1、2008屆化學(xué)與材料工程系化工工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱年產(chǎn)8萬(wàn)噸小合成氨廠中溫變換工段工藝設(shè)計(jì)類型化工工藝設(shè)計(jì)導(dǎo)師職稱課題來源課題內(nèi)容變換工段在合成氨生產(chǎn)起的作用既是氣體凈化工序，又是原料氣的再制造工序，經(jīng)過變換工段后的氣體中的CO含量大幅度下降，符合進(jìn)入甲烷化或者銅洗工段氣質(zhì)要求。要求：1. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖2. 系統(tǒng)物料、能量合算3. 系統(tǒng)主要設(shè)備能力及觸媒裝填量核算4. 該工段設(shè)備多，工藝計(jì)算復(fù)雜，分變換爐能力及觸媒裝填量核算、系統(tǒng)熱量核算和系統(tǒng)水循環(huán)設(shè)備及能力核算課題進(jìn)度按化工設(shè)計(jì)要求進(jìn)度進(jìn)行基本條件要求1. 入工序氣體流量：33000Nm3/h（干基）壓力：2.0Mpa 溫度：

2、402.入口氣體組分：CO%=32.5% CO2%=6.5% H2%=41.5% N2%=18% CH4%=1.0% O2%=0.5%(體積比)3. 出口氣體組分：CO%=4%（體積比）變換工藝設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目 年產(chǎn)8萬(wàn)噸小合成氨廠中溫變換工段工藝設(shè)計(jì)課題來源 年產(chǎn)8萬(wàn)噸小型合成氨廠變換工段變換工段化學(xué)工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變換工段在合成氨生產(chǎn)起的作用既是氣體凈化工序，又是原料氣的再制造工序，經(jīng)過變換工段后的氣體中的CO含量大幅度下降，符合進(jìn)入甲烷化或者銅洗工段氣質(zhì)要求。要求：1. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 2. 系統(tǒng)物料、能量衡算 3. 系統(tǒng)主要設(shè)備能力及觸媒裝填量核算4. 該工段設(shè)備多，工藝計(jì)算復(fù)

3、雜，分變換爐能力及觸媒裝填量核算、系統(tǒng)熱量核算和系統(tǒng)水循環(huán)設(shè)備及能力核算。變換工段化學(xué)工藝設(shè)計(jì)主要技術(shù)資料1. 變換技術(shù)方案CO2變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，從化學(xué)平衡來看，降低反應(yīng)溫度，增加水蒸汽用量，有利于上述可逆反應(yīng)向生成CO2和H2的方向移動(dòng)，提高平衡變換率。但是水蒸氣增加到一定值后，變換率增加幅度會(huì)變小。溫度對(duì)變換反應(yīng)的速度影響較大，而且對(duì)正逆反應(yīng)速度的影響不一樣。溫度升高，放熱反應(yīng)即上述反應(yīng)速度增加得慢，逆反應(yīng)（吸熱反應(yīng)）速度增加得快。因此，當(dāng)變化反應(yīng)開始時(shí)，反應(yīng)物濃度大，提高溫度，可加快變換反應(yīng)，在反應(yīng)的后一階段，二氧化碳和氫的濃度增加，逆反應(yīng)速度加快，因此，需降低反應(yīng)溫度，使逆反應(yīng)速度

4、減慢，這樣可得到較高的變化率。但降溫必須與反應(yīng)速度和催化劑的性能一并考慮，反應(yīng)溫度必須在催化劑的使用范圍內(nèi)選擇。在本設(shè)計(jì)中我們選擇三段中溫變化工藝流程。2. 工藝流程含32.5% CO、溫度為40的半水煤氣，加壓到2.0Mpa，經(jīng)熱水洗滌塔除去氣體中的油污、雜質(zhì)，進(jìn)入飽和塔下部與上部噴淋下來的120140的熱水逆流接觸，氣體被加熱而又同時(shí)增濕。然后在混合器中與一定比例的300350過熱蒸汽混合，25%30%的氣體不經(jīng)熱交換器，作為冷激氣體。其他則經(jīng)熱交換器進(jìn)一步預(yù)熱到320進(jìn)入變換爐。進(jìn)第一段催化反應(yīng)后溫度升高到460500，冷激后依次通過二、三段，氣體離開變換爐的溫度為400410，CO變換

5、率達(dá)90%，殘余CO含量為3%左右。變換氣經(jīng)熱交換器加熱原料氣，再經(jīng)第一熱水加熱器加熱熱水，然后進(jìn)入熱水塔進(jìn)一步冷卻、減濕，溫度降到100110。為了進(jìn)一步回收余熱，氣體進(jìn)入第二熱水加熱器（即鍋爐給水預(yù)熱器），溫度降到7080，最后經(jīng)冷凝塔冷卻到常溫返回壓縮機(jī)加壓。變換工段化學(xué)工藝設(shè)計(jì)原則1. 年產(chǎn)8萬(wàn)噸合成氨2. 如工序氣體流量：33000Nm3/h，（干基）壓力：2.0MPa，溫度：403. 入口氣體成分：CO%=32.5%，CO2%=6.5%，H2%=41.5%，N2%=18%，CH4%=1.0%，O2%=0.5%（體積比）4. 出口氣體成分：CO%=4.0%（體積比）教研室意見該設(shè)計(jì)符

6、合化工工藝設(shè)計(jì)要求，同意接受此設(shè)計(jì)！第1章 引言1.1 氨在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用合成氨工業(yè)使基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)之一。其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位。氨本身是重要的氮素肥料，除石灰石氮外，其它氮素肥料都是先合成氨，然后再加工成各種銨鹽或尿素。將氨氧化制成硝酸，不僅可用來制造肥料，亦是重要的化工原料，可制成各種炸藥。氨、尿素和硝酸又是氨基樹脂、聚酰胺樹脂、硝化纖維素等高分子化合物的原料。以其為原料可制得塑料、合成纖維、油漆、感光材料等產(chǎn)品。作為生產(chǎn)氨的原料CO+H2合成氣，可進(jìn)行綜合利用，以聯(lián)產(chǎn)甲醇及羰基合成甲酸、醋酸、醋酐等一系列化工產(chǎn)品。以做到物盡其用，減少排放對(duì)環(huán)境的污染，提高企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。已

7、成為當(dāng)今合成氨工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。國(guó)際上對(duì)合成氨的需求，隨著人口的增長(zhǎng)而對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)的需求和環(huán)境綠化面積的擴(kuò)大而不斷增加。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)：1997年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá)103.9Mt。預(yù)計(jì)2010年產(chǎn)量達(dá)180.8Mt。其化肥用氮分別占氮產(chǎn)量的81.7%和82.6%。我國(guó)2007年合成氨產(chǎn)量已達(dá)35Mt，專家預(yù)測(cè)2020年將增至45Mt。即今后10年間將增加到現(xiàn)在的1.3倍。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長(zhǎng)的爐要走。未來我國(guó)合成氨氮肥的實(shí)物產(chǎn)量將會(huì)超過是由和鋼鐵。合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。1.2 合成氨生產(chǎn)的新進(jìn)展世界需求氮肥（折氮量）2003年1112108t增加到2007年1250108

8、。2005年前，全世界有約65106t/a合成氨能力投產(chǎn)。沙特阿拉伯化肥公司興建的世界最大單系列合成氨已于2005年投產(chǎn)，該裝置能力為3000t/d（約1106t/a）。我國(guó)氮肥工業(yè)經(jīng)過多年的技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)改造，現(xiàn)已成為全球最大的氮肥生產(chǎn)國(guó)和尿素生產(chǎn)國(guó)。從召開的全國(guó)化工行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)場(chǎng)交流會(huì)上獲悉，我國(guó)2005 年共生產(chǎn)合成氨4629.85萬(wàn)噸，生產(chǎn)氮肥3200.7萬(wàn)噸(折純氮)，其中尿素4147.13萬(wàn)噸(實(shí)物量) ，已成為全球最大的氮肥生產(chǎn)國(guó)和最大的尿素生產(chǎn)國(guó)，并實(shí)現(xiàn)了氮肥的自給。我國(guó)現(xiàn)有氮肥生產(chǎn)企業(yè)564家，不僅數(shù)量多，分布也比較廣。近年來，在中央和各級(jí)地方政府的關(guān)心和支持下，我國(guó)氮肥行

9、業(yè)認(rèn)真落實(shí)國(guó)家資源節(jié)約、綜合利用和環(huán)境保護(hù)的方針政策，積極推進(jìn)清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，大幅度減少污染物的排放，為行業(yè)的發(fā)展打下了一定基礎(chǔ)。一些先進(jìn)企業(yè)現(xiàn)在生產(chǎn)每噸合成氨的排水量，已從過去的50至60噸降到3至5噸，噸氨電耗降幅也達(dá)60千瓦時(shí)左右。據(jù)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)化工防治污染技術(shù)協(xié)會(huì)介紹，我國(guó)氮肥工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力雖然有了很大提高，但是氮肥工業(yè)仍然是我國(guó)耗能和用水大戶，全行業(yè)年耗天然氣高達(dá)110億立方米，占全國(guó)總消費(fèi)量的22%，耗標(biāo)準(zhǔn)煤5450.8萬(wàn)噸，占全國(guó)耗煤總量的3.6%，耗電585.5億度，占全國(guó)耗電總量的2.4%，耗水27億噸，平均噸氨耗水達(dá)58噸，因此在降耗節(jié)能和發(fā)展循

10、環(huán)經(jīng)濟(jì)上，仍有巨大潛力可挖。為了使我國(guó)氮肥工業(yè)從生產(chǎn)大國(guó)繼續(xù)向生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)等有關(guān)部門目前正在加大廢水、廢氣、廢渣回用以及一些先進(jìn)節(jié)能技術(shù)等在這一行業(yè)的推廣。正在推廣的這些技術(shù)中，僅“噸氨節(jié)電200度技術(shù)”，有關(guān)專家預(yù)計(jì)我國(guó)以煤為原料，年產(chǎn)合成氨8萬(wàn)噸以上的企業(yè)即使只有半數(shù)得到推廣，年節(jié)電量也將達(dá)到19.6億度。國(guó)外合成氨情況與國(guó)內(nèi)有很大不同，從原料上看，目前主要產(chǎn)氮國(guó)中，美、英、法、荷蘭等國(guó)幾乎全部采用天然氣，德國(guó)和日本液態(tài)烴占相當(dāng)比重；上世紀(jì)80年代的資料顯示，國(guó)外合成氨原料中，煤的比重已下降到2%以下；但近年來，由于天然氣價(jià)格上漲，煤制氨比例有所上升。當(dāng)今世界新技術(shù)革命深

11、入發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技更新進(jìn)一步加快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展從主要依靠物質(zhì)資源逐漸向主要依靠科學(xué)技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的時(shí)代過渡。我國(guó)百萬(wàn)合成氨工業(yè)科技工作者及生產(chǎn)大軍，應(yīng)對(duì)占世界人口近1/4的中國(guó)，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)更好地發(fā)揮土地、資源、環(huán)境條件的作用，為人類豐衣足食、綠化環(huán)境的美好生活，在合成氨工業(yè)生產(chǎn)科學(xué)創(chuàng)造出輝煌業(yè)績(jī)，以載入人類史冊(cè)。1.3 變換工藝概述1.3.1 簡(jiǎn)述在合成氨生產(chǎn)中，制取氫氣，在生產(chǎn)中占有很大比重，因此要盡一切可能設(shè)法獲得最多氫氣。同時(shí)CO對(duì)氨合成催化劑有嚴(yán)重毒害，也必須除去。最好的辦法使提高CO變換率。近幾十年來，各國(guó)學(xué)者都做了不少工作，對(duì)催化劑不斷改善，到目前為止，可使變換后氣

12、體中CO含量降到0.2%0.4%。通過變換工序?qū)O變?yōu)镠2使產(chǎn)品成本降低，工廠經(jīng)濟(jì)效益提高。由于制取合成氨原料氣所用的原料不同，所選擇的工藝也不一樣，所以原料氣中CO含量也不同。CO變換，視其原料和所采取的生產(chǎn)方法不同，也有不同的工藝流程。上世紀(jì)50年代以前，在常壓下制取合成氨原料氣，其變換大多是在常壓下進(jìn)行。此后，特別是上世界60年代以后，合成氨原料改用天然氣、油田氣、石油加工氣和輕油等，生產(chǎn)方法大多采用加壓的蒸汽轉(zhuǎn)化法，變換則在加壓下進(jìn)行，一般在4.0Mpa以下。以煤、焦為原料的常壓造氣工廠，很多也改用加壓變換，以降低能耗，用粉煤加壓氣化做原料氣，其變換壓力一般在5.5Mpa以下，以油渣

13、為原料最高壓力已達(dá)8.5Mpa。CO變換流程，對(duì)與固定層煤氣化裝置配套時(shí)，所用設(shè)備較多。與部分氧化法急冷流程相配套時(shí)，流程較簡(jiǎn)單，只需要在流程中設(shè)置變換爐和換熱設(shè)備即可。將半水煤氣經(jīng)過增濕加熱，在一定的溫度和壓力下變換爐內(nèi)，借助催化劑的催化作用，使半水煤氣中的一氧化碳（28%）與水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?。和氫氣制得合格的變換氣（CO0.3%），以滿足后工段的工藝要求。一氧化碳與水蒸氣在催化劑上變換生成氫和二氧化碳的過程為一氧化碳的變換，這一過程很早就用于合成氨工業(yè)，在合成氨生產(chǎn)中，由于制取氣的生產(chǎn)成本中占加大的比重。因此，要盡一切可能設(shè)法獲得更多的氫氣，煤氣中的一氧化碳對(duì)于合成氨催化

14、劑有嚴(yán)重的毒害，必須設(shè)法除去。利用一氧化碳與水蒸氣作用生成氫和二氧化碳的反應(yīng)，可以增加合成氨原料煤氣中氫氣的含量；根據(jù)不同的催化劑和工藝條件。煤氣中的一氧化碳含量可以降低為0.2%0.4%，由于二氧化碳的除去較一氧化碳要容易的多，這樣就簡(jiǎn)化了煤氣的精制過程。同時(shí)，經(jīng)過回收后可以作為生產(chǎn)尿素、純堿等的原料，因此，一氧化碳變換反應(yīng)在合成氨工業(yè)中具有重要的意義。從小氮肥生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)來看，發(fā)展方向是回收能量，另一方面是研究新型催化劑。此次設(shè)計(jì)的目的有二：一是必須達(dá)到所要求的變換率，即出口一氧化碳的百分含量為4%；另一方面是極可能地回收熱量。變換率的實(shí)現(xiàn)是通過中溫變換實(shí)現(xiàn)的，能量回收是利用第二熱水塔，

15、飽和熱水塔等設(shè)備回收能量。1.3.2 原理一氧化碳變換的反應(yīng)式為 一氧化碳變換為可逆反應(yīng)，因此應(yīng)盡可能使反應(yīng)向有利于生成氫和二氧化碳的方向進(jìn)行，而殘余的一氧化碳則在以后的工序中用銅氨液洗滌去等除去。變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度可促使反應(yīng)平衡向左方移動(dòng)，降溫則向右移。因此，反應(yīng)溫度愈低，愈有利于變換反應(yīng)，但降溫必須與反應(yīng)速度和催化劑的性能一并考慮，反應(yīng)溫度必須在催化劑的使用溫度范圍內(nèi)選擇。變換反應(yīng)使等分子反應(yīng)，因此從反應(yīng)平衡看，提高變換壓力，對(duì)反應(yīng)平衡沒有影響。但加壓對(duì)析碳等副反應(yīng)卻是有利的。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來看，提高變換壓力使得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。

16、當(dāng)變換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)一氧化碳的變換率叫做平衡變換率，蒸汽比對(duì)平衡變換率的影響：隨著蒸汽比的提高，平衡變換率增加，但增加的趨勢(shì)是先快而慢，當(dāng)蒸汽比提高到某一段數(shù)值后，平衡變換率的升高就很慢了，因此在蒸汽比過低的情況下，提高蒸汽比對(duì)提高平衡變換率和反應(yīng)速度有利，但過高的蒸汽比則在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。由固體原料間歇制氣制得的半水煤氣中含有CO（在本設(shè)計(jì)中體積比為34.5%），CO并不是合成氨生產(chǎn)的原料氣反而會(huì)使合成氨觸媒中毒。因此，在合成前必須將它除掉。工業(yè)生產(chǎn)上采用在觸媒作用下，用水蒸氣與CO作用，大部分CO轉(zhuǎn)化為CO2，同時(shí)獲得合成氨所必須的氫氣。由反應(yīng)式知： 反應(yīng)前后體積不變：從化學(xué)平衡角度來看

17、，提高壓力不能使化學(xué)反應(yīng)向右移動(dòng)，但可以促進(jìn)分子間的有效碰撞，加快反應(yīng)速度，提高催化劑生產(chǎn)能力。 反應(yīng)為一放熱反應(yīng)：降溫時(shí)反應(yīng)向右移動(dòng)，有利于CO變換，但觸媒只有在一定溫度下才具有較高的活性，所以，一般操作溫度都是根據(jù)觸媒活性溫度的不同而不同。一般中變溫度為300500 此為一可逆反應(yīng)：增加反應(yīng)物濃度可促進(jìn)正反應(yīng)進(jìn)行，故增加反應(yīng)物蒸汽的量可以使反應(yīng)向右進(jìn)行，有利于提高變換率，且過量的水蒸氣還起到熱載體的作用。提高水蒸氣比例，含濕原料氣中CO含量下降，催化劑床層的溫升將減少，所以，改變水蒸氣的用量濕調(diào)節(jié)床層溫度的有效手段。但CO變換率并不是與蒸汽量成正比增加。同時(shí)，蒸汽用量過多，會(huì)使?fàn)t溫不好控制

18、而且不經(jīng)濟(jì)，所以要有適當(dāng)?shù)恼羝?，中變操作時(shí)適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=35。1.3.3工藝流程簡(jiǎn)述含32.5% CO、溫度為40的半水煤氣，加壓到2.0Mpa，經(jīng)熱水洗滌塔除去氣體中的油污、雜質(zhì)，進(jìn)入飽和塔下部與上部噴淋下來的120140的熱水逆流接觸，氣體被加熱而又同時(shí)增濕。然后在混合器中與一定比例的300350過熱蒸汽混合，25%30%的氣體不經(jīng)熱交換器，作為冷激氣體。其他則經(jīng)熱交換器進(jìn)一步預(yù)熱到320進(jìn)入變換爐。進(jìn)第一段催化反應(yīng)后溫度升高到460500，冷激后依次通過二、三段，氣體離開變換爐的溫度為400410，CO變換率達(dá)90%，殘余CO含量為3%左右。變換氣經(jīng)熱交換器加熱

19、原料氣，再經(jīng)第一熱水加熱器加熱熱水，然后進(jìn)入熱水塔進(jìn)一步冷卻、減濕，溫度降到100110。為了進(jìn)一步回收余熱，氣體進(jìn)入第二熱水加熱器（即鍋爐給水預(yù)熱器），溫度降到7080，最后經(jīng)冷凝塔冷卻到常溫返回壓縮機(jī)加壓。第2章 工藝計(jì)算2.1 物料及熱量衡算2.1.1 已知條件及計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)a. 半水煤氣組分（干）組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)6.532.541.51810.51002145107251369559403301653300095.759478.795611.384265.17914.7327.3661473.214b. 壓力進(jìn)工段煤氣壓力2.0MPa（表壓）進(jìn)工段蒸汽壓力2.5MPa（

20、表壓）c. 溫度進(jìn)系統(tǒng)半水煤氣溫度40一段進(jìn)口溫度320；一段出口溫度485二段進(jìn)口溫度370；二段出口溫度430三段進(jìn)口溫度400；三段出口溫度415；出系統(tǒng)變換氣溫度35循環(huán)熱水溫度120出系統(tǒng)變換氣（干）中CO含量4.0%d. 計(jì)算基準(zhǔn)以1t氨為計(jì)算基準(zhǔn)，設(shè)備能力以9.132t為基準(zhǔn)。2.1.2 中溫變換爐物料及熱量計(jì)算(1) 干變換氣量及變換率的計(jì)算設(shè)氧與氫在變換爐一段催化劑內(nèi)完全燃燒生成水，由知，實(shí)際參加CO變換反應(yīng)的半水煤氣量為 則實(shí)際參加CO反應(yīng)的半水煤組分（干）為組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)6.6032.9941.1218.271.020.00100.002145107

21、2513365594033003250595.759478.795596.652265.17914.7320.0001451.116則CO總變換率為:變換氣中CO含量為 則變換氣組分（干）為組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)26.964.0053.9514.290.790.00100.0011207.0901662.91122427.0895940.000330.0000.00041567.090500.31774.2371001.209265.17914.7320.0001855.674(2) 總蒸汽比計(jì)算以的干半水煤氣為計(jì)算基準(zhǔn)，設(shè)中溫變換爐出口變換氣溫度為415，平衡溫距取25，則CO

22、變換反應(yīng)式為： 則CO反應(yīng)量 查手冊(cè)1，知440時(shí) 則總需要的蒸汽量為(3) 中變爐一段催化劑層物料及熱量計(jì)算a. 一段平衡轉(zhuǎn)化率帶入數(shù)據(jù)求得b. 入爐蒸汽比（汽/氣）計(jì)算由上面求得CO在一段催化劑層轉(zhuǎn)化率，70%的半水煤氣進(jìn)入一段催化劑層，30%的半水煤氣作為一段出口氣的冷激氣。且70%的O2在一段催化劑層與氫完全燃燒生成水，則CO反應(yīng)量為：CO總反應(yīng)量為設(shè)中變一段變換爐出口氣體溫度為485，平均溫距取15，查手冊(cè)1，知500時(shí)，則入爐蒸汽量：則入爐濕氣組成組分CO2COH2N2CH4O2H2O合計(jì)4.7123.5330.0413.030.720.3627.61100.001501.5007

23、507.5009586.5004158.000231.000115.5008810.34031910.34067.031335.156427.969185.62510.3135.156393.3191424.569c. 出一段催化劑層氣體組成 出一段催化劑層干氣組成組分CO2COH2N2CH4合計(jì)21.0312.0850.7515.280.85100.005722.2173286.78413807.2174158.000231.00027205.217255.456146.731616.394185.62510.3131214.519 出一段催化劑層濕氣組成組分CO2COH2N2CH4H2O合

24、計(jì)18.0010.3443.4313.080.7314.44100.005722.2173286.78413807.2174158.000231.0004589.62431794.840255.456146.731616.394185.62510.313204.8941419.413d. 熱量計(jì)算計(jì)算CO變換反應(yīng)氣體溫升 入熱CO反應(yīng)放熱Q1設(shè)氣體由320升至485，反應(yīng)取平衡溫度403時(shí)的熱效應(yīng)，查資料2圖4-2-1的反應(yīng)熱效應(yīng)。CO反應(yīng)熱O2燃燒熱合計(jì) 出熱氣體溫升吸熱設(shè)氣體溫升為t，氣體在平均溫度403下查資料2圖4-6-1圖4-6-8計(jì)算得到平均摩爾熱容為 熱損失設(shè)合計(jì)熱平衡： 氣體出

25、口溫度為t = 320 + 165 = 485與前面所假設(shè)溫度一致。e. 一段催化劑平衡曲線計(jì)算根據(jù)中變爐一段入口中蒸汽比（汽/氣）0.3814，由式計(jì)算各溫度下的平衡變換率列于下表/32034036038040042044046048050029.56422.91018.05914.44911.7239.63458.01226.73625.72004.903556.99756.85356.68356.48356.25355.99255.69855.37255.01454.625式中由資料2查的，用表中數(shù)據(jù)作圖即得平衡曲線（如圖2.1），氣體組分及蒸汽比不同時(shí)，則計(jì)算的平衡變換率亦不相同。f.

26、 最適宜溫度曲線計(jì)算最適宜溫度曲線由下式作出以B109催化劑的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于B109催化劑CO變換的逆反應(yīng)活化能為：對(duì)于變換反應(yīng)r=1，則為反應(yīng)熱，取其平均溫度403下的值，即 求得不同下的值如下表593.15613.15633.15653.15673.15693.15713.15733.15753.15568.015586.330604.592622.803640.962659.069677.125695.130713.08456.99756.85356.68356.48356.25355.99255.69855.37255.014以上面的數(shù)據(jù)作出最適宜溫度曲線（如圖2.1） g. 操作

27、線計(jì)算由一段催化劑變化率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知一段入口氣體溫度320一段出口氣體溫度485一段入口CO變換率0一段出口CO變換率56.22%由此可作出一段催化劑反應(yīng)的操作線（如圖2.1）圖2.1 一段操作的平衡曲線、最適宜溫度曲線及操作線(4) 中變爐二段催化劑層物料及熱量計(jì)算設(shè)中變一段爐出口氣體經(jīng)過30%的半水煤氣冷激后溫度為400中變二段爐進(jìn)口氣體溫度為370則氣體從400降到370的平均溫度為385，查得385的比熱容為33.56kJ/（kmol）冷激氣的濕氣組成組分CO2COH2N2CH4O2H2O合計(jì)4.7123.5330.0413.030.720.3627.61100.00643.50

28、03217.5004108.5001782.00099.00049.5003775.86013675.86028.728143.638183.41579.5544.4202.210168.565610.529出一段氣經(jīng)原料氣冷激后濕氣組成組分CO2COH2N2CH4O2H2O合計(jì)14.0014.3039.4013.060.730.1118.40100.006365.7176504.28417915.7175940.000330.00049.5008365.48445470.700284.184290.370799.809265.17914.7322.210373.4592029.942則氣體降

29、溫放出的熱量為kJ設(shè)噴淋水的溫度為61則查出水在2 Mpa下蒸汽的焓為207.4039kJ/kg則需要的噴淋水量為a. 入二段中變爐濕氣組成組分CO2COH2N2CH4O2H2O合計(jì)11.0311.2731.0310.290.570.0935.73100.006365.7176504.28417915.7175940.000330.00049.50020628.16557733.381284.184290.370799.809265.17914.7322.210920.9002577.383則入二段爐蒸汽比(汽氣)為0.357b. 二段平衡轉(zhuǎn)化率二段平均反應(yīng)平衡溫度為（370+430）/2=4

30、00，在此溫度下查資料2得由求得則CO反應(yīng)量為則CO反應(yīng)總量為則二段反應(yīng)需要的蒸汽量為c. 出二段催化劑層氣體組成 出二段催化劑層干氣組成假設(shè)二段中O2和H2完全反應(yīng)組分CO2COH2N2CH4合計(jì)22.5410.0551.5315.040.84100.008900.4363969.56420351.4365940.000330.00039491.436397.341177.213908.546265.17914.7321763.011 出二段催化劑層濕氣組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)15.436.8835.2810.300.5731.54100.008900.4363969.56

31、420351.4365940.000330.00018192.44557683.881397.341177.213908.546265.17914.732812.1632575.173d. 熱量計(jì)算計(jì)算CO變換反應(yīng)氣體溫升 入熱CO反應(yīng)放熱Q1設(shè)氣體由370升至430，反應(yīng)取平衡溫度400時(shí)的熱效應(yīng)，查資料2圖4-2-1的反應(yīng)熱效應(yīng)。CO反應(yīng)熱O2燃燒熱合計(jì) 出熱氣體溫升吸熱設(shè)氣體溫升為t，氣體在平均溫度400下查資料2圖4-6-1圖4-6-8計(jì)算得到平均摩爾熱容為 熱損失設(shè)合計(jì)熱平衡： 氣體出口溫度為t=370+60=430與前面所假設(shè)溫度一致。e. 二段催化劑平衡曲線計(jì)算根據(jù)中變爐二段入口

32、中蒸汽比（汽/氣）0.357，由式 計(jì)算各溫度下的平衡變換率列于下表/37038039040041042043016.12414.44912.99311.72310.6119.63458.773539.89339.60739.29838.96838.61438.23837.838式中由資料2查的，用表中數(shù)據(jù)作圖即得平衡曲線（如圖2.2），氣體組分及蒸汽比不同時(shí)，則計(jì)算的平衡變換率亦不相同。f. 最適宜溫度曲線計(jì)算最適宜溫度曲線由下式作出以B109催化劑的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于B109催化劑CO變換的逆反應(yīng)活化能為：對(duì)于變換反應(yīng)r=1，則為反應(yīng)熱，取其平均溫度403下的值，即 643.15653.1

33、5663.15673.15683.15693.15703.15613.70407622.8029631.8887640.9617650.0218659.069668.103439.89339.60739.29838.96838.61438.23837.838由上面數(shù)據(jù)作得最適宜溫度曲線（如圖2.2）。g. 操作線計(jì)算由二段催化劑變化率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知二段入口氣體溫度370二段出口氣體溫度430二段入口CO變換率56.22%二段出口CO變換率38.97%由此可作出一段催化劑反應(yīng)的操作線（如圖2.2）圖2.2 二段操作的平衡曲線、最適宜溫度曲線及操作線(5) 中變爐三段催化劑層物料及熱量計(jì)算段爐

34、出口氣體后溫度為430設(shè)進(jìn)中變?nèi)螤t進(jìn)口氣體溫度為400氣體從430降到400的平均溫度為415，415的比熱容為34.83氣體降溫放出的熱量為.538kJa. 入三段催化劑層氣體組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)15.436.8835.2810.300.5731.54100.008900.4363969.56420351.4365940.000330.00018192.44557683.881397.341177.213908.546265.17914.732812.1632575.173則入三段爐蒸汽比(汽氣)為0.315b. 三段平衡轉(zhuǎn)化率三段平均反應(yīng)平衡溫度為（400+415）

35、/2=408，在此溫度下查資料2得由求得則CO反應(yīng)量為則CO反應(yīng)總量為則三段反應(yīng)需要的蒸汽量為c. 出三段催化劑層氣體組成 出三段催化劑層干氣組成組分CO2COH2N2CH4合計(jì)24.647.0752.8514.630.81100.0010000.7992869.20121451.7995940.000330.00040591.799446.464128.089957.670265.17914.7321812.134 出三段催化劑層濕氣組成組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)17.344.9737.1910.300.5729.63100.0010000.7992869.20121451.79

36、95940.000330.00017092.08257683.881446.464128.089957.670265.17914.732763.0392575.173d. 熱量計(jì)算計(jì)算CO變換反應(yīng)氣體溫升 入熱CO反應(yīng)放熱Q1設(shè)氣體由400升至415，反應(yīng)取平衡溫度408時(shí)的熱效應(yīng)，查資料2圖4-2-1的反應(yīng)熱效應(yīng)。CO反應(yīng)熱 出熱氣體溫升吸熱設(shè)氣體溫升為t，氣體在平均溫度408下查資料2圖4-6-1圖4-6-8計(jì)算得到平均摩爾熱容為 熱損失設(shè)合計(jì)熱平衡： 氣體出口溫度為t=400+15=415與前面所假設(shè)溫度一致。e. 三段催化劑平衡曲線計(jì)算計(jì)算各溫度下的平衡變換率列于下表/40040240

37、440640841041241441611.72311.48911.26111.03910.82210.61110.40610.20510.01028.38328.22128.05727.89127.72227.55127.37927.20327.026式中由資料2查的，用表中數(shù)據(jù)作圖即得平衡曲線（如圖2.3），氣體組分及蒸汽比不同時(shí)，則計(jì)算的平衡變換率亦不相同。f. 最適宜溫度曲線計(jì)算最適宜溫度曲線由下式作出以B109催化劑的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于B109催化劑CO變換的逆反應(yīng)活化能E2為：對(duì)于變換反應(yīng)r=1，則為反應(yīng)熱，取其平均溫度403下的值，即 673.15675.15677.15679.

38、15681.15683.15685.15687.15689.15640.962642.775644.587646.399648.211650.022651.832653.642655.45228.38328.22128.05727.89127.72227.55127.37927.20327.026由以上數(shù)據(jù)作得最適宜溫度曲線（如圖2.3）。g. 操作線計(jì)算由三段催化劑變化率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知三段入口氣體溫度400三段出口氣體溫度415三段入口CO變換率38.97%三段出口CO變換率27.72%由此可作出一段催化劑反應(yīng)的操作線（如圖2.3）。圖2.3 三段操作的平衡曲線、最適宜溫度曲線及操作線2

39、.2 典型設(shè)備計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn)：以產(chǎn)氨9.132t/h計(jì)算。2.2.1 中溫變換爐計(jì)算已知條件：平均操作壓力2MPa一段氣體進(jìn)口溫度320一段出口溫度485二段進(jìn)口溫度370二段出口溫度430三段進(jìn)口溫度400三段出口溫度415一段進(jìn)口氣流量（干）出一段催化劑濕氣量進(jìn)一段催化劑氣體成分（干）組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)V/%6.532.541.51810.5100一段出口CO含量12.08%；一段入口汽/氣比R=0.3814二段催化劑進(jìn)口流量（干）進(jìn)二段催化劑濕氣量進(jìn)二段催化劑氣體成分（干）組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)V/%17.1617.5348.2816.010.890.131

40、00二段出口CO含量10.05%二段入口蒸汽比R=0.357進(jìn)三段催化劑氣體成分（干）組分CO2COH2N2CH4O2合計(jì)V/%22.5410.0551.5315.040.840100三段出口CO含量7.07%三段入口蒸汽比R=0.357催化劑型號(hào)：按B109計(jì)算(1) 催化劑用量計(jì)算a. 一段催化劑用量計(jì)算根據(jù)B109動(dòng)力學(xué)方程式，輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算出催化劑在操作條件下CO的空速等有關(guān)數(shù)據(jù)，并列于下表。入口條件（干氣）：CO%=32.5%，CO2%=6.5%，H2%=41.5%汽/氣=0.3814溫度：403出口條件：CO（干）12.08%操作壓力：2MPa（表）催化劑重量%CO變換率%氣體中C

41、O含量（干）%氣體中汽/氣比R催化劑重量%CO變換率%氣體中CO含量（干）%氣體中汽/氣比R00.0029.440.41206036.3617.430.2893104.0128.260.40837044.1314.710.2595208.5826.560.38968052.0612.370.23373013.8424.660.36869057.4110.830.21694019.9822.510.435010060.0710.090.20875027.1420.090.3185當(dāng)變換氣中CO含量(干)達(dá)到12.08%時(shí)，計(jì)算催化劑床層空速1984折算成催化劑床層體積空速為。 b. 二段催化劑用

42、量計(jì)算二段催化劑采用B109催化劑入口條件（干氣）：CO%=17.53%，CO2%=17.16%，H2%=48.28%汽/氣=0.357溫度：400出口條件：CO（干）10.05%操作壓力：2MPa（表）根據(jù)已知條件計(jì)算結(jié)果如下表所列催化劑重量%CO變換率%氣體中CO含量（干）%氣體中汽/氣比R催化劑重量%CO變換率%氣體中CO含量（干）%氣體中汽/氣比R00.0010.090.25656025.777.300.2246104.599.580.25067029.246.940.2204209.149.080.24498032.346.610.21673013.608.600.23949035.

43、066.330.21354017.908.140.234110037.366.090.21075021.987.700.2291當(dāng)變換氣中CO含量(干)達(dá)到10.058%時(shí)，計(jì)算催化劑床層空速為1538折算成催化劑床層體積空速為c. 三段催化劑用量計(jì)算二段催化劑采用B109催化劑入口條件（干氣）：CO%=10.05%，CO2%=22.54%，H2%=51.53%汽/氣=0.315溫度：408出口條件：CO（干）7.07%操作壓力：2MPa（表）同理求得中變催化劑總用量(2) 催化劑床層直徑的確定變換爐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮催化劑床層的阻力降。阻力降與設(shè)備直徑及催化劑床層高度有關(guān)。要求中變催化劑床層阻力小于

44、6.86KPa，（小于700mmH2O）設(shè)催化劑床層直徑為2.9m催化劑床層阻力降由下式計(jì)算將催化劑的粒度折算成相當(dāng)于同體積的球體直徑a. 一段催化劑層阻力一段氣體平均分子量=18.5一段氣體操作狀態(tài)下的重度一段氣體重量流速（濕）b. 一段催化劑層高c. 二段催化劑層阻力二段氣體操作狀態(tài)下的密度二段濕氣體的質(zhì)量流速d. 二段催化劑層高e. 三段催化劑層阻力及催化劑層高同理得：中變爐催化劑總阻力上面計(jì)算結(jié)果濕新裝催化劑床層的阻力降，實(shí)際上由于裝填過程中催化劑的破碎，未篩凈的粉塵帶入的因素，故生產(chǎn)中催化劑的阻力降往往大于計(jì)算值，特別是催化劑使用后期更甚。2.2.2飽和熱水塔計(jì)算(1) 飽和塔計(jì)算已

45、知條件塔型：填料塔，采用50瓷矩鞍環(huán)干半水煤氣組成組分CO2COH2N2CH4O2V%6.532.541.5181.00.5平均操作壓力進(jìn)塔氣體溫度40氣體出塔溫度115進(jìn)水溫度120出塔水溫t2=98.6進(jìn)塔干氣流量33000m3/h干半水煤氣平均分子量18.15進(jìn)塔氣體濕含量出塔氣體濕含量進(jìn)塔水流量出口熱水流量a. 塔徑計(jì)算由于塔出口溫度最高，濕含量最大，計(jì)算塔徑時(shí)以塔頂條件進(jìn)行計(jì)算。要求填料阻力0.147kPa (即15mmH2O)/m填料氣體流量為了與熱水塔直徑一致，取塔徑為2.9m。b. 空塔速度的計(jì)算對(duì)矩鞍環(huán)用通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算飽和泛點(diǎn)速度（參見資料2圖8-2-27）。圖的橫坐標(biāo)：；圖

46、的縱坐標(biāo)為：式中：-液體流量，kg/h氣體流量，kg/h液體重度，kg/m3氣體密度，kg/m3空塔速度，m/sg重力加速度，9.81m/s2L液體粘度，mPas填料因子，m-1液體校正系數(shù)，即水的重度與液體重度之比，=水/L各數(shù)據(jù)如下：操作狀態(tài)下出塔氣體體積：水的黏度：水在120，50瓷鞍環(huán)則查手冊(cè)5知 c. 理論塔板數(shù)計(jì)算 平衡曲線計(jì)算式中：干氣體平均比熱容（0t），kJ/(kg) t溫度，i水蒸汽在t時(shí)的焓，kJ/kg計(jì)算出95120時(shí)飽和半水煤氣的焓，并列于下表溫度蒸汽焓i(kcal/kg)飽和蒸汽壓 (105Pa)(絕)干氣比容kcal/(kg) (105Pa)(絕)出塔濕氣含量Kg

47、(汽)/kg(干氣)出塔氣熱含量kJ/kg80631.30.48290.37708.4670.05700.0504258.4585633.30.58940.37728.3610.07050.0623298.2390635.40.71490.37738.2350.08680.0767344.8395637.30.86190.37758.0880.10660.0942399.89100639.31.03320.37777.9170.13050.1153464.88105641.01.23180.37797.7180.15960.1410542.35110643.01.46090.37817.4890.19510.1723635.42115644.61.72390.37847.2260.23860.2108748.08120646.42.02460.37866.9250.29240.2583885.70注：1kcal=4.1868kJ，M=18.15 操作線計(jì)算進(jìn)塔氣體的焓40時(shí)干半水煤氣的比熱熔分別為Cp=0.380 kcal/(kg)=1.591kJ/( kg)， 出塔水溫t2=98.6出塔氣體的焓，氣體