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1、吕梁学院本科毕业设计摘 要变换工序序是合成成氨中最最重要的的工序之之一，在在合成氨氨工艺的的流程中中起着非非常重要要的作用用本次设计计为700kt/aa合成氨氨变换工工段的工工艺设计计。本设设计采用用全低变变的工艺艺流程.。根据据有关文文献资料料，完成成物料、热热量的计计算。并并对第一一变换炉炉、第二二变换炉炉、煤气气换热器器以及变变换气换换热器等等主要设设备进行行选型计计算。并并做出了了合成氨氨变换工工段全低低变的工工艺流程程图和设设备布置置图。所所得结果果基本满满足设计计要求，工工艺流程程可行。关键词：合成氨氨；低温温变换；热量衡衡算；物物料衡算算.AbsttracctTrannsfoor
2、m proocesssess iss onne oof tthe mosst iimpoortaant proocesssess, aand it playys aa veery impporttantt roole in thee inndusstryy off syynthhetiic aammooniaa.The tassk iis tthe dessignn off shhiftt prroceess in 70 kt/a NNH3. TThe loww-teempeeratturee shhiftt teechnnoloogy wass addoptted in thiis ccal
3、cculaatioon.AAccoordiing to thee reelevvantt cuultuurall heerittagee daata, coomplletee thhe ccalcculaatioon oof mmateeriaal, calloriies. Fuurthhermmoree, tthe sizze aand typpe oof tthe equuipmmentts wweree deeterrminned succh aas hheatt exxchaangeer, shiift connverrterr, eetc.Alsso ddo tto ssyntthe
4、ssizee ann alll oof tthe ammmoniia ttrannsfoormaatioon wworkk seegmeent loww crraftt fllow chaart andd eqquippmennts chaangiing sett ouut ddiaggramm.Thhe rresuultss meeet thee reequiiremmentts oof tthe dessignn taask welll, thhe ccrafft pproccesss caan ggo.46摘要IAbsttracctIII第一章前前言11.1 变换气气反应原原理11.2
5、CO变变换反应应化学平平衡21.3 CO低低温变换换催化剂剂51.3.1 低低变催化化剂的发发展51.3.2 低低变催化化剂的主主要成分分51.3.3 催催化剂的的活性降降低和中中毒71.4 工艺流流程简述述8第二章物物料衡算算及热量量衡算1102.1设设计条件件102.2 CO全全变换过过程总蒸蒸汽比的的计算1102.3第第一变换换炉催化化剂床层层物料与与热量衡衡算1112.3.1入第第一变换换炉催化化剂床层层汽气比比112.3.2 CCO平衡衡变换率率及出催催化剂床床层气体体的组成成122.3.3 第第一变炉炉热量衡衡算1332.3.4第一一变换炉炉催化剂剂层COO变换反反应平衡衡曲线11
6、42.3.5 CCO在第第一变换换炉催化化剂床层层最适宜宜温度1152.3.6 CCO在第第一变换换炉催化化剂层变变换反应应操作线线162.4 第二变变换炉第第一段催催化剂层层物料及及热量衡衡算1772.4.1 第第二变换换炉第一一段催化化剂层汽汽/气比1772.4.2 第第二变换换炉第一一段催化化剂层CCO的平平衡转化化率计算算182.4.3 出出口温度度校核1182.4.4 第第二变换换炉第一一段催化化剂热量量衡算1182.4.5 第第二变换换炉第一一段催化化剂床层层平衡曲曲线计算算192.4.6 CCO在第第二变换换炉第一一段催化化剂层最最适宜变变换温度度202.4.7 CCO在第第二变
7、换换炉第一一段催化化剂层变变换反应应操作线线202.5 第二变变换炉第第二段催催化剂床床层物料料及热量量衡算2212.5.1 第第二变换换炉第二二段催化化剂层CCO的平平衡转化化率计算算222.5.2第二二变换炉炉第二段段催化剂剂热量衡衡算2222.5.3平衡衡温距校校核2332.5.4第二二变换炉炉第二段段催化剂剂床层平平衡曲线线计算2242.5.5 CCO在第第二变换换炉第二二段催化化剂层最最适宜变变换温度度242.5.6 CCO在第第二变换换炉第二二段催化化剂层变变换反应应操作线线252.6煤煤气换热热器热量量衡算2262.7 变换气气换热器器热量衡衡算2772.7.1进设设备热量量计算
8、2272.7.2出设设备热量量计算228第三章主主要设备备计算2293.1第第一变换换炉的计计算2993.1.1 催催化剂用用量计算算293.1.2 催催化剂床床层阻力力计算3303.2第第二变换换炉的计计算3113.2.1 第第二变换换炉第一一段催化化剂用量量计算3313.2.2 第第二变换换炉第二二段催化化剂用量量计算3323.2.3 第第二变换换炉催化化剂床层层阻力的的计算3333.3煤煤气换热热器的计计算3553.3.1 设设备直径径及管数数确定3363.3.2 设设备规格格的确定定373.3.3 传传热系数数计算3373.3.4 传传热面积积计算4423.3.5 列列管长度度的计算算
9、42主要设备备一览表表43设计结果果及总结结44参考文献献45致谢466第一章 前言言合成氨生生产常用用的原料料包括：焦碳、煤煤、焦炉炉气、天天然气、石石脑油和和重油。不论以固固体、液液体或气气体为原原料，所所得到的的合成氨氨原料气气中均含含有一氧氧化碳。固固体燃料料气化所所得半水水煤气中中的一氧氧化碳含含量为228%30%，烃类类蒸汽转转化为112%13%，焦炉炉转化气气为111%115%，重重油部分分氧化为为44%488%。一一氧化碳碳的清除除一般分分为两次次。大部部分一氧氧化碳，先先通过变变换反应应，即在在催化剂剂存在的的条件下下，一氧氧化碳与与水蒸气气作用生生成氢气气和二氧氧化碳。通通
10、过变换换反应，既既能把一一氧化碳碳变为易易于清除除的二氧氧化碳，同同时，又又可制得得与反应应了的一一氧化碳碳相等摩摩尔的氢氢，而所所消耗的的只是廉廉价的水水蒸气。因因此，一一氧化碳碳的变换换既是原原料气的的净化过过程，又又是原料料气制造造的继续续。最后后，残余余的一氧氧化碳再再通过铜铜氨液洗洗涤法、液液氮洗涤涤法或甲甲烷化法法等方法法加以清清除。变变换工段段是指CCO与水水蒸气反反应生成成二氧化化碳和氢氢气的过过程。目目前，变变换工序序主要有有“全低低变”工工艺和“中中低变”工工艺，此此次设计计运用的的是“全全低变”工工艺“全低变变”工艺是是90年年代在我我国小合合成氨厂厂开始使使用的，是是从
11、“中低变变”演变而而来，使使用低温温活性较较好的BB3022Q、BB3033Q等耐耐硫变换换催化剂剂，各段段进口温温度均在在2000左右右。经过过几年的的发展，随随着耐硫硫低温催催化剂的的开发利利用，“全低变变”的工艺艺和设备备不断完完善，操操作水平平也进一一部提高高，目前前“全低变变”工艺已已进入成成熟阶段段。该工工艺具有有蒸汽消消耗低、系系统阻力力小、生生产强度度大等优优点。1.1 变换气气反应原原理合成氨生生产需要要的原料料气是HH2和N2，而半半水煤气气中含有有约300%左右右的COO，需要要将其除除去。变变换工段段的目的的就是将将半水煤煤气中的的CO除除去，在在本质上上是原料料气净化
12、化的一个个过程。为为了将CCO除去去，工业业上采用用的方法法是:在在催化剂剂存在的的条件下下，利用用较为廉廉价的水水蒸气与与CO反反应，生生成H22和COO2。原料气中中的一氧氧化碳与与水蒸汽汽的变换换反应可可用下式式表示：（1-11）此反应为为可逆放放热反应应，反应应热为4409664J/moll，当开开车正常常生产后后，即可可利用其其反应热热来维持持过程的的继续进进行。在一般情情况下，一一氧化碳碳与水蒸蒸汽直接接进行反反应，其其变换反反应的速速度是很很慢的，如如果用催催化剂催催化，则则可以加加快反应应速度，大大大有利利于变换换反应的的进行。随着一氧氧化碳变变换反应应的进行行，伴随随着微量量
13、的副反反应发生生，主要要有如下下几种：（1）甲甲烷的生生成 (1-22) （1-33）（1-44）（2）一一氧化碳碳的分解解反应（1-55）（3）有有机硫的的转化反反应（1-66）（1-77）（1-88）1.2 CO变变换反应应化学平平衡一氧化碳碳和水蒸蒸汽的变变换反应应系可逆逆反应。其平衡常常数为：（1-99）式中：yyi各各组分的的摩尔分分数r 气体的的逸度系系数KpCO的的平衡常常数由于小合合成氨厂厂的变换换反应多多在压力力2.0 MMPa，温温度为11802500 条件下下进行的的，其逸逸度系数数接近于于1，即即： （1-10）则式（11-9）可可简化为为： （11-111）式中，PP
14、i-各组组分的分分压由于变换换反应是是一个放放热反应应，考虑虑平衡常常数是温温度的函函数，且且随温度度的升高高而降低低。平衡衡常数与与温度关关系的表表达式很很多，数数值各不不相同，这这是由于于恒压热热容等基基础热平平衡数据据不同所所致。本本设计可可采用下下面的公公式计算算1。（1-112）式中，TT温温度，KK（1-113）在变换范范围内，平平衡常数数也可用用下面简简化式计计算：（1-114）式（1-14）在在低温下下计算出出的Kp与式（11-122）及（11-133）相差差较大，温温度越高高误差越越小。CO变换换反应的的化学平平衡的影影响因素素：a. 温温度温度对变变换反应应的影响响较大：温
15、度升升高，反反应速度度加快。从从化学平平衡来看看，降低低反应温温度，增增加蒸汽汽用量，有有利于反反应向生生成氢气气和二氧氧化碳的的方向进进行，可可以提高高CO平平衡转化化率。在在变换反反应的初初期，反反应物浓浓度高，提提高反应应温度，可可加快正正反应；在变换换反应的的后一阶阶段，二二氧化碳碳和氢气气的浓度度增加，逆逆反应速速度加快快，因此此，须设设法降低低反应温温度，使使逆反应应速度减减慢，这这样可以以得到较较高的变变换率。但降低温度也减慢了反应速度，降低了催化剂的生产能力，应综合考虑。对于一氧化碳含量较高的半水煤气，开始反应时，为了加快反应速度，一般要在较高的温度下进行，而在反应的后一阶段，
16、为了使反应比较完全，就必须使温度降低一些，工业上采取的两段中温变换就是根据这一概念设计确定的。对于一氧化碳含量在2%4%的中温变换气体，只需要在230 左右，用低温变换催化剂进行低温变换。此外，反应温度与催化剂的活性有很大的关系，一般工业用的变换催化剂低于某一温度反应便不能正常进行，而高于某一温度也会损坏催化剂，因此一氧化碳变换反应必须在催化剂的适用温度范围内选择合理的工艺条件。b. 压压力一氧化碳碳变换反反应前后后气体的的分子数数相同，若若为理想想气体，压压力对于于反应的的平衡没没有影响响。目前前的工业业操作条条件下：压力44.0MMPa气压压下，温温度为22005000时，压压力对于于变换
17、反反应没有有显著的的影响。但但是在较较高压力力下，反反应物浓浓度增加加，分子子间的有有效碰撞撞次数增增加，可可以加快快变换反反应速度度，提高高催化剂剂的生产产能力。且且各种气气体与理理想气体体有一定定的偏差差，必须须根据各各气体组组分的逸逸度计算算KP，因此此压力对对CO的的变换反反应有一一定的影影响。c. 蒸蒸汽添加加量一氧化碳碳变换反反应为可可逆反应应，增加加蒸汽量量可使反反应向正正方向移移动。因因此，工工业上一一般均采采用加入入一定的的过量水水蒸气的的方法来来提高一一氧化碳碳的变换换率。实际上，当当使用半半水煤气气为原料料，使用用中温铁铁铬催化化剂的工工艺流程程中，一一般采用用H2O（汽
18、汽）/CCO（气气）=(344)/11；在使使用铁镁镁催化剂剂的工艺艺流程中中，一般般采用HH2O（汽汽）/CCO（气气）=(355)/11。d. 二氧化化碳浓度度从一氧化化碳变换换反应的的方程式式来看，如如果出去去生成的的二氧化化碳，有有利于反反应向正正方向进进行，并并使变换换反应接接近于完完成。除除去二氧氧化碳可可以采用用良种方方式：（1）利利用碱性性氧化物物与二氧氧化碳作作用生成成碳酸盐盐，例如如：（1-115）或利用碱碱性氧化化物作为为催化剂剂的的一一种组分分来吸收收二氧化化碳。由由于（11-155）为一一放热反反应，要要对生成成的热量量采取一一定的措措施。更更重要的的是这一一反应进进
19、行到一一定程度度后要进进行更换换催化剂剂，增加加了生产产操作的的复杂性性，因此此在实际际中很少少应用。（2）在在两段变变换催化化剂之间间或中变变和低变变之间，将将气体送送往脱除除二氧化化碳装置置，然后后再进行行第二次次变换。这这种方法法相互干干扰较少少，比较较容易实实现，但但增加了了换热和和脱除二二氧化碳碳的设备备，流程程要复杂杂一些。1.3 CO低低温变换换催化剂剂1.3.1 低低变催化化剂的发发展随着脱硫硫技术的的进展，烃烃类蒸汽汽转化镍镍催化剂剂在工业业上的广广泛应用用，以及及纯净合合成气的的制造，特特别是在在60年年代初，透透平压缩缩机在合合成氨工工业上的的出现，大大系列化化合成氨氨工
20、艺对对原先脱脱除少量量一氧化化碳以及及二氧化化碳的铜铜碱洗工工序，已已显的很很复杂，气气体精制制度不能能达到现现代化工工厂的要要求（CCO+CCO2100 mLLm-33）,因因此从119633年开始始，世界界各国对对低温变变换催化化剂展开开了广泛泛的研究究。铜是合适适的一氧氧化碳催催化剂，能能在较低低温度（22002500 ）下进进行变换换反应，一一氧化碳碳平衡转转换率可可达到999%左左右。但是纯铜铜金属催催化剂在在加热到到具有足足够反应应速度的的温度时时，会因因烧结而而损害表表面结构构，使催催化剂活活性剧减减，因此此必须放放入适当当的结构构性助催催化剂，作作为分散散状铜晶晶粒的间间隔体。
21、工工业上采采用的结结构性助助催化剂剂有高熔熔点、难难还原的的氧化铬铬、氧化化铝、氧氧化锰、氧氧化钡等等，它们们的存在在，可增增加催化化剂抗烧烧结的作作用，延延长催化化剂使用用寿命，增增长催化化剂的成成型性能能和机械械强度。目前，中中小型氮氮肥厂的的低变催催化剂均均采用CCo-MMo系催催化剂。CCo-MMo系变变换催化化剂是以以Co, Moo为有效效组份，以以Al22O3为骨架架，碱金金属或稀稀土金属属的氧化化物为辅辅助催化化剂。CCo-MMo系变变换催化化剂使用用前必须须先进行行硫化，生生成CooS, MoSS2才能获获得高的的活性。硫化反应应为： （11-166）（1-117）1.3.2
22、低低变催化化剂的主主要成分分（1）钴钴钼系宽宽温变换换催化剂剂Co-MMo系宽宽温变换换催化剂剂是近110年来来国内研研制的一一种新型型催化剂剂，它的的特点是是活性温温度低，耐耐硫性强强，使用用温度范范围宽，因因此它能能广泛的的应用与与煤、油油为原料料的小氮氮肥厂，并并实现中中变直接接串低变变的工艺艺流程。也也可以用用它取代代中变催催化剂，实实现Coo-Moo宽温变变换流程程，还可可望用于于三催化化剂工艺艺流程，以以取代目目前三催催化剂流流程中的的Cu-Zn系系低变催催化剂。Co-MMo系宽宽温变换换催化剂剂的化学学物理性性质包括括堆积密密度、抗抗压强度度、形状状及尺寸寸等。Co-MMo系宽宽
23、温变换换催化剂剂的加工工工艺有有混碾法法及浸渍渍法两种种，大多多数Coo-Moo系低变变催化剂剂采用浸浸渍法工工艺，如如B3002Q、BB3033Q、SSB-33等。浸浸渍法是是以球形形为载体体，将催催化剂浸浸渍到载载体内，由由于载体体本身强强度高、相相对密度度小，故故采用这这种方法法生产出出来的催催化剂具具有密度度小，耐耐压强度度大，阻阻力小等等优点。Co-MMo系宽宽温变换换催化剂剂不同于于Cu-Zn系系低变催催化剂在在于它的的耐硫性性特别强强，正常常生产中中对气体体中的硫硫含量没没有上限限要求，不不论多高高都可以以直接进进入。但但对气体体最低含含硫量却却有限制制，即在在一定反反应温度度及
24、蒸汽汽含量下下，要求求气体中中的含硫硫量不低低于一定定值，否否则引起起催化剂剂放硫而而导致失失活。Co-MMo系宽宽温变换换催化剂剂的另一一特点是是可用于于低温变变换，也也可以用用于中温温变换，可可在16602270（低变变用），11604600 （中变变用）的的宽广范范围内使使用。（2）铜铜锌系低低变催化化剂金属铜对对一氧化化碳的低低温变换换具有高高活性，因因此国内内外都把把铜作为为催化剂剂的主活活性相。但但已知纯纯金属铜铜当加热热到足够够反应的的温度时时，会因因烧结而而使表面面积缩小小，从而而失去活活性。因因此必须须加入一一组分或或多组分分的结构构性助催催化剂。铜基催化化剂的助助催化剂剂组
25、分有有ZnOO、Crr2O3、All2O3、MggO、CCuO、TTiO22、MnnO2等。ZZnO用用的最广广泛，最最先出现现的低温温变换催催化剂，就就是由ZZnO和和CuOO两个组组分组成成。ZnnO有促促进催化化剂活性性的作用用，并能能起改进进铜微晶晶长大的的稳定和和分散作作用。但但是铜-锌二组组分催化化剂的热热稳定性性和寿命命不够理理想，后后来相继继出现CCuO-ZnOO-Crr2O3和CuuO-ZZnO-Al22O3催化剂剂。结构构性助催催化剂的的加入不不但和组组分有关关，而且且和加入入方法更更为密切切。用机机械混合合的方法法，往CCuO-ZnOO-Crr2O3催化剂剂中加入入K2O
26、、CCaO、MMgO、AAl2O3、TiiO2、MnnO2则不影影响催化化剂的结结构；但但是用共共沉淀的的方法加加入铝和和锰，将将对催化化剂的性性质产生生明显的的影响。例例如添加加锰的催催化剂，显显示出很很高的活活性和良良好的耐耐热性。目目前以普普遍生产产和采用用的低温温变换催催化剂为为CuOO-ZnnO-CCr2O3和CuuO-ZZnO-Al22O3系，究究竟哪一一种性能能优越，目目前还不不能取得得一致的的意见。但但是就催催化剂生生产的劳劳动条件件来看，CCuO- ZnnO- Al22O3系要比比CuOO-ZnnO-CCr2O3系好，其其制造成成本要看看铝的加加入形式式和来源源。如果果以硝酸
27、酸铝形式式加入，则则成本并并不比加加入氧化化铬低。1.3.3 催催化剂的的活性降降低和中中毒（1） 热烧结当温度超超过2880时，还还原态金金属铜容容易产生生烧结，使使催化剂剂表面积积显著减减少，活活性急剧剧下降。当当温度超超过铜的的熔点（1083 ）一半时，更容易烧结。热烧结引引起催化化剂表面面积减少少，主要要是由于于分散状状铜微晶晶粒，相相邻间的的晶粒在在一定温温度下扩扩散并使使晶粒长长大。从从而使催催化剂活活性下降降；温度度愈高，晶晶粒长大大速度就就愈快，表表面积和和活性的的下降趋趋势愈大大。尽管管作为结结构性助助催化剂剂的高熔熔点氧化化铬和氧氧化铝的的存在，间间隔体对对阻止铜铜晶粒的的
28、长大，也也无济于于事。因因此低温温变换催催化剂的的使用，必必须严格格控制反反应温度度。（2） 物理性破破坏这里所指指的物理理性破坏坏，主要要是指催催化剂在在操作温温度下，由由于水蒸蒸气在催催化剂微微孔内能能够凝聚聚和蒸发发相继反反复进行行，而使使催化剂剂破裂，造造成催化化剂床层层阻力增增大。因因此低温温变换反反应必须须控制在在露点以以上进行行，这样样就使反反映温度度、压力力、蒸汽汽量、干干气量之之间保持持一定的的关系。（3） 卤素中毒毒在相当长长的时间间内，卤卤素对低低变催化化剂的毒毒害作用用被人们们忽视。后后来发现现卤素是是比硫更更厉害的的毒物，进进口气中中氯化物物仅，就就会显著著的毒害害低
29、变催催化剂，氯氯海量在在时，就就认为被被严重污污染。（4） 硫中毒硫是铜基基低变催催化剂的的主要毒毒物之一一。由于于脱硫技技术的发发展，原原料气中中的硫能能脱至以以下，但但原料气气量很大大，极微微量的硫硫化物，经经日积月月累后数数量相当当可观，从从而对低低变催化化剂造成成很大危危害。1.4 工艺流流程简述述全低变的的工艺流流程示意意图见图图1-11。变换气换热器煤气换热器淬冷过滤器淬冷过滤器第一变换炉变换气冷却器油分离器活性炭滤油器半水煤气变换气工段第二变换炉图1-11 低温温变换工工艺流程程示意图图Fig11-1 Schhemaaticc diiagrram of thee loow tte
30、mpperaaturre cconvverssionn proccesss半水煤气气首先进进入油水水分离器器，脱除除部分固固体和液液体杂质质后进入入活性炭炭滤油器器，进一一步脱除除杂质。经经净化的的半水煤煤气进入入变换气气换热器器与从第第二变换换炉出来来的变换换气进行行逆向热热交换，使使其温度度上升到到1800左右，变变换气温温度下降降到1660左右。出出变换气气换热器器的半水水煤气再再进入煤煤气换热热器与从从第一变变换炉出出来的变变换气进进行逆向向热交换换，变换换气自身身的温度度下降到到3000左右，半半水煤气气升温到到2000左右。出出煤气换换热器的的半水煤煤气与来来自管网网的中压压水蒸气
31、气混合，一一方面使使半水煤煤气温度度上升到到变换反反应温度度，另一一方面使使半水煤煤气增湿湿，并达达到设计计要求所所需要的的汽气比比进入第第一变换换炉发生生变换反反应，在在第一变变换炉内内CO的的变换率率可达到到60%左右。经经第一变变换炉变变换后出出来的变变换气进进入煤气气换热器器与半水水煤气逆逆向换热热后进入入淬冷过过滤器II，逆向向与喷淋淋下来的的冷却水水换热并并使冷却却水汽化化，此时时变换气气的温度度下降到到2300 左右，冷冷却水和和变换气气换热后后汽化，从从而使蒸蒸汽含量量达到设设计要求求，湿变变换气进进入第二二变换炉炉第一段段催化剂剂床层进进行变换换反应。经经第二变变换炉第第一段
32、催催化剂床床层变换换反应后后CO的的变换率率可达到到85%左右，温温度上升升到2880 左右进进入淬冷冷过滤器器II，逆逆向与喷喷淋下的的冷却水水进行热热交换，使使其温度度下降到到1900 左右，同同时补充充水蒸气气，达到到设计要要的汽气气比进入入第二变变换炉第第二段催催化剂床床层进行行变换，最最终COO的变换换率可达达到999%。出出第二变变换炉第第二段的的变换气气经过变变换气换换热器后后，再经经过变换换气冷却却器降温温至400左右，去去后续工段段。第二章 物物料衡算算及热量量衡算2.1设设计条件件计算基准准：1吨NH3。设备生产产能力：由设计所所给条件件取每吨吨氨耗用用半水煤煤气35520
33、NNm3,则每每小时的的半水煤煤气用量量为：352009.72222=3342222.22Nm3/h 初始半水水煤气组组成见下下表2-1。表2-11 初始始半水煤煤气组成成Tablle2-1 TThe commposiitioon oof tthe iniitiaal ssemii-waaterr gaas组分CO2COH2CH4O2N2合计%7.030.8837.881.50.322.66100Nm323955.6105440.44129336.00513.3102.777344.2342222.22kmoll106.9470.6577.522.994.6345.315277.82.2 CO
34、全全变换过过程总蒸蒸汽比的的计算选用B3302QQ型催化化剂，设设第二变变炉出口口变换气气温度为为2000，平平衡温距距为244 ，则则计算时时取变换换温度为为t=2224。CO和HH2O的反反应方程程式为：设ABB C DD设CO变变换反应应的变换换量为CO，则则变换反反应的平平衡常数数Kp： （22-1）本设计所所给条件件CO的的变换率率为999%，则则:查文献1可可知在2220时COO变换的的平衡常常数Kp=1400.966。并由由表2-1可知知A、C、D的值分分别为330.88%、77.0%、377.8%，将AA、C、DD和Kp的值代代入式（22-1）求求得：BB=75.0。即即可知总
35、总水气比比为755.0/1000。2.3第第一变换换炉催化化剂床层层物料与与热量衡衡算2.3.1入第第一变换换炉催化化剂床层层汽气比比设CO在在催化剂剂床层转转化率为为60.0%，且且O2全部和和H2燃烧生生成H22O，则则CO的的反应量量COO为： 30.88%660%=18.48NNm3/1000Nm3干半水水煤气则CO的的总反应应量为：设气体出出催化剂剂床层的的温度为为360，取取平衡温温距为220，则则计算所所取温度度为3880。查文献1知知380 时的KKp=14.66，由式式（2-1）代代入数据据可得：解上式得得B=25.772即此时的的汽气比比为255.722/1000。入炉蒸汽
36、汽量入炉湿气气的量3342222.22+88802.2=430024.4 NNm3=19220.77 kmmol由此可计计算出入入炉的湿湿气组成成，结果果见下表表2-22。表2-22 入第一一变换炉炉湿半水水煤气组组成Tablle2-2 TThe commposiitioon oof tthe wett seemi-watter gass innto thee fiirstt shhiftt coonveerteer组分CO2COH2CH4O2H2ON2合计%5.57724.55030.0071.1990.24420.44617.998100Nm323955.61054404129336.00
37、513.3102.7791033.177344.2430224.44kmoll106.9470.6577.522.994.6406.4345.319200.72.3.2 CCO平衡衡变换率率及出催催化剂床床层气体体的组成成设3600时的的平衡变变换率为为Xp， 360时时的Kp=18.3711，代代入式（22-1）得得：则实际变变换率为为平衡变变换率由以上计计算知实实际反应应掉的CCO的量量为105440.440.6=663244.2 Nm33。出催化剂剂层干气气体量由以上计计算可得得出催化化剂干气气体组成成，见下下表2-3。表2-33 出第一一变换炉炉催化剂剂变换气气干气体体组成Tablle
38、2-3 TThe commposiitioon oof tthe driied semmi-wwateer ggas outt thhe ffirsst cconvvertter组分H2COCO2CH4N2合计%48.11010.55221.7781.28819.332100Nm3192660.2242166.287199.8513.377344.24000040.5kmoll859.8188.2389.322.99345.317877.5出一段催催化剂层层剩余湿湿气量340224.44+88002.22-1022.7=427723.9Nmm3剩余蒸汽汽量剩余COO的量1105440.44-6
39、3324.2=442166.2 Nm33CO在湿湿气中含含量同理，可可求出CCO2、H2、CHH4、N2、H2O在湿湿气中的的含量，结结果见下下表2-4。表2-44 出第一一变换炉炉催化剂剂变换气气湿气组组成Tablle2-4 TThe commposiitioon oof tthe wett seemi-watter gass ouutleet tthe firrst connverrterr组分H2COCO2CH4N2H2O合计%45.0089.87720.4411.20018.1105.733100Nm3192660.2242166.287199.8513.377344.229844.2
40、427223.99kmoll859.8188.2389.322.99345.3133.219077.32.3.3 第第一变炉炉热量衡衡算（1）第第一变换换炉内CCO变换换反应放放热量为为Q1气体由2200 上升升到360 ，平均均温度ttm=280 。查文献1知知CO变变换反应应的，则则由表22-2和和表2-4中的的数据可可求出（2）氧氧气和氢氢气燃烧烧放热QQ2查文献2可可知氧气气和氢气气燃烧焓焓为48840117 kkJ/kkmoll，则（3）气气体温度度上升吸吸热Q3在平均温温度2885 和平均均压力00.922 MPPa下可可查出Cp(HH2)=229.338 kJJ/kmmolK C
41、p(N2)=300.399kJ/kmoolKKCp(CCO)=30.57 kkJ/kkmollK Cp(COO2)=446.322kJ/kmoolKKCp(CCH4)=499.1kJ/kmoolKK Cp(O2)=331.778kJ/kmoolKKCp(HH2O)= 355.599kJ/kmoolKK则平均比比热容：=33.84kJJ/kmmolK气体吸热热设热损失失Q4=3.991006 kJJ由热平衡衡方程式式将上述数数据代入入热平衡衡方程式式知：t=160 。可知道结结果与实实际所取取温度一一致，故故不需要要进行重重复计算算。2.3.4第一一变换炉炉催化剂剂层COO变换反反应平衡衡曲线由
42、平衡变变换率的的计算公公式：可求出各各温度下下的平衡衡转化率率，结果果见表22-5。表2-55 第一变变换炉CCO在各各温度下下的平衡衡转化率率Tablle 22-5 Thee eqquillibrriumm coonveersiion ratte oof CCO iin tthe firrst connverrterr T，200230250270290310330350370400Kp220.9125.787.55062.66546.00034.55426.44720.66616.33913.220Xp，%83.22280.00877.99675.66673.22270.66768.006
43、65.33962.66960.000以2000 为为例，计计算过程程如下：在2000 时时，查表表知Kp=2220.990由式（22-1）知知：代入数据据得：解上式可可得：XXp= 00.83322将以上数数据作图图可得平平衡曲线线图，见见图2-1。2.3.5 CCO在第第一变换换炉催化化剂床层层最适宜宜温度查文献可可得最适适宜温度度计算公公式为1： （22-3）式中，TTm最最适宜温温度，KKTe平衡温温度，KKR通通用气体体常数，88.3114 kkJ/kkmollE1、EE2正正、逆反应应活化能能，kJJ/kmmol CCO变换换反应热热，kJJ/kmmol对于变换换反应rr =11查文
44、献1可可知E1=433340 kJ/kmool，在在平均温温度280 时，由由式：代入数据据，可得得=395576.2kJJ/kmmol。CO变换换的逆反反应活化化能E2为当Xp=83.222%时时，Te=2000+2273.2=4473.2 KK将上面的的数据代代入式（22-3）可可得：tm=1172.4 。同理，可可分别求求出各转转化率下下的最适适宜温度度，结果果见下表表2-66。表2-66 第一变变换炉CCO转换换最适宜宜温度Tablle 22-6 Thee optimmal temmperaaturre ffor CO in thee fiirstt Shhiftt CoonveerteerXp，%83.22280.00877.99675.66673.22270.66768.00665.33962.66960.000Te，KK473.2503.2523.2543.2563.2583.2603.2623.2643.2663.2Tm，KK445.6473.8492.6511.5