【正文】 設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為 （總轉(zhuǎn)化率） 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 18 所以在 CO 的變化量為： = = kmol 在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的 CO 的量為： （ ） = Nm3 = kmol 出中變爐二段催化床層的 CO 的量為： = = kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 CO2 的量為： += = kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的 H2 的量為： += = kmol 所以在二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量： V 總（干） =++++=(標(biāo) ) = kmol 所以 出中變爐二段催化床層的變換氣干組分如下表： 表 318 出中變爐二段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 故在二段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2O 的量為： = = kmol 故出中變爐二段催化床層的變換氣濕組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ = =% 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 19 H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% H2O％ = = 所以出中變爐的濕組分如下表： 表 319 出中變爐的濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 對出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度進(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=409℃ 設(shè) 平均溫距為 44℃ ，則出中變爐 二段催化床層的變換氣溫度為： 409℃ 44℃ =365℃ 中變爐二段 催化床層的熱量衡算 已知條件：進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣溫度為： 353 出中變爐二段催化床層的變換氣溫度為： 365℃ 變換氣反應(yīng)放熱 Q1: 計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，使用公式 33 及表314 計算平均溫度為 632K 時的生成焓。 在中變爐催化劑平衡曲線上查的 Te 值，根據(jù)最適溫度計算式可算出最適溫度。 計算結(jié)果列于下表： 表 313 不同溫度下的 XP 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： 最佳溫度曲線的計算 由于中變爐選用 C6 型催化劑， 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 15 最適宜溫度曲線由式1212ln1 EEEE RTTTmee??? 進(jìn)行計算。 ni 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)， kmol； Hi — 始 態(tài)溫 度下 或末態(tài) 溫度 下氣 體的 統(tǒng)一 基準(zhǔn)焓 ， kcal/kmol ，（ ） 現(xiàn)將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列于氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 表 38 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表 分子式 a0 a1 a2 a3 a4 O2 103 10–3 10–7 10–10 H2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 H2O 104 10－ 3 10－ 7 10－ 11 N2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 CO 104 10－ 4 10－ 9 10－ 11 CO2 10－ 3 10－ 6 計算 O2 的基準(zhǔn)焓： 根據(jù)基準(zhǔn)焓的計算通式： HT=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 在 415℃ 時 T=415+273=688K 將 O2 的常數(shù)帶入上式得： HT=103+688+10–310–76883 +10–106884 =同理根據(jù)以上方法計算可得變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓列于下表： 表 39 變換氣的各個組分的基準(zhǔn)焓 組分 O2 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放熱： CO +H2O=CO2+H2 （ 3–3） △H1=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =（ +） （ ） =Q1=nCO△H1=（ ） = O2 + 2H2= 2 H2O （ 3–4） 同理： △H2=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 =2 （ ）－（ 2+） = kJ/kmol Q2= nO2△H2=（ ） 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 13 = 氣體反應(yīng)共放熱： Q=Q1+Q2=+= 氣體吸熱 Q3 根據(jù)《物理化學(xué)教程》知， CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式： Cp=a+b+cT2 來計算熱容 ，熱容的單位為 kJ/（ ）。以 P=1atm， t=25℃ 為基準(zhǔn)的氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓計算式為： HT=△H0298=Cpdt 式中： HT —— 氣體在 ?T298在 T（ K） 的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓， kcal/kmol()； △H0298 —— 該氣體在 25℃ 下的標(biāo)準(zhǔn)生成焓， kcal/kmol()； T—— 絕對溫度， K； Cp —— 氣體的等壓比熱容， kcal/（ kmol.℃ ） [（ kmol.℃ ） ] 氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式： Cp=A0+A1T+A2T 2+A3T 3+…… 式中 A0、 A A A3…… 氣體的特性常數(shù) 將式代入式積分可得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計算通式： HT =a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 式中常數(shù) a0、 a a a a4 與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4 a0=△H0298－ － a2－ a 3－ a 4 采用氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓進(jìn)行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應(yīng)如何進(jìn)行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。 因為進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分： 表 34 進(jìn)中變爐一段催化床層的 變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3 kmol 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3 kmol 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 假使 O2 與 H2 完全反應(yīng)， O2 完全反應(yīng)掉 故在一段催化床層反應(yīng)掉的 CO 的量為： 60％ = Nm3= 出一段催化床層的 CO 的量為： = Nm3 = 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 H2 的量為： += = 故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的 CO2 的量為： += Nm3= 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干 ） =VCO+VCO2+VH2+VN2+VCH4 =+ +++ = Nm3 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ = =% H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% 所以 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分如下表： 表 35 出中變爐一段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 kmol 剩余的 H2O 的量為： +2= Nm3 = 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的總體積： V 總（濕） = VCO+VCO2+VH2+VN2+VCH4+VH2O 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 10 +++++ = = 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中 H2O 的含量 H2O％ = =% 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中 CO2 的含量 CO2％ = 100=％ 同理可得： CO％ = 100=％ H2％ = 100=％ N2％ = 100=％ CH4％ = 100=％ 所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的 含量如下 表 ： 表 36 出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3 koml 對出 變爐一段催化床層的變換氣溫度進(jìn)行估算： 已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的 含量如下表： 表 37 出 中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3 koml 根據(jù)： K=(H2％ CO2％ )/（ H2O％ CO％ )計算得 K= 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》知當(dāng) K= 時 t=445℃ 設(shè) 平均溫距為 30℃，則出 變爐一段催化床層的變換氣溫度為： 445℃ 30℃ =415℃ 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 中變爐一段催化床層的熱量衡算 已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣溫度： 330℃ 出中變爐一段催化床層的變換氣溫度： 415℃ 可知反應(yīng)放熱 Q：在變換氣中含有 CO， H2O， O2， H2 這 4 種物質(zhì)會發(fā)生以下 2種反應(yīng)： CO + H2O = CO2 + H2 （ 3–1） O2 + 2H2 = 2 H2O （ 3–2） 以上這 2 個反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。 中變的平均溫距為 397℃ 365℃ =32℃ 中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO 可用。 進(jìn)中變爐干氣壓力 中P =. 水汽比的確定 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） = n(水 )= 因此進(jìn)中變爐的 變換氣濕組分 ： 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 表 33 進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 中變爐 CO 的實際變換率的求?。? 假定濕轉(zhuǎn)化氣為 100mol，其中 CO 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 的實際變換率為： X ％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=74％ 式中 Ya、 39。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；CO 停留時 間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為： H2O/CO=3～ 5，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中 H2O/CO 可達(dá) 15 以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡變換率，從而有利于降低 CO 殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。因而對一定催化劑及氣相組成存在著最佳反應(yīng)溫度，從動力學(xué)角度推導(dǎo)的計算式為 Tm=1212ln1 EEEE RTTee?? 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 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。 溫度 變換反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。一般小型氨廠操作壓力為 ,中型氨廠為 ~。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干