO HCO 2 22 ???? ?????? PP PP XX XXpp pp 解上式可得： Xp= 將以上數(shù)據(jù)作圖可得平衡曲線圖，見圖 21。 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 15 CO 在第一變換爐催化劑床層最適宜溫度 查文獻可得最適宜溫度計算公式為 [1]： 22 1 11emeTT RT EInE E E? ? ? （ 23） 式中 ， Tm——最適宜溫度， K Te——平衡溫度， K R——通用氣體常數(shù)， kJ/kmol E E2——正 、 逆反應活化能， kJ/kmol 21 ()RE E V H? ? ?? RH?? —— CO 變換反應熱， kJ/kmol 對于變換反應 r =1 查文獻 [1]可知 E1 = 43340 kJ/kmol，在平均溫度 280 ℃ 時，由式： 3 2 6 310 00 0 0. 29 1 2. 84 5 10 0. 97 03 10H T T T??? ? ? ? ? ? ? ? 代入數(shù)據(jù)，可得 RH?? =。 CO 變換的逆反應活化能 E2 為 16 76433 40)(12 ? ?????? HEE 當 Xp=%時， Te=200+= K 將上面的數(shù)據(jù)代入式（ 23）可得： 4 3 3 40 2 9 16ln 9 5 76????mT tm = ℃ 。 同理，可分別求出各轉化率下的最適宜溫度，結果見下表 26。 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 16 表 26 第一變換爐 CO 轉換最適宜溫度 Table 26 The optimal temperature for CO in the first Shift Converter Xp， % Te， K Tm， K tm， ℃ 3136 由以上數(shù)據(jù)作圖可求得最適宜溫度曲線，見圖 21。 CO 在第一變換爐催化劑層變換反應操作線 由第一變換爐催化劑變換率及熱平衡計算可知 入口氣體溫度 200 ℃ 出口氣體溫度 370 ℃ 入口 CO 變換率 0 出口 CO 變換率 % 由此可作出第一變換爐催化劑 床層操作線 如 圖 21 所示 0102030405060708090100 200 300 400 500溫度，℃轉化率，%平衡曲線 最適宜溫度 操作線 武漢工程大學 本科畢業(yè)設計 17 第二變換爐第一段催化劑層物料及熱量衡算 第二變換爐第一段催化劑層汽 /氣比 設在此段 CO 的總轉化率達到 88%，可知 CO 在此段催化劑層的總轉化量為 1 2 7 5% 0 5 4 0 3 ????? NmCO kmol 則知 CO 在此段催化劑層的轉化量為 == kmol 根據(jù)以上計算可得 CO 在此段的轉化率為 %% ?? 設氣體入口、出口溫度分別 為 230 ℃ 、 280 ℃ ，平衡溫距取 70 ℃ ，則出口氣體平衡溫度為 350 ℃ 。查文獻 [1]知此時的 Kp=。 由前面的計算可知 A=、 C=、 D= 代入式（ 21）解得 B= 則可以 得到 汽氣比為 。 此時所需總蒸汽量為 )( ??? 則需補充的蒸汽量為 = Nm3 此時總的蒸汽量為 += Nm3 由以上的計算可求出此時的入爐濕氣組成，結果見下表 27。 表 27 入第二變換爐第一段變換氣組成 Table27 The position of the shift gas inlet the first paragraph of