【正文】 (3) 要為車間的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、先進(jìn)合理以及節(jié)能等要求創(chuàng)造條件。熱容的單位為 kJ/（ ） 計算結(jié)果如下： 表 44 ℃ 時各組分熱容 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp Cpm=∑Yi*Cp=（ ） = kJ/（ kmol*℃ ） ∑M=∑YiMi=Cp=(kg.℃ ) 雷諾系數(shù)的計算： Re=G*d/? =(1 )/=12549 Pr=(? *Cp)/? =()/= 則： ? 內(nèi) = /d? 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 33 =（ ） （ 12549） （ ） =(m? h? ℃ )=(m? h? ℃ ) 殼側(cè)對流傳熱系數(shù)計算 殼側(cè)對流傳熱系數(shù)的計算公式如下： ? 外 =*(/do)*(de)*(do*Gu/? )*(Cp*? /? )1/3*(? /? w) 在本設(shè)計中由于溫度對氣體粘度變化影響不大，故校正項 (? /? w) 可以忽略不計 。 熱容的單位為 kJ/（ ）， 結(jié)果同 表 310 CH4 可用公式： Cp=a+b+CT2+dT3 來計算熱容， 結(jié)果同 311 當(dāng) T=454K 時， 計算結(jié)果如下： 表 337 T=454K 各組分 Cp 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 29 Cpm=∑Yi*Cp=（ ） 得： Q2=454 = 設(shè)備及管道損失?。? 變換氣放出的熱量： Q=Q1Q2Q3= 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 29 第四章 設(shè)備的計算 低溫變換爐計算 已知條件 ： 平均操作壓力 . 氣體進(jìn)口溫度 180℃ 氣體出口溫度 220℃ 氣體流量（干） =濕氣流量 = Nm3/h 進(jìn)低變爐催化劑氣體（干）組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量％ 100 低變爐出口干氣中 CO 含量： CO%=% 入催化劑蒸汽比 R= 催化劑用量計算 B302 型低變催化劑的宏觀動力學(xué)方程為： r=1822exp 2420 .6 ?????????? ?? HCOOHco yyyyRT (1 OycoyHyHyco222 ) 根據(jù)低變催化劑的選用原則，故選 B302 型國產(chǎn)低變催化劑，當(dāng)變換氣中 CO（干）為 %時，計算得催化劑床層空速為 2120/（ m3.． h）． 對于 B204 因動力學(xué)方程式 中催化劑按體積計 ,計算出的催化劑床層空速是以體積為單位的“空速” . 因此 ,催化劑理論用量： V 低 36 7 3 5 6 .0 9 3 1 .7 72120 m?? 在采用中變串低變的流程中，低變催化劑條件較好，故可以不考慮催化劑備用系數(shù)。熱容的單位為 kJ/（ ），結(jié)果同表 3–10。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計算熱容，計算結(jié)果同上表 3–11。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計算熱容，計算結(jié)果同上表 3–11。 計算結(jié)果列于下表： 表 328 不同溫度下 XP 值 t 160 180 200 220 240 260 280 T 433 453 473 493 513 533 553 XP 低變爐催化劑平衡曲線如下： 0102030405060708090100100 150 200 250 300溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 24 最佳溫度曲線的計算 由于低變爐選用 B302 型催化劑。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計算熱容， 結(jié)果同 3–11 則在 T=632K 時，計算結(jié)果如下： 表 321 T=632K 各組分的 Cp 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以得： Cpm=∑Yi*Cp= 故： Q2=(365353) = J/kg 熱損失： Q3=Q1Q2= J/kg 低變爐的物料和熱量計算 低變爐的物料衡算 已知進(jìn)低變爐的濕組分如下： 表 322 進(jìn)低變爐的濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 所以 進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分如下： 表 323 進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 要將 CO％ 降到 ％ （濕基）以下，則 CO 的實際變換率為： 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 21 X p％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=％ 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： ％ = Nm3= kmol 出低溫變換爐 CO 的量： = Nm3 = 出低溫變換爐 H2 的量： += Nm3= kmol 出低溫變換爐 H2O 的量： = Nm3= kmol 出低溫變換爐 CO2 的量 : += Nm3= kmol 出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干） =++++= Nm3= kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ = =% H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% 出低變爐的干組分 如下： 表 324 出低變爐的干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積： V 總（干） =+++++ =(標(biāo) ) = kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = ? =% 同理： CO2％ = ? =% H2％ = ? =% N2％ = .668 ? =% 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 22 CH4％ = 100 ?=% H2O％ = 100 ?=% 所以出低變爐的濕組分如下： 表 325 出低變爐的濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 對出低 變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)： Kp=（ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） 計算得 Kp= 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng) Kp= 時 t=223℃ 設(shè) 平均溫距為 20℃ ，則出低變爐 一段催化床層的變換氣溫度為： t=22320=203℃ 低變爐的熱量衡算 已知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為： 181℃ 出低變爐催化床層的變換氣溫度為： 203℃ 變換氣反應(yīng)放熱 Q1: 在 203℃ 時 ， T=476K， 計算變換氣中各組分 的生成焓原理與計算中變爐一段床層一樣，使用公式及表36 計算平均溫度為 476K 時的生成焓。 最適宜 溫度計算結(jié)果列于下表中 表 314 最適宜 溫度 XP Te 573 593 613 633 653 673 699 T t XP Te 714 727 739 751 760 770 805 T t 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： t03060901201501802102402703000 1CO轉(zhuǎn)化率Xp溫度（℃）t 操作線計算 由中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知： 中變爐人口氣體溫度 330℃ 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 16 中變爐出口氣體溫度 415℃ 中變爐入口 CO 變換率 0 中變爐出口 CO 變換率 60% 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下 010203040506070330 415溫度 （℃）轉(zhuǎn)化率 Xp操作線 中間冷淋過程的物料和熱量衡算 此過程采用水來對變換氣進(jìn)行降溫。結(jié)果 表 310 各組分熱容常數(shù) 物質(zhì) CO H2 H2O CO2 N2 a 30 b/103 c/105 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計算熱容，結(jié)果 表 311 熱容常數(shù) 物質(zhì) a b/103 c/106 d/109 CH4 則在 415℃ 時 T=688K 時計算結(jié)果如下表： 表 312 各組分熱容 物質(zhì) CO CO2 H2 H2O N2 CH4 Cp 31 所以平均熱容： Cpm=∑（ Yi*Cp） =31++ +++ = KJ/（ ） 所以氣體吸熱 Q3=(415330) = 假設(shè)熱損失 Q4（一般熱損失都小于總熱量的 10%） 根據(jù)熱量平衡得： Q= Q3 +Q4 Q4= kJ 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 14 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)計手冊 》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 值便可計算出 XP 值。 根據(jù)《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（或稱生成焓）計算。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 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)： K= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知 K=12 時溫度為 397℃。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分 Fe3O4 的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(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)推動力變小，對反應(yīng)速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機 投 各段壓力的合理配置而定。單就平衡而言，加壓并無好處。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到 180℃左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 %以下，再進(jìn)入甲烷化工段。 一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。注意防火、防爆、防泄漏等一系列危險情況的發(fā)生。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。 這是從80 年代中期發(fā)展起來的。最后，少量的 CO 用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。 設(shè)計依據(jù) 合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。隨著新型耐硫催化劑的開發(fā)成功，八 十年代中期開發(fā)了中變串低變工藝；為了利用低變的低溫高活性，九十年代初期開發(fā)了全低變工藝；為了克服全低變工藝不能長期穩(wěn)定運行的缺點，九十年代中期又開發(fā)了中 低 低工藝。一氧化碳加壓變換，可以提高生產(chǎn)能力，降低能源消耗，節(jié)約觸媒，提高經(jīng)濟效益 [1]。用重油制造的原料氣中，含有一部分的一氧化碳，這些一氧化碳不僅不能直接做為合成氨的原料，而且對氨合成中的催化劑有毒害作用，因此必須在催化劑的作用下通過變換反應(yīng)加以除去。 關(guān)鍵詞 ： 天然氣 一氧化碳變換 中溫變換爐 流程圖 ABSTRACT This paper was about the annual output