【正文】 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 the second shift converter 組分 H2 CO CO2 CH4 N2 H2O 合計 % 100 Nm3 kmol 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計 18 第二變換爐第一段催化劑層 CO 的平衡轉(zhuǎn)化率計算 由出口平衡溫度 350℃ ，查文獻 [1]知 Kp=，由公式（ 22）代入數(shù)據(jù)得： %))(42..())((???????????pppppXXXXX 出口濕氣體組成計算如下： CO 的量 2 6 4)( 2 1 6 ??? 3Nm CO2的量 1 6 7 9 5 7 1 9 ?? 3Nm H2的量 2 2 1 9 5 9 0 5 4 ?? H2O 的量 2 9 9 5 2 2 4 4 ?? 3Nm 由上面的計算可得出出口濕變換氣的組成 ,結(jié)果見下表 28。 CO 在第一變換爐催化劑層變換反應(yīng)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(zhuǎn)化率，%平衡曲線 最適宜溫度 操作線 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)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(shè)在此段 CO 的總轉(zhuǎn)化率達到 88%，可知 CO 在此段催化劑層的總轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化量為 == kmol 根據(jù)以上計算 可得 CO 在此段的轉(zhuǎn)化率為 %% ?? 設(shè)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 ℃ 。 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)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(yīng)活化能， kJ/kmol 21 ()RE E V H? ? ?? RH?? —— CO 變換反應(yīng)熱， kJ/kmol 對于變換反應(yīng) 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?? =。 查文獻 [1]知 CO 變換反應(yīng)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(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計 14 設(shè)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 ℃ 。 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(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計 12 CO 平衡變換率及出催化劑床層氣體的組成 設(shè) 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(yīng)掉的 CO 的量為 = Nm3。即可知總水氣比為 。 設(shè)備生產(chǎn)能力： t /h722 1070 3 ??? 由設(shè)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。經(jīng)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，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(shè)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(yīng)。 圖 11 低溫變換 工藝流程示意圖 Fig11 Schematic diagram of the low temperature conversion process 半水煤氣首先進入油水分離器，脫除部分固體和液體雜質(zhì)后進入活性炭濾油器，進一步脫除雜質(zhì)。后來發(fā)現(xiàn)鹵素是比硫更厲害的毒物，進口氣中氯化物僅 7110?? ，就會顯著的毒害低變催化劑，氯海量在 8110?? 時，就認(rèn)為被嚴(yán)重污染。因此低溫變換催化劑的使用，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度。當(dāng)溫度超過銅的熔點（ 1083 ℃ ）一半時，更容易燒結(jié)。目前以普遍生產(chǎn)和采用的低溫變換催化劑為 CuOZnOCr2O3 和 CuOZnOAl2O3 系，究竟哪一種性能優(yōu)越，目前還武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計 7 不能取得一致的意見。但是銅 鋅二組分催化劑的熱穩(wěn)定性和壽命不夠理想，后來相繼出現(xiàn)CuOZnOCr2O3 和 CuOZnOAl2O3 催化劑。因此必須加入一組分或多組分的結(jié)構(gòu)性助催化劑。但對氣體最低含硫量卻有限制，即在一定反應(yīng)溫度及蒸汽含量下，要求氣體中的含硫量不低于一定值，否則引起催化劑放硫而導(dǎo)致失活。 CoMo 系寬溫變換催化劑的化學(xué)物理性質(zhì)包括堆積密度、抗壓強度、形狀及尺寸等。 CoMo系變換催化劑是以 Co, Mo為有效組份，以 Al2O3為骨架，堿金屬或稀土金屬的氧化物為輔助催化劑。 銅是合適的一氧化碳催化劑，能在較低溫度（ 200～ 250 ℃ ）下進行變換反應(yīng)，一氧化碳平衡轉(zhuǎn)換率可達到 99%左右。更重要的是這一反應(yīng)進行到一定程度后要進行更換催化劑，增加了生產(chǎn)操作的復(fù)雜性，因此在實際中很少應(yīng)用。 實際上，當(dāng)使用半水煤氣為原料，使用中溫鐵鉻催化劑的工藝流程中，一般采用 H2O（汽） /CO（氣） =(3～ 4)/1；在使用鐵鎂催化劑的工藝流程中，一般采用 H2O（汽） /CO（氣） =(3～ 5)/1。但是在較高壓力下， 反應(yīng)物濃度增加，分子間的有效碰撞次數(shù)增加，可以加快變換反應(yīng)速度，提高催化劑的生產(chǎn)能力。對于一氧化碳含量在 2%—4%的中溫變換氣體，只需要在 230 ℃ 左右，用低溫變換催化劑進行低溫變換。從化學(xué)平衡來看，降低反應(yīng)溫度，增加蒸汽用量，有利于反應(yīng)向生成氫氣和二氧化碳的方向進行，可以提高 CO平衡轉(zhuǎn)化率。平衡常數(shù)與溫度關(guān)系的表達式很多，數(shù)值各不相同，這是由于恒壓熱容等基礎(chǔ)熱平衡數(shù)據(jù)不同所致。 原料氣中的一氧化碳與水蒸汽的變換反應(yīng)可用下式表示： 2 2 2CO+ H O CO +HQ?? （ 11） 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計 2 此反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱為 40964 J/mol，當(dāng)開車正常生產(chǎn)后，即可利用其反應(yīng)熱來維持過程的繼續(xù)進行。該工藝具有蒸汽消耗低、系統(tǒng)阻力小、生產(chǎn)強度大等優(yōu)點。最后，殘余的一氧化碳再通過銅氨液洗滌法、液氮洗滌法或甲烷化法等方法加以清除。一氧化碳的