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1、 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 3万吨NH3Y合成氨厂中变串低变工艺设计目 录摘 要2Abstract3第一章 绪 论41.1 合成氨工艺的背景、现状及展望41.2 氨的性质及用途51.3 CO变换的基本原理及工艺流程71.4 变换催化剂81.5 中变串低变的意义101.6 设备的选用及特点101.7 设计说明书计算部分12 第二章 物料及热量衡算13 2.1 课题条件132.2 中变炉工艺条件的计算132.3 中温变换炉的物料衡算192.4 低变换炉的工艺条件计算212.5 低变换炉的物料和热量衡算252.6 热水塔出口热水温度的估算262.7 半水煤气换热器物料热量衡算272.8
2、 饱和塔物料热量衡算282.9 热水塔物料热量衡算29第三章 设备计算313.1 饱和热水塔计算313.2 中变炉计算40总 结43致 谢45参考文献46 摘 要3万吨NH3/Y合成氨厂中变串低变工艺设计摘要：此次设计充分运用了化学基础知识和专业理论知识，结合国内外合成氨工艺现状背景，考虑了环境因素和节能减排方面的影响，用最合理的方法对整个工艺流程进行优化，使其达到预期效果。设计中涉及到大量参数，包括温度，压力，平衡常数，密度，黏度，饱和蒸汽压等。另外，设计中包括一些设备计算，如：物料衡算，热量衡算和设备计算三部分内容。关键词：设计、参数、工艺、合成氨AbstractThe Design of
3、 Low-temperature Shift after High-temperature Shift Technology with Production of 30000t/y Ammonia Plant Abstract: The design of the full use of the chemical basis of theoretical knowledge and professional expertise, combined with the background of domestic and international status of synthetic ammo
4、nia process, taking into account environmental factors and energy saving aspects, the most reasonable way to optimize the entire process so that the desired effect. Design involves a large number of parameters, including temperature, pressure, equilibrium constant, density, viscosity, saturated vapo
5、r pressure and so on. In addition, the design includes a number of computing devices, such as: material balance, heat balance calculation of three parts and equipment.Keywords: design, parameters, process, ammonia wuhan institut第一章 绪论1.1合成氨工艺的背景、现状及展望中国合成氨生产时从20世纪30年代开始的，但当时仅在南京、大连两地建有氨厂，最高年产量不超过50k
6、t（1941年）。此外，在上海还有一个电解水制氢生产合成氨、硝酸的小型车间。近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。目前合成氨产量规模以中国大陆、俄罗斯、美国、印度等国最大，约占世界总产量的一半以上。合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等，因以天然气为原料的合成氨生产设备投资较低、能耗较低、成本较低的缘故，世界大多数合成氨生产设备均是以天然气为原料，但是自从石油涨价后，由煤制氨制法重新受到重视，因从世界燃料储量来看，煤的储量约为
7、石油、天然气总和的10倍。目前中国大陆合成氨生产设备是大、中、小规模并存，总生产能力为4,160万公吨/年。中国大陆合成氨产量虽然已跃居世界第1位，但单一设备规模较小，合成氮平均规模为5万公吨/年，无法适应全球合成氨的发展趋势。除上海吴泾化工厂为国产化设备外，其余均系国外引进。据相关资料统计，俄罗斯约有35套合成氨生产设备，合成氮平均规模为40万公吨/年；美国有50多套合成氨设备，合成氨平均规模在30万公吨/年以上。近年来合成氨设备的大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前全球最大单一合成氨设备规模已达130万公吨/年。因此中国大陆未来必须朝兴建大型合成氨设备，改善中型合成氨设备，淘汰小型合成氨
8、设备，建立区域性大型合成氨企业集团，控制全国合成氨设备在100套左右。 此外，中国大陆合成氨制程原料结构不合理，目前原料组成气、油、煤比例大致为14%、22%和64%。由于原料在成本结构中占有很大比重，因此要提高在国际市场的竞争力，首要的是选用价格较低的原料，由于渣油和石脑油来源困难且价格高，未来这些厂必须调整原料结构。而天然气作为洁净能源，在国外第一大量用户用作燃料，第而大量用户用作合成氨。采用天然气生产合成氨与其它原料相比，投资、能耗均为最低，新建一个年产30万吨氨、52万吨尿素的大型氮肥厂，以天然气为原料，投资原为20多亿元，吨氨能耗29.3GJ；以渣油为原料，30多亿元，吨氨能耗37.
9、7GJ；以煤为原料40多万吨，吨氨能耗50.2GJ。天然气厂不需储备原料、流动资金占用少，加之能耗低，基建投资省，比以煤为原料的厂生产尿素成本低得多，所以以天然气为原料的大型合成氨装置是最佳选责。目前世界各国用天然气为原料占80%，美国和前苏联分别占98.2%和92.2%，而中国仅仅为22%25%。中国天然气产地基本集中在四川、新疆、陕甘宁和海南，中国石油资源并不丰富，近年受世界石油价格攀升的影响使中国合成氨尿素成本增高。将来有天然气的地方改用天然气为原料，没有天然气的地方改用煤为原料。对于以无烟煤或焦炭为原料，要加快推广富氧连续气化、碎煤或煤粉加压气化技术。我国煤炭资源丰富，分布地区广，用煤
10、为原料生产合成氨约占氨产量的67%。预期中国合成氨原料在一段时间内仍然是煤、油、气并存的态势。中国大陆合成氨的下游产品主要为尿素，产品结构不合理，因此必须调整产品结构，生产部分复合肥料或混配肥料，以适应农业发展的需要。合成氨厂采用中变串低变流程。根据化学平衡移动原理，升高温度可使反应向左移动，降低利于变换反应的进行温度使反应向右移。温度越低越有利于变换反应的进行但降低温度必须与反应速度和催化剂的性能一并考虑。开始反应时，为了加快反应速度，一般在较高温度下进行，而在后阶段，为使反应比较安全，就必须在较低温度下进行，这样能耗也大幅降低。本课题就是基于以上背景，通过对近年来国内外合成氨生产规模趋势及
11、进出口贸易的调查、分析而拟定的工艺流程。 1.2氨的性质与用途1.2.1物理性质氨的主要物理性质列于表1-1。氨极易容于水，溶解时放出大量的热，可生产含NH315%30%的氨水，氨水溶液是碱性，易挥发。液氨或干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有谁的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。 表1-1 氨的主要物理性质相对分子质量17.03沸点（0.1MPa）/0C33.35含氮量/%82.2蒸发热（33.40C）/(kj/kg)1368.02摩尔体积（00C，0.1MPa）/(L/mol)22.8冰点/0C77.70气体密度（00C，0.1MPa）/(g/L)0.7714熔化热（77.70C）
12、/(kj/kg)333.42液体密度（33.40C，0.1MPa）/(g/cm3)0.6818气体高热量/(MJ/m3)17.52临界密度/0C132.4液体高热量/(MJ/kg)22.35临界压力/MPa11.30液体低热量/(MJ/kg)16.74临界体积/(L/kg)4.257标准摩尔焓H/(KJ/mol)46.21临界密度/(g/cm3)0.235标准摩尔熵S/(气体，250C,0.1MPa)/(J/mol.K)192.60临界热导率/W/(m.K)0.522电导率（工业品，350C）/(S/m)31051.2.2 化学性质 氨在常温时相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮
13、和氢，其分解速度在很大程度上与大气接触的表面性质有关。氨是一种可燃性物质，自然点为6300C，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。常压，常温下的爆炸范围分别为15.5%28%（空气）和13.5%82%（氧气）。氨易于许多物质发生反应，例如在铂催化剂作用下能与氧反应生成NO。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐，例如 NH3 + HCl NH4Cl NH3 + HNO3 NH4NO3 2NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4 NH3 + H3PO4 （NH4）H2PO4 2NH3+ H3PO4 (NH4)2HPO4氨也能和CO2反应生成氨基甲酸铵，脱水成尿素。利
14、用氨与各种无机酸反应制取磷酸铵，硝酸铵；与CO2碳酸氢铵。氨能生成各种加成配位化合物，它们和水合物类似，通称氨合物或氨络物，例如对应CaCl2.6H2O和CuSO4.4H2O，也分别有CuSO4.4NH3和CaCl2.6NH3。1.2.3 氨的用途氨在国民经济中占有重要地位。现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其它化工产品的原料。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨为原料的。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基
15、镍纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮肥，生产己内酰胺、尼龙6单体、己二胺、人造丝、丙烯腈、酚醛树脂和脲醛树脂等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。1.3 CO变换的基本原理和工艺流程 1.3.1基本原理一氧化碳的变换过程是将原料气中不易除去的一氧化碳转变为易清除的二氧化碳，同时制得与反应了的一氧化碳等摩尔的氢气的过程。所以一氧化碳的变换过程，即是原料气的净化过程又是原料气制造的继续。一氧化碳变换反应是在一个条件下，半水煤
16、气中的CO和水蒸气反应生成氢气和二氧化碳的工艺流程：CO+H2O=CO2+H2 DH0298K= -41.9kJ/mol这是一个可逆放热反应。从化学平衡来看，降低反应温度，增加水蒸气用量，有利于上述可逆反应向生成二氧化碳和氢气的方向移动，提高平衡转化率。但是水蒸气增加到一定值以后，变换率增加幅度会变小。温度对变换反应的影响较大，而且对正逆反应速率的影响不一样。温度高，放热反应即上述变换反应速率增加得慢，逆反应(吸热反应) 速度增加得快。因此，当变换反应开始时，反应物浓度大，提高温度，可加快变换反应，在反应的后一阶段，二氧化碳和氢气的浓度增加，逆反应速度加快，因此，必须降低反应温度，使逆反应速度
17、减慢，这样可以得到较高的变换率。提高变换压力，分子间的有效碰撞次数增加，可以加快变换反应速度，提高催化剂的生产能力。1.3.2 工艺流程a.从操作压力的不同,变换可分为常压和加压变换。首先在流程上没有多大的区别，只是常压系统中热水塔叠在饱和塔之上，经热水塔加热后的热水靠位差流入水加热器，然后进入饱和塔，饱和塔的排水则由水泵打入热水塔顶。在加压系统中，因系统阻力比常压系统大得多，如热水塔叠在饱和塔之上，其位差不足以克服系统的压差，水不能流下，因此饱和塔叠在热水塔之上，饱和塔排水流入热水塔，在其中加热后，由泵打入水加热器，再进入饱和塔。此外，加压系统中热水塔出口变换气温度较常压系统高，多数设计中设
18、有第二水加热器，利用变换气余热加热锅炉给水。变换气的最后冷却，长呀系统中采用水直接洗涤冷却，而在加压系统中为了减少二氧化碳的损失以保持氨和二氧化碳的平衡，采用壁式冷却器较好。其次常压和加压变换在其他方面有很大差别。从反应速度来看，加压系统比常压系统反应速度快，所以在生产能力相同时，加压变换需要设备的尺寸相对较小，投资较少。从能耗方面，由于原料气摩尔数小于干变换气，所以先压缩再进行变换的加压系统比常压系统变换再压缩的能耗低。另外从反应条件和设备材质上，加压系统要求的蒸汽的压力较高，设备的材质也要好。但综合考虑，优点是主要的，所以常压变换不断被加压变换所代替。一般来说对于大型合成氨厂来说，采用加压
19、变换对投资比较合理。对于八万吨合成氨采用加压变换较适宜。b.变化系统的工艺流程按变换催化剂类型分为中温变换流程、中变串低变流程。一般选择的依据首先是原料气CO的含量，采用固体燃料制得的半水煤气中CO的含量较高，则选用中温变换流程。因为中变催化剂操作温度范围较宽，而且价廉易得，寿命长，可除去原料气中大部分CO。若原料气中CO含量高于15%，则采用多段变换。其次是根据进入系统的原料气温度及含湿量。当温度及水蒸气隐含量低时，则应考虑气体的预热和增湿，合理利用余热。第三是CO变换与脱除CO的方法结合考虑。如脱除方法允许残余CO含量较高，则采用中变即可；否则可将中变与低变串联使用，以降低变换气中CO含量
20、。根据以上分析，综合所给的设计条件，本设计采用中变串低变流程。1.4 变换催化剂1.4.1 中变催化剂小氮肥厂常用的中变催化剂有：B107、B109、B112、B1113、B114、B115、B116、B117等。它们是以Fe2O3为主体，以Cr2O3为主要添加物的多成分铁-铬系催化剂，加以铬，钾，铜，锌，镍等氧化物可以提高催化剂的活性，添加铝，镁等氧化物可以改善催化剂的耐热及耐毒性能。a. 中变催化剂各组分的作用：铁的氧化物：催化剂的主体；三氧化二铬：稳定剂，同时反应条件下Cr3+可防止铁氧化物过度还原；氧化钾：助催化剂，提高催化剂的活性。b. 中变催化剂的升温还原： 中变催化剂中Fe2O3
21、不具有催化活性，必须将其还原成尖晶石结构的Fe3O4才具有很高的催化活性。Fe2O3的还原反应为：3Fe2O3+CO=2 Fe3O4+CO2 DH0298K= -50.8 kJ/mol3Fe2O3+H2=2 Fe3O4+H2O DH0298K= -9.6 kJ/mol 中变催化剂还原时必须同时加入蒸汽，以防止已还原好的催化剂被氢气还原过度，生成金属铁： Fe3O4+4 H2=3Fe+4H2O DH= -139.3 kJ/mol 金属铁促进CO和H2反应生成甲烷，并能使CO发生分解反应，积炭于催化剂上。 同时，加入蒸汽还可以利用已产生的变换反应热来提高下层温度，缩小上下床层温差。c. 中变催化剂
22、的活性： 操作温度、催化剂颗粒大小和毒物等对中变催化剂的活性都有影响。操作温度 关键的不是催化剂的初活性，而是运行过程中稳定的活性，即活性随时间的下降速度越慢越好。温度对活性的下降速度的影响很大，随着使用时间的延长，活性逐渐衰退，可以提高操作温度以弥补衰退的活性。温度升裕度是有限的，一般只有30-50。必须慎重得分几年内逐步升温，否则将缩短催化剂的使用寿命。 催化剂颗粒大小中变催化剂的活性随颗粒的减小而增加。当压力增高时，扩散影响更加显著。因而要减小颗粒。但是，最适宜的颗粒大小必须考虑变换炉的压力降等因素。 毒物 原料气中的某此杂质会使中变催化剂的活性显著下降。其中有些 质有使催化剂永久中毒，
23、例如磷、砷和硼的化合物，但这些比较少见。而有些杂质会使催化剂渐时性中毒，例如最常见的毒物尘H2S，H2S与催化剂的反应如下： Fe3O4+3 H2S+ H2=3FeS+ 4H2O1.4.2 低变催化剂小氮肥厂常用的低变催化剂有：Cu-Zn系。它们是以氧化铜为主体，经还原后具有活性组成是细小的铜结晶-铜微晶的铜锌铝系或铜锌铬系催化剂。a. 低变催化剂各组分的作用： Cu：铜是催化剂的活性组分ZnO，Cr2O3，Al2O3：稳定剂b. 低变催化剂的还原：由于铜是催化剂的活性组分，但通常供应的是氧化态产品，使用时须先原使CuO变为Cu。低变催化剂用H2或CO还原时，有下列反应：CuO+H2=Cu+H
24、2O（g），DH0298K= -86.7 kJ/mol CuO+CO=Cu+CO2 ，DH0298K= -127.7 kJ/mol由于还原反应放热量大，工业上因还原操作不慎而烧坏催化剂，缩短催化剂使用寿命的实例不少。因此，一定要严格控制温度，精心配氢环节。1.5中变串低变的意义在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的CO含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。1.6 设备的选用及特点1.6.1饱和热水塔a.饱和塔饱和塔是一个气液传质设备，
25、半水煤气在饱和塔内与热水逆流接触，同时进行热量和质量的传递，使半水煤气的热含量和湿含量不断提高。饱和塔可采用板式塔，各有其优缺点。对于填料塔来说一般具有结构简单，便于制造，压力降比较小的优点气相负荷有较大降低时也能适应，但其生产能力低，填料清理比较麻烦且损耗较大，对于大直径的塔还有效率低，重量大，投资高等优缺点。对于板式塔，其优点是对气液比的适应范围比较广，与同直径的填料塔相比生产能力大。其缺点是塔效率受负荷变动的影响较大，负荷过大时则效率下降，其次是板效率降低。本设计选用的是填料塔，填料型号为50瓷矩鞍环。b.热水塔热水塔是利用变换的余热来加热出第二加热器的热水的设备，同时降低低变换气的温度
26、与湿度，从而达到祸首能量的目的。热水塔的冷凝负荷较大，操作条件变化大等特点，同样采用填料塔，填料型号同上。总之，饱和热水塔是系统中回收热量的主要设备。在加压变换系统中为了满足操作条件，饱和塔置于热水塔之上，这是不同于常压变换的重要特征。这种结构决定了饱和应有一定的气密性，以防止半水煤气串入变换气中而使CO含量过高。1.6.2换热器由于本流程中的热敷和比较大，所需的传热面积也较大，因此采用浮头式换热器。又因为半水煤气有腐蚀性，所以半水煤气走壳程，变换气走管程，为了尽量减少热损失，换热器外层包上一层保温材料。1.6.3热水泵把热水塔排出的热水送到第二水加热器，选用离心泵，其型号依具体水流量和扬程决
27、定。热水泵安装时进口应在液面以下，以防止气蚀。1.6.4 水加热器水加热器也是一种形式的换热器，本流程中通过它回收变换气的余热。分为第一水加热器和第二水加热器。1.6.5 中变炉中变炉的选择应做到热能的有效利用，催化剂利用率高，操作容易，结构简单，阻力较小及热损失少。因为CO的变换反应是一个放热过程，随反应的进行气体及催化剂的温度不断升高，从反应平衡看低温有利于CO平衡变换率的提高。因此为了使反应在适宜温度范围内进行，就必须将反应热不断移走，使反应处于最佳条件。另外，由于催化剂的活性温度范围的限制也需要操作控制在一定的温度范围内，避免催化剂失活。绝热变换炉段间的换热方法可归纳为两类：间接降温和
28、直接降温。直接降温即冷激降温，又分为蒸汽冷激、煤气冷激和水冷激三种方式。本设计采用直接水冷激法。在该方法中，由于水的蒸发潜热较大，少量的水就可以达到降温的目的，使用起来就灵活又方便。水冷激由于将气体中的显热变成了蒸汽的潜热，系统的热负荷没有增加，热回收系统的负荷请，系统的阻力较小。水的加入也增加了煤气的湿含量，有利于提高CO的变换率。它的缺点是温差小，换热器的面积较大。另外水冷激降温应注意水质、冷激用的水应用纯净的蒸汽冷凝水，使之蒸发通过催化剂后不留下残渣，否则会引起催化剂结块，增加阻力，影响正常生产。本设计采用炉外冷激，这样由于气体需要引出，要增加设备，故流程较长，热损失大，阻力也较大；再者
29、由于气体温度高，对管道，设备材料的材质要求较高，但炉内冷激必须保证冷水有足够的蒸发面积，确保不会溅入触媒，因此变换炉结构比较复杂。由此看，还是采用炉外冷激较好。1.6.6 低变炉低变炉的机构因流程而异，一般对于中变串低变流程中催化剂用量仅为中变催化剂的/2-1/3，切催化剂床层升温较小，一般为30-50，故催化剂床层只要一段就可以了。1.7 设计说明书计算部分本部分是在前面说明部分的基础上，通过计算对各工艺条件和设备参数进行选择，并根据实际操作条件，在合理的范围内选择一个适当值。但需要说明得失具体操作中可以根据实际情况灵活调整。本部粉是说明书的主要部分，它主要包括了； ：物料衡算、热量衡算和设
30、备计算（饱和热水塔、半水煤气换热器、第一水加热器，中变炉）。 第二章 物料及热量衡算 2.1 课题条件 表2-1 干半水煤气成分 成分H2COCO2N2O2CH4Ar合计%38.9430.687.9221.20.300.710.25100tNH3耗干水煤气量：3450-3550Nm3；进饱和塔原料气压强：8.5105Pa；半干水煤气温度：35；催化剂：中变催化剂B112或B111；铁系低变催化剂Cu-Zn系；出热水塔气体温度：75；出变换系统气体压强：7.0105Pa；变换率：中变：88%；低变：99%；水碳比：3.2-3.3；补充蒸汽压强：8105Pa；变换炉（中变炉）；年开工率：300天。
31、2.2 中变炉工艺条件的计算为了计算方便，计算过程中以kmol为单位。计算基准：1kmol干半水煤气（变换炉条件计算除外）2.2.1 进口温度的估计 根据触媒的活性温度，选取变换炉进气温度为420，因过程中有冷激水，冷激气体原始成分将有改变，故出口温度需要经过计算决定。2.2.2 蒸汽比的选择采用水冷激流程中开始的蒸汽比可以稍低，选取3.2。每标准米3干半水煤气中应加入蒸汽量：0.30683.2=0.98Nm32.2.3 湿半水煤气的组成 H2：; CO： ; CO2：; N2：; O2：; CH4:; Ar：; H2O:;2.2.4 第一段平衡线计算 查1中表4-2-6得各温度下的平衡常数K
32、p，计算结果如下表 表2-2 参数计算结果T（）420440460480500520560Xp（%）89.0187.285.2983.2981.2379.1274.83用以上数据作图得平衡线图2-12.2.5 第一段最适宜温度曲线计算 第一段最适宜温度曲线计算查表16-1-3得B111型中变催化剂的活化能，中变反应热近似取,故。由1中4-7-3式计算 表2-3参数计算结果t()466.56 485.69505.38524.81544.13563.45582.88Xp(%)80.0077.5075.0072.5070.0067.5065.00用这些数据作图得最适宜温度曲线图2-22.2.6 第一
33、段操作线的计算选取第一段中温变换转换率75%。变换掉的CO：0.15490.75=0.1162kmol出一段气体组成： 表2.4参数计算结果成分数量%H20.1967+0.1162-0.00152=0.309931.03CO0.1549-0.1162=0.0383.88CO20.04+0.1162=0.156215.65O200N20.107110.72CH40.00360.36Ar0.00130.13H2O0.4949-0.1162+0.00152=0.381738.23合计0.9985100化学平衡常数K=3.274查1表4-2-6得温度t=5612.2.7 冷激水用量计算二段触媒进口温度
34、取为400，冷激段热损失取为5，出一段气体的平均温度为458，冷激水初温60，终温673.2。系统焓变H=54556.20kJ/kmol。出一段气体的热容：Cp=(29.50.3103+31.60.0388+50.40.1565+31.10.1072+ 60.30.0036+ 20.60.0013+38.50.3823)/4.187=35.56 kJ/（kmol）查2附录二 得在0.8MPa压力下水的沸点为170.4水由40升高至170.4的焓变为=472.35KJ/Kg170.4水的汽化热为=2091.55KJ/Kg水蒸气有170.4升高至400的焓变 总的焓变H=54556.20K冷激水量
35、=2.2.8 第二段平衡曲线和最适宜温度曲线计算 用水冷激后气体的起始组成发生了变化，因此平衡曲线和最适宜温度也都发生了变化。冷激后气体的原始组成：H2：; CO： CO2：;H2O：;由1中式4-2-2计算不同温度下的平衡转化率 表2.5参数计算结果T380400420440460480Xp0.93430.92080.90600.890087.2985.49以第一组为例计算：A=14.45；B=52.88；C=3.73；D=18.35；t=380；Kp=14.5；w=Kp-1=13.5；u=Kp（A+B）+C+D=14.5（14.4+53.39）+3.69+18.06=1004.71；v=K
36、pAB-CD=14.514.153.39-3.6918.06=11081.19；q=（u2-4wv）1/2=641.14；xp=;由以上数据作图得第二段的平衡曲线：图2-3由1中（4-1-3）式计算不同变换率下的最适宜温度：表2.6参数计算结果Xp0.8000.8550.850 0.8750.9000.925 tmOC486.5464.7441.9417.6390.9360.6用以上数据作图得最适宜温度曲线：图2-42.2.9 第二段操作线计算 第二段进口温度和最终变换率都已定，即变换炉出口温度需要计算决定。假设先反应后升温。冷激后气体原始组成：表2.7参数计算结果成分H2COCO2ON2CH
37、4ArH2O合计%18.3514.453.730.149.990.340.1252.88100 最终变换率为88%，氧全部与氢化合成水，则变换气组成： 表2.8参数计算结果成分H2COCO2N2CH4ArH2O合计%30.831.7416.4710.000.340.1240.50100kmol0.33000.0186017630.10710.00360.00130.43361.0705假设出口气体温度为417 变换气在417时的热容：Cp=7.020.3035+7.410.0172+11.80.1632+7.340.0986+13.70.003+4.990.001+9.010.4131=8.7
38、44 kcal/（kmol）由1中4-3-1图查得，417时反应热 -DHR=9161.7 kcal/kmol；第二段热损失取为3代入1中4-9-3式中计算二段出口温度t=400-3 + （0.88-0.75）=416.68与假设相符，可以满足要求，由此可以认为以上计算的变换炉的工艺条件可用。2.2.10 结论 中变炉的工艺条件决定如下进一段温度：420；出一段温度：516；出一段变换率：75%；冷激水量：0.072kmol/kmol湿半水煤气；进二段温度：400；二段温度：416.68；出二段变换率：88%2.3 中温变换炉的物料衡算2.3.1 物料衡算 进一段气体量：干煤气：1kmol；水
39、蒸汽：0.98kmol；合计：1.98kmol各组成： 表2.9 进一段气各组成成分H2COCO2O2N2CH4ArH2O合计%19.6715.494.000.1510.710.360.1349.49100kmol0.38940.30680.07920.0030.2120.00710.00250.981.98出一段变换率：75% 氧全与氢反应成水CO变换量 0.30680.75=0.2301kmol出一段气体量 表2.10 出一段气各组成成分Kmol%H20.3894+0.2301-0.0032=0.613531.03CO0.3068-0.2301=0.07673.88CO20.0792+0.
40、2301=0.309315.65N20.212010.72CH40.00710.36Ar0.00250.13H2O0.98-0.2301+0.0032=0.755938.23合计1.977100进二段变换率：88%二段中，CO变换量：0.3068（0.88-0.75）=0.0399kmol出二段变换气量 表2.11 进二段气各组成成分kmol基准%干基%H20.6135+0.0399=0.653431.8951.82CO0.0767-0.0399=0.03681.802.92CO20.3093+0.0399=0.349217.0427.69O20.21210.3516.81N20.00710.
41、350.56CH40.00250.120.20Ar0.7559-0.0399+0.072=0.788038.45-H2O2.049100-合计1.2610-1002.3.5 热量衡算第一段：CO变换反应热：0.230137530=8635.65kJO2反应热：查1表4-2-1、4-2-4、4-2-5得468时 O2 的反应热H=-246079.5kJ/kmol.Q2=0.003*2*246079.5=1476.48kJ气体升温耗热：查图4-6-14-6-8计算变换气的平均热容）1.97736.74（516-420）=6972.96 kJ热损失：8635.65+1476.48-6972.96=3
42、139.17 kJ第二段：CO变换反应热：0.039938340=1529.77 kJ气体升温耗热：2.04936.61（417-400）=1275.24 kJ热损失：1529.77-1275.24=254.53 kJ2.4 低变换炉的工艺条件计算2.4.1 进出口温度的估计 选用Cu-Zn系催化剂；选取低变炉进气温度为220，出口温度需经计算决定。2.4.2 入低变炉湿气组成同中变炉二段出口组成 表2.12 入低变炉湿气组成成分H2COCO2N2CH4ArH2O合计湿%31.891.8017.0410.350.350.1238.45100干%51.822.9227.6916.810.560.
43、201002.4.3 平衡曲线计算查1中式4-2-2计算得： 表2.13 中变炉二段出口组成t200220240260280xp0.95680.93760.90960.87290.8264由以上数据作平衡曲线图：图2-5以第一组计算为例：t=200；Kp=220.901；A=1.80；B=38.45；C=17.04；D=31.89；w=Kp-1=219.901；u=Kp（A+B）+C+D=220.901（1.80+38.45）+17.04+31.89=8940.179；v=KpAB-CD=220.9011.8038.45-17.0431.89=14745.148；q=（u2-4wv）1/2=8182.72；xp=（u-q）/2Aw 100% =2.4.4 最适宜温度曲线计算由2中4-7-3式计算催化剂Cu-Zn系的E1=43339.6kJ/kmol，取170-250的平均温度（230）下的反应热效应，由1中图4-2-1查得。DH=39960kJ/kmolE2= E1+DH=43339.6+39960=83299.6kJ/kmol表2.14 参数计算结果xp0.