【正文】 熱后汽化，從而使蒸汽含量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，濕變換氣進(jìn)入第二變換爐第一段催化劑床層進(jìn)行變換反應(yīng)。出第二變換爐第二段的變換氣經(jīng)過變換氣換熱器后，再經(jīng)過變換氣冷卻器降溫至 40 ℃ 左右，去 后續(xù) 工段。 設(shè)備生產(chǎn)能力： t /h722 1070 3 ??? 由設(shè)計(jì)所給條件取 每噸氨耗用半水煤氣 3520Nm3,則每小時(shí)的半水煤氣用量為： 3520= Nm3/h 初始半水煤氣組成見下表 21。 CO 和 H2O 的反應(yīng)方程式為： 222 HCOOHCO ??? 設(shè) A B C D 設(shè) CO 變換反應(yīng)的變換量為 △ CO，則變換反應(yīng)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(shè)計(jì)所給條件 CO 的變換率為 99%，則 : 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 C O 30 .8% 99 % 30 .49 %? ? ? ? 查文獻(xiàn) [1]可知在 220℃ 時(shí) CO 變換的平衡常數(shù) Kp=。即可知總水氣比為 。 查文獻(xiàn) [1]知 380 ℃ 時(shí)的 Kp=，由式（ 21）代入數(shù)據(jù)可得： )()( )()( ????? ?????? B 解上式得 B= 即此時(shí)的汽氣比為 。 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(jì) % 100 Nm3 105404 kmol 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 CO 平衡變換率及出催化劑床層氣體的組成 設(shè) 360℃ 時(shí)的平衡變換率為 Xp， 360 ℃ 時(shí)的 Kp=]，代入式（ 21）得： )()()()(????????????????ppPpXXXX 則實(shí)際變換率為平衡變換率 %% ?? 由以上計(jì)算知實(shí)際反應(yīng)掉的 CO 的量為 = Nm3。 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(jì) % 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(jié)果見下表 24。 查文獻(xiàn) [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(xiàn) [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(jì) 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 ℃ 。 第一變換爐催化劑層 CO 變換反應(yīng)平衡曲線 由平衡變換率的計(jì)算公式： )()( )()(OHCO HCO 2 22 pp ppp AXBAXA AXDAXCpp ppK ??? ????? 可求出各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，結(jié)果見表 25。 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 CO 在第一變換爐催化劑床層最適宜溫度 查文獻(xiàn)可得最適宜溫度計(jì)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(xiàn) [1]可知 E1 = 43340 kJ/kmol，在平均溫度 280 ℃ 時(shí)，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?? =。 同理，可分別求出各轉(zhuǎn)化率下的 最適宜溫度，結(jié)果見下表 26。 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(jì)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(jì) 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(dá)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(jì)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 ℃ 。 由前面的計(jì)算可知 A=、 C=、 D= 代入式（ 21）解得 B= 則可以 得到 汽氣比為 。 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(jì) % 100 Nm3 kmol 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 第二變換爐第一段催化劑層 CO 的平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算 由出口平衡溫度 350℃ ，查文獻(xiàn) [1]知 Kp=，由公式（ 22）代入數(shù)據(jù)得： %))(42..())((???????????pppppXXXXX 出口濕氣體組成計(jì)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(jì)算可得出出口濕變換氣的組成 ,結(jié)果見下表 28。 第二變換爐第一段催化劑熱量衡算 （ 1） CO 放熱 Q1 設(shè)第二變換爐一段內(nèi) CO 變換反應(yīng)放熱量為 Q1 氣體由 230℃ 升至 280℃ ，平均溫度 tm=255 ℃ ， 查文獻(xiàn) [1]知 武漢工程大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 k J /k m o l39762)( ??? H 則 61 39 76 2 ( 18 70 .6) 7 10 kJQ ? ? ? ? ? （ 2）氣體溫度上升吸熱 Q2 濕變換氣在平均溫度 255 ℃ ，平均壓力 MPa 下，查文獻(xiàn) [1]知 Cp(H2)= kJ/kmol?K Cp(N2)= kJ/kmol?