毕业设计-70 kta合成氨变换工段的工艺设计

摘要变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用本次设计为70KT/A合成氨变换工段的工艺设计。本设计采用全低变的工艺流程。根据有关文献资料，完成物料、热量的计算。并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算。并做出了合成氨变换工段全低变的工艺流程图和设备布置图。所得结果基本满足设计要求，工艺流程可行。关键词合成氨；低温变换；热量衡算；物料衡算ABSTRACTTRANSFORMPROCESSESISONEOFTHEMOSTIMPORTANTPROCESSES,ANDITPLAYSAVERYIMPORTANTROLEINTHEINDUSTRYOFSYNTHETICAMMONIATHETASKISTHEDESIGNOFSHIFTPROCESSIN70KT/ANH3THELOWTEMPERATURESHIFTTECHNOLOGYWASADOPTEDINTHISCALCULATIONACCORDINGTOTHERELEVANTCULTURALHERITAGEDATA,COMPLETETHECALCULATIONOFMATERIAL,CALORIESFURTHERMORE,THESIZEANDTYPEOFTHEEQUIPMENTSWEREDETERMINEDSUCHASHEATEXCHANGER,SHIFTCONVERTER,ETCALSODOTOSYNTHESIZEANALLOFTHEAMMONIATRANSFORMATIONWORKSEGMENTLOWCRAFTFLOWCHARTANDEQUIPMENTSCHANGINGSETOUTDIAGRAMTHERESULTSMEETTHEREQUIREMENTSOFTHEDESIGNTASKWELL,THECRAFTPROCESSCANGO摘要IABSTRACTII第一章前言111变换气反应原理112CO变换反应化学平衡213CO低温变换催化剂5131低变催化剂的发展5132低变催化剂的主要成分5133催化剂的活性降低和中毒714工艺流程简述8第二章物料衡算及热量衡算1021设计条件1022CO全变换过程总蒸汽比的计算1023第一变换炉催化剂床层物料与热量衡算11231入第一变换炉催化剂床层汽气比11232CO平衡变换率及出催化剂床层气体的组成12233第一变炉热量衡算13234第一变换炉催化剂层CO变换反应平衡曲线14235CO在第一变换炉催化剂床层最适宜温度15236CO在第一变换炉催化剂层变换反应操作线1624第二变换炉第一段催化剂层物料及热量衡算17241第二变换炉第一段催化剂层汽/气比17242第二变换炉第一段催化剂层CO的平衡转化率计算18243出口温度校核18244第二变换炉第一段催化剂热量衡算18245第二变换炉第一段催化剂床层平衡曲线计算19246CO在第二变换炉第一段催化剂层最适宜变换温度20247CO在第二变换炉第一段催化剂层变换反应操作线2025第二变换炉第二段催化剂床层物料及热量衡算21251第二变换炉第二段催化剂层CO的平衡转化率计算22252第二变换炉第二段催化剂热量衡算22253平衡温距校核23254第二变换炉第二段催化剂床层平衡曲线计算24255CO在第二变换炉第二段催化剂层最适宜变换温度24256CO在第二变换炉第二段催化剂层变换反应操作线2526煤气换热器热量衡算2627变换气换热器热量衡算27271进设备热量计算27272出设备热量计算28第三章主要设备计算2931第一变换炉的计算29311催化剂用量计算29312催化剂床层阻力计算3032第二变换炉的计算31321第二变换炉第一段催化剂用量计算31322第二变换炉第二段催化剂用量计算32323第二变换炉催化剂床层阻力的计算3333煤气换热器的计算35331设备直径及管数确定36332设备规格的确定37333传热系数计算37334传热面积计算42335列管长度的计算42主要设备一览表43设计结果及总结44参考文献45致谢46第一章前言合成氨生产常用的原料包括焦碳、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油。不论以固体、液体或气体为原料，所得到的合成氨原料气中均含有一氧化碳。固体燃料气化所得半水煤气中的一氧化碳含量为2830，烃类蒸汽转化为1213，焦炉转化气为1115，重油部分氧化为4448。一氧化碳的清除一般分为两次。大部分一氧化碳，先通过变换反应，即在催化剂存在的条件下，一氧化碳与水蒸气作用生成氢气和二氧化碳。通过变换反应，既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时，又可制得与反应了的一氧化碳相等摩尔的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。因此，一氧化碳的变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。最后，残余的一氧化碳再通过铜氨液洗涤法、液氮洗涤法或甲烷化法等方法加以清除。变换工段是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。目前，变换工序主要有“全低变”工艺和“中低变”工艺，此次设计运用的是“全低变”工艺“全低变”工艺是90年代在我国小合成氨厂开始使用的，是从“中低变”演变而来，使用低温活性较好的B302Q、B303Q等耐硫变换催化剂，各段进口温度均在200左右。经过几年的发展，随着耐硫低温催化剂的开发利用，“全低变”的工艺和设备不断完善，操作水平也进一部提高，目前“全低变”工艺已进入成熟阶段。该工艺具有蒸汽消耗低、系统阻力小、生产强度大等优点。11变换气反应原理合成氨生产需要的原料气是H2和N2，而半水煤气中含有约30左右的CO，需要将其除去。变换工段的目的就是将半水煤气中的CO除去，在本质上是原料气净化的一个过程。为了将CO除去，工业上采用的方法是在催化剂存在的条件下，利用较为廉价的水蒸气与CO反应，生成H2和CO2。原料气中的一氧化碳与水蒸汽的变换反应可用下式表示（122COHQ1）此反应为可逆放热反应，反应热为40964J/MOL，当开车正常生产后，即可利用其反应热来维持过程的继续进行。在一般情况下，一氧化碳与水蒸汽直接进行反应，其变换反应的速度是很慢的，如果用催化剂催化，则可以加快反应速度，大大有利于变换反应的进行。随着一氧化碳变换反应的进行，伴随着微量的副反应发生，主要有如下几种（1）甲烷的生成12Q242COHCO（13）3（14）242（2）一氧化碳的分解反应（15）Q2CO（3）有机硫的转化反应（16）SHS22（17）C（18）O2212CO变换反应化学平衡一氧化碳和水蒸汽的变换反应系可逆反应。QHCO22其平衡常数为（19）22COHPOYRK式中YI各组分的摩尔分数R气体的逸度系数KPCO的平衡常数由于小合成氨厂的变换反应多在压力20MPA，温度为180250条件下进行的，其逸度系数接近于1，即（110）21COHRRK则式（19）可简化为（111）22COHCPOYPK式中，PI各组分的分压由于变换反应是一个放热反应，考虑平衡常数是温度的函数，且随温度的升高而降低。平衡常数与温度关系的表达式很多，数值各不相同，这是由于恒压热容等基础热平衡数据不同所致。本设计可采用下面的公式计算1。（13722185LG0LG0621806418PKTTTT12）式中，T温度，K（137252163EXP09LN1450248105894P13）在变换范围内，平衡常数也可用下面简化式计算（114）7LN43PKT式（114）在低温下计算出的KP与式（112）及（113）相差较大，温度越高误差越小。CO变换反应的化学平衡的影响因素A温度温度对变换反应的影响较大温度升高，反应速度加快。从化学平衡来看，降低反应温度，增加蒸汽用量，有利于反应向生成氢气和二氧化碳的方向进行，可以提高CO平衡转化率。在变换反应的初期，反应物浓度高，提高反应温度，可加快正反应；在变换反应的后一阶段，二氧化碳和氢气的浓度增加，逆反应速度加快，因此，须设法降低反应温度，使逆反应速度减慢，这样可以得到较高的变换率。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，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24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压力一氧化碳变换反应前后气体的分子数相同，若为理想气体，压力对于反应的平衡没有影响。目前的工业操作条件下压力40MPA气压下，温度为200500时，压力对于变换反应没有显著的影响。但是在较高压力下，反应物浓度增加，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。且各种气体与理想气体有一定的偏差，必须根据各气体组分的逸度计算KP，因此压力对CO的变换反应有一定的影响。C蒸汽添加量一氧化碳变换反应为可逆反应，增加蒸汽量可使反应向正方向移动。因此，工业上一般均采用加入一定的过量水蒸气的方法来提高一氧化碳的变换率。实际上，当使用半水煤气为原料，使用中温铁铬催化剂的工艺流程中，一般采用H2O（汽）/CO（气）34/1；在使用铁镁催化剂的工艺流程中，一般采用H2O（汽）/CO（气）35/1。D二氧化碳浓度从一氧化碳变换反应的方程式来看，如果出去生成的二氧化碳，有利于反应向正方向进行，并使变换反应接近于完成。除去二氧化碳可以采用良种方式（1）利用碱性氧化物与二氧化碳作用生成碳酸盐，例如（123CAOACA15）或利用碱性氧化物作为催化剂的的一种组分来吸收二氧化碳。由于（115）为一放热反应，要对生成的热量采取一定的措施。更重要的是这一反应进行到一定程度后要进行更换催化剂，增加了生产操作的复杂性，因此在实际中很少应用。（2）在两段变换催化剂之间或中变和低变之间，将气体送往脱除二氧化碳装置，然后再进行第二次变换。这种方法相互干扰较少，比较容易实现，但增加了换热和脱除二氧化碳的设备，流程要复杂一些。13CO低温变换催化剂131低变催化剂的发展随着脱硫技术的进展，烃类蒸汽转化镍催化剂在工业上的广泛应用，以及纯净合成气的制造，特别是在60年代初，透平压缩机在合成氨工业上的出现，大系列化合成氨工艺对原先脱除少量一氧化碳以及二氧化碳的铜碱洗工序，已显的很复杂，气体精制度不能达到现代化工厂的要求（COCO210MLM3）,因此从1963年开始，世界各国对低温变换催化剂展开了广泛的研究。铜是合适的一氧化碳催化剂，能在较低温度（200250）下进行变换反应，一氧化碳平衡转换率可达到99左右。但是纯铜金属催化剂在加热到具有足够反应速度的温度时，会因烧结而损害表面结构，使催化剂活性剧减，因此必须放入适当的结构性助催化剂，作为分散状铜晶粒的间隔体。工业上采用的结构性助催化剂有高熔点、难还原的氧化铬、氧化铝、氧化锰、氧化钡等，它们的存在，可增加催化剂抗烧结的作用，延长催化剂使用寿命，增长催化剂的成型性能和机械强度。目前，中小型氮肥厂的低变催化剂均采用COMO系催化剂。COMO系变换催化剂是以CO,MO为有效组份，以AL2O3为骨架，碱金属或稀土金属的氧化物为辅助催化剂。COMO系变换催化剂使用前必须先进行硫化，生成COS,MOS2才能获得高的活性。硫化反应为（116）22COOHSOOQA（117）3M3H132低变催化剂的主要成分（1）钴钼系宽温变换催化剂COMO系宽温变换催化剂是近10年来国内研制的一种新型催化剂，它的特点是活性温度低，耐硫性强，使用温度范围宽，因此它能广泛的应用与煤、油为原料的小氮肥厂，并实现中变直接串低变的工艺流程。也可以用它取代中变催化剂，实现COMO宽温变换流程，还可望用于三催化剂工艺流程，以取代目前三催化剂流程中的CUZN系低变催化剂。COMO系宽温变换催化剂的化学物理性质包括堆积密度、抗压强度、形状及尺寸等。COMO系宽温变换催化剂的加工工艺有混碾法及浸渍法两种，大多数COMO系低变催化剂采用浸渍法工艺，如B302Q、B303Q、SB3等。浸渍法是以球形为载体，将催化剂浸渍到载体内，由于载体本身强度高、相对密23ALO度小，故采用这种方法生产出来的催化剂具有密度小，耐压强度大，阻力小等优点。COMO系宽温变换催化剂不同于CUZN系低变催化剂在于它的耐硫性特别强，正常生产中对气体中的硫含量没有上限要求，不论多高都可以直接进入。但对气体最低含硫量却有限制，即在一定反应温度及蒸汽含量下，要求气体中的含硫量不低于一定值，否则引起催化剂放硫而导致失活。COMO系宽温变换催化剂的另一特点是可用于低温变换，也可以用于中温变换，可在160270（低变用），160460（中变用）的宽广范围内使用。（2）铜锌系低变催化剂金属铜对一氧化碳的低温变换具有高活性，因此国内外都把铜作为催化剂的主活性相。但已知纯金属铜当加热到足够反应的温度时，会因烧结而使表面积缩小，从而失去活性。因此必须加入一组分或多组分的结构性助催化剂。铜基催化剂的助催化剂组分有ZNO、CR2O3、AL2O3、MGO、CUO、TIO2、MNO2等。ZNO用的最广泛，最先出现的低温变换催化剂，就是由ZNO和CUO两个组分组成。ZNO有促进催化剂活性的作用，并能起改进铜微晶长大的稳定和分散作用。但是铜锌二组分催化剂的热稳定性和寿命不够理想，后来相继出现CUOZNOCR2O3和CUOZNOAL2O3催化剂。结构性助催化剂的加入不但和组分有关，而且和加入方法更为密切。用机械混合的方法，往CUOZNOCR2O3催化剂中加入K2O、CAO、MGO、AL2O3、TIO2、MNO2则不影响催化剂的结构；但是用共沉淀的方法加入铝和锰，将对催化剂的性质产生明显的影响。例如添加锰的催化剂，显示出很高的活性和良好的耐热性。目前以普遍生产和采用的低温变换催化剂为CUOZNOCR2O3和CUOZNOAL2O3系，究竟哪一种性能优越，目前还不能取得一致的意见。但是就催化剂生产的劳动条件来看，CUOZNOAL2O3系要比CUOZNOCR2O3系好，其制造成本要看铝的加入形式和来源。如果以硝酸铝形式加入，则成本并不比加入氧化铬低。133催化剂的活性降低和中毒（1）热烧结当温度超过280时，还原态金属铜容易产生烧结，使催化剂表面积显著减少，活性急剧下降。当温度超过铜的熔点（1083）一半时，更容易烧结。热烧结引起催化剂表面积减少，主要是由于分散状铜微晶粒，相邻间的晶粒在一定温度下扩散并使晶粒长大。从而使催化剂活性下降；温度愈高，晶粒长大速度就愈快，表面积和活性的下降趋势愈大。尽管作为结构性助催化剂的高熔点氧化铬和氧化铝的存在，间隔体对阻止铜晶粒的长大，也无济于事。因此低温变换催化剂的使用，必须严格控制反应温度。（2）物理性破坏这里所指的物理性破坏，主要是指催化剂在操作温度下，由于水蒸气在催化剂微孔内能够凝聚和蒸发相继反复进行，而使催化剂破裂，造成催化剂床层阻力增大。因此低温变换反应必须控制在露点以上进行，这样就使反映温度、压力、蒸汽量、干气量之间保持一定的关系。（3）卤素中毒在相当长的时间内，卤素对低变催化剂的毒害作用被人们忽视。后来发现卤素是比硫更厉害的毒物，进口气中氯化物仅，就会显著的毒害低变催710化剂，氯海量在时，就认为被严重污染。810（4）硫中毒硫是铜基低变催化剂的主要毒物之一。由于脱硫技术的发展，原料气中的硫能脱至以下，但原料气量很大，极微量的硫化物，经日积月累后数量710相当可观，从而对低变催化剂造成很大危害。14工艺流程简述全低变的工艺流程示意图见图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11低温变换工艺流程示意图FIG11SCHEMATICDIAGRAMOFTHELOWTEMPERATURECONVERSIONPROCESS半水煤气首先进入油水分离器，脱除部分固体和液体杂质后进入活性炭滤油器，进一步脱除杂质。经净化的半水煤气进入变换气换热器与从第二变换炉出来的变换气进行逆向热交换，使其温度上升到180左右，变换气温度下降到160左右。出变换气换热器的半水煤气再进入煤气换热器与从第一变换炉出来的变换气进行逆向热交换，变换气自身的温度下降到300左右，半水煤气升温到200左右。出煤气换热器的半水煤气与来自管网的中压水蒸气混合，一方面使半水煤气温度上升到变换反应温度，另一方面使半水煤气增湿，并达到设计要求所需要的汽气比进入第一变换炉发生变换反应，在第一变换炉内CO的变换率可达到60左右。经第一变换炉变换后出来的变换气进入煤气换热器与半水煤气逆向换热后进入淬冷过滤器I，逆向与喷淋下来的冷却水换热并使冷却水汽化，此时变换气的温度下降到230左右，冷却水和变换气换热后汽化，从而使蒸汽含量达到设计要求，湿变换气进入第二变换炉第一段催化剂床层进行变换反应。经第二变换炉第一段催化剂床层变换反应后CO的变换率可达到85左右，温度上升到280左右进入淬冷过滤器II，逆向与喷淋下的冷却水进行热交换，使其温度下降到190左右，同时补充水蒸气，达到设计要的汽气比进入第二变换炉第二段催化剂床层进行变换，最终CO的变换率可达到99。出第二变换炉第二段的变换气经过变换气换热器后，再经过变换气冷却器降温至40左右，去后续工段。第二章物料衡算及热量衡算21设计条件计算基准1吨NH3。设备生产能力T/H729401由设计所给条件取每吨氨耗用半水煤气3520NM3,则每小时的半水煤气用量为352097222342222NM3/H初始半水煤气组成见下表21。表21初始半水煤气组成TABLE21THECOMPOSITIONOFTHEINITIALSEMIWATERGAS组分CO2COH2CH4O2N2合计703083781503226100NM3239561054041293605133102777342342222KMOL1069470657752294634531527822CO全变换过程总蒸汽比的计算选用B302Q型催化剂，设第二变炉出口变换气温度为200，平衡温距为24，则计算时取变换温度为T224。CO和H2O的反应方程式为22HCO设ABCD设CO变换反应的变换量为CO，则变换反应的平衡常数KP（21）2COH2OPK本设计所给条件CO的变换率为99，则CO3089304查文献1可知在220时CO变换的平衡常数KP14096。并由表21可知A、C、D的值分别为308、70、378，将A、C、D和KP的值代入式（21）求得B750。即可知总水气比为750/100。23第一变换炉催化剂床层物料与热量衡算231入第一变换炉催化剂床层汽气比设CO在催化剂床层转化率为600，且O2全部和H2燃烧生成H2O，则CO的反应量CO为308601848NM3/100NM3干半水煤气则CO的总反应量为KMOL28N64108234设气体出催化剂床层的温度为360，取平衡温距为20，则计算所取温度为380。查文献1知380时的KP146，由式（21）代入数据可得3024818303741764B解上式得B2572即此时的汽气比为2572/100。入炉蒸汽量KMOL039N280172534入炉湿气的量34222288022430244NM319207KMOL由此可计算出入炉的湿气组成，结果见下表22。表22入第一变换炉湿半水煤气组成TABLE22THECOMPOSITIONOFTHEWETSEMIWATERGASINTOTHEFIRSTSHIFTCONVERTER组分CO2COH2CH4O2H2ON2合计5572450300711902420461798100NM3239561054041293605133102779103177342430244KMOL106947065775229464064345319207232CO平衡变换率及出催化剂床层气体的组成设360时的平衡变换率为XP，360时的KP18371，代入式（21）得27024052465407308318PPPPXX则实际变换率为平衡变换率478510276由以上计算知实际反应掉的CO的量为1054040663242NM3。出催化剂层干气体量3NM54071264302由以上计算可得出催化剂干气体组成，见下表23。表23出第一变换炉催化剂变换气干气体组成TABLE23THECOMPOSITIONOFTHEDRIEDSEMIWATERGASOUTTHEFIRSTCONVERTER组分H2COCO2CH4N2合计4810105221781281932100NM319260242162871985133773424000405KMOL859818823893229345317875出一段催化剂层剩余湿气量340244880221027427239NM3剩余蒸汽量NM4268710263480剩余CO的量1054046324242162NM3CO在湿气中含量971同理，可求出CO2、H2、CH4、N2、H2O在湿气中的含量，结果见下表24。表24出第一变换炉催化剂变换气湿气组成TABLE24THECOMPOSITIONOFTHEWETSEMIWATERGASOUTLETTHEFIRSTCONVERTER组分H2COCO2CH4N2H2O合计450898720411201810573100NM3192602421628719851337734229842427239KMOL8598188238932293453133219073233第一变炉热量衡算（1）第一变换炉内CO变换反应放热量为Q1气体由200上升到360，平均温度TM280。查文献1知CO变换反应的，则由表22和表24中KJ/OL39572H的数据可求出J1018647071Q（2）氧气和氢气燃烧放热Q2查文献2可知氧气和氢气燃烧焓为484017KJ/KMOL，则KJ106480762（3）气体温度上升吸热Q3在平均温度285和平均压力092MPA下可查出CPH22938KJ/KMOLKCPN23039KJ/KMOLKCPCO3057KJ/KMOLKCPCO24632KJ/KMOLKCPCH4491KJ/KMOLKCPO23178KJ/KMOLKCPH2O3559KJ/KMOLK则平均比热容593071490232461039180858MP3384KJ/KMOLK气体吸热TQ84319073设热损失Q439106KJ由热平衡方程式1234Q将上述数据代入热平衡方程式知T160。可知道结果与实际所取温度一致，故不需要进行重复计算。234第一变换炉催化剂层CO变换反应平衡曲线由平衡变换率的计算公式OHC2PPPAXBADK可求出各温度下的平衡转化率，结果见表25。表25第一变换炉CO在各温度下的平衡转化率TABLE25THEEQUILIBRIUMCONVERSIONRATEOFCOINTHEFIRSTCONVERTERT，200230250270290310330350370400KP2209125787506265460034542647206616391320XP，8322800877967566732270676806653962696000以200为例，计算过程如下在200时，查表知KP22090由式（21）知2COH2OPPPAXDB代入数据得240324013248695902OHC2PPXXP解上式可得XP08322将以上数据作图可得平衡曲线图，见图21。235CO在第一变换炉催化剂床层最适宜温度查文献可得最适宜温度计算公式为1（2221EMTREIN3）式中，TM最适宜温度，KTE平衡温度，KR通用气体常数，8314KJ/KMOLE1、E2正、逆反应活化能，KJ/KMOLRVHCO变换反应热，KJ/KMOLR对于变换反应R1查文献1可知E143340KJ/KMOL，在平均温度280时，由式3263029845109710HTTT代入数据，可得395762KJ/KMOL。RCO变换的逆反应活化能E2为KJ8916239576402H当XP8322时，TE20027324732K将上面的数据代入式（23）可得K645430258916LN239718MTM1724。同理，可分别求出各转化率下的最适宜温度，结果见下表26。表26第一变换炉CO转换最适宜温度TABLE26THEOPTIMALTEMPERATUREFORCOINTHEFIRSTSHIFTCONVERTERXP，8322800877967566732270676806653962696000TE，K4732503252325432563258326032623264326632TM，K4456473849265115530354925680586860576245TM，1724200621952383257127602948313633253513由以上数据作图可求得最适宜温度曲线，见图21。236CO在第一变换炉催化剂层变换反应操作线由第一变换炉催化剂变换率及热平衡计算可知入口气体温度200出口气体温度370入口CO变换率0出口CO变换率600由此可作出第一变换炉催化剂床层操作线如图21所示0102030405060708090100200300400500温度，转化率，平衡曲线最适宜温度操作线24第二变换炉第一段催化剂层物料及热量衡算241第二变换炉第一段催化剂层汽/气比设在此段CO的总转化率达到88，可知CO在此段催化剂层的总转化量为KMOL094156927841053NMCO则知CO在此段催化剂层的转化量为92755663242629513NM313175KMOL根据以上计算可得CO在此段的转化率为0712463095设气体入口、出口温度分别为230、280，平衡温距取70，则出口气体平衡温度为350。查文献1知此时的KP2066。由前面的计算可知A975、C2040、D4508代入式（21）解得B3058则可以得到汽气比为3058/100。此时所需总蒸汽量为3NM41205834269473则需补充的蒸汽量为1224442683495610NM3此时总的蒸汽量为42723995610522869NM3由以上的计算可求出此时的入炉湿气组成，结果见下表27。表27入第二变换炉第一段变换气组成TABLE27THECOMPOSITIONOFTHESHIFTGASINLETTHEFIRSTPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER组分H2COCO2CH4N2H2O合计3808842174210315462447100NM31926024216287198513377342122444522869KMOL8547188238932293453546722342242第二变换炉第一段催化剂层CO的平衡转化率计算由出口平衡温度350，查文献1知KP2066，由公式（22）代入数据得27584287403160PPPXXX出口湿气体组成计算如下CO的量916404163NMCO2的量7329587H2的量35H2O的量141N由上面的计算可得出出口湿变换气的组成,结果见下表28。表28出第二变换炉第一段催化剂变换气组成TABLE27THECOMPOSITIONOFTHEGASOUTLETTHEFIRSTPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER组分H2COCO2CH4N2H2O合计4438253233210215461857100NM32221151264911671151337734292931522869KMOL991656552102293453414922342243出口温度校核032185702342OHCKP由上述计算可知与所取KP相差不大，故不重复计算。244第二变换炉第一段催化剂热量衡算（1）CO放热Q1设第二变换炉一段内CO变换反应放热量为Q1气体由230升至280，平均温度TM255，查文献1知KJ/OL39762H则61804710KJQ（2）气体温度上升吸热Q2湿变换气在平均温度255，平均压力094MPA下，查文献1知CPH22930KJ/KMOLKCPN22978KJ/KMOLKCPCO3000KJ/KMOLKCPCO24575KJ/KMOLKCPCH44822KJ/KMOLKCPH2O3896KJ/KMOLK则02857031804369146971836KJ/MOLKPQ2221923468T（3）假设热损失Q3KJ/KMOL6108由热量平衡得Q1Q2Q36479468031TT50计算温度与出口温度一致，故不需要重复计算。245第二变换炉第一段催化剂床层平衡曲线计算入此段催化剂床层汽/气比为3058/100。根据入此段催化剂床层的气体组成，计算各温度下的平衡转化率，结果如表29。表29CO在第二变换炉第一段催化剂平衡转换率TABLE29THEEQUILIBRIUMCONVERSIONRATEOFCOINTHEFIRSTSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTERT，230250270290310330350KP12568875062654600345426472066XP，9045868884547772722366265991以230为例进行计算。在230时查文献1可知此时的KP12568，把数据代入式（21）可得4590428742803176122PPPPOHCXXXP由表中数据作图即可求得平衡曲线，见图22。246CO在第二变换炉第一段催化剂层最适宜变换温度最适宜温度可由式（23）计算，查文献1知B302Q型催化剂的E143340KJ，在平均温度255时KJ/MOL39762H则2140ER80KJ/OL由式（23）代入数据可计算出最适宜温度，其结果见表210。表210CO在第二段变换炉第一段催化剂最适宜转化温度TABLE210THEOPTIMALTEMPERATUREFORCOINTHEFIRSTSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTERXP，9045868884547772722366265991TE，K5032523254325632583260326232TM，K4709488450585231540355745744TM，1977215223262499267128423012由以上数据作图即可求得此段最适宜温度曲线，见图22。247CO在第二变换炉第一段催化剂层变换反应操作线由一段催化剂变换率及热平衡计算结果可知入口气体温度230出口气体温度280入口变换率600出口变换率625（总变换率85）由以上数据即可作出此段催化剂床层的操作线，见图22。0102030405060708090100150200250300350400温度，转化率，一段平衡曲线一段最适宜温度一段操作线25第二变换炉第二段催化剂床层物料及热量衡算由前面的计算可知在CO的变换过程中须加入的总蒸汽量为3NM02871096342第一变换炉催化剂层及第二变换炉第一段催化剂层加入的蒸汽量分别为88022NM3、95610NM3。在此段催化剂层须加入的蒸汽量为2873308802295610103698NM3。由此可知进入此段催化剂层的湿气组成，结果见表211。表211入第二变换炉第二段催化剂层变换气组成TABLE211THECOMPOSITIONOFTHESHIFTGASINLETTHESECONDPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER组分H2COCO2CH4N2H2O合计3522201185108112273118100NM322211512649116711513377342196629630605KMOL991656552102293453877928152可知CO在此段变换量为1054040991054041264911595NM35176KMOLCO在此段的转化率为67910126459251第二变换炉第二段催化剂层CO的平衡转化率计算由出口平衡温度200，查文献1知道此时的KP22090，由公式（22）代入数据得689501283012502PPPPXXX由上面的计算可得出出口湿变换气的组成，结果见表212。表212出第二变换炉催化剂层湿变换气组成TABLE212THECOMPOSITIONOFTHEWETSHIFTGASOUTLETTHESECONDSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTER组分H2COCO2CH4N2H2O合计3718017203508212302934100NM32337101054128306513377342185034630605KMOL104334757282293453826028152出变换炉的干变换气组成见表213。表213出第二变换炉第二段催化剂层干变换气组成TABLE213THECOMPOSITIONOFTHEDRIEDSHIFTGASOUTLETTHESECONDPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTER组分H2COCO2CH4N2合计524502428781131734100NM32316561054128306513377342445571KMOL10442475728229345319891252第二变换炉第二段催化剂热量衡算（1）CO放热Q1设第二变换炉二段内CO变换反应放热量为Q1出此段催化剂床层的温度200，进口温度175，平均温度TM187，查文献14026KJ/MOLH则6172510KJQ（2）气体温度上升吸热Q2气体由175上升至200，在平均温度TM187，压力10MPA下，查文献1知CPH22919KJ/KMOLKCPN22962KJ/KMOLKCPCO2978KJ/KMOLKCPCO24553KJ/KMOLKCPCH44435KJ/KMOLKCPH2O3945KJ/KMOLK平均热容为KKJ/MOL7035293405842035401781192PTQ2812（3）假设热损失Q3KJ。61由Q1Q2Q36650289357015TT25计算温度与出口温度一致，故不需要重复计算。253平衡温距校核2COH20413685079PPK查得当时，T2202，温距为2202200202与所取温距3251P相近，故不需要重复计算。254第二变换炉第二段催化剂床层平衡曲线计算入此段催化剂床层汽/气比为466/100。根据入此段催化剂床层的气体组成，计算各温度下的平衡转化率，结果如表214。表214CO在第二变换炉第二段催化剂平衡转换率TABLE214THEEQUILIBRIUMCONVERSIONRATEOFCOINTHESECONDPARAGRAPHOFTHESECONDSHIFTCONVERTERT，160180200220240260280KP589643602722990152401044873805353XP，9825971595269334903686508160由表中数据作图即可求得平衡曲线，见图23。255CO在第二变换炉第二段催化剂层最适宜变换温度最适宜温度可由式（23）计算，查文献1知型B302Q催化剂的E143340KJ，在平均温度187时，则有KJ/MOL5402H2134025835/LRER由式（23）代入数据可计算出最适宜温度，其结果见表215。表215CO在第二段变换炉第二段催化剂最适宜转化温度TABLE210THEOPTIMALTEMPERATUREFORCOINTHESECONDSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTERXP，9825971595269334903686508160TE，K4332453247324932513253325532TM，K4092426944464623479849725146TM，1360153717141892206622402414由以上数据作图即可求得最适宜温度曲线，见图23。020406080100120100150200250300温度，转化率，二段平衡曲线二段最适宜温度二段操作线256CO在第二变换炉第二段催化剂层变换反应操作线由二段催化剂变换率及热平衡计算结果可知此段入口气体温度175出口气体温度200入口变换率6250出口变换率9333（总变换率99）由以上数据即可作出此段催化剂床层的操作线，见图23。020406080100120100150200250300温度，转化率，二段平衡曲线二段最适宜温度二段操作线图23第二变换炉第一段平衡曲线、最适宜温度曲线、操作线FIG23THEEQUILIBRIUMTEMPERATURECURVE,OPTIMALTEMPERATURECURVEANDOPERATINGLINEFORTHESECONDSTAGEOFTHESECONDSHIFTCONVERTER26煤气换热器热量衡算（1）已知条件进设备半水煤气量（干）15278KMOL进设备变换气量19207KMOL出设备半水煤气量（湿）19207KMOL出设备变换气量19207KMOL进设备半水煤气温度T出设备半水煤气温度200进设备变换气温度360出设备变换气温度200（2）热量衡算半水煤气带入热Q1设半水煤气进口温度为187，查184，10MPA下半水煤气各组分的比热容并求出平均比热容CPM3075KJ/KMOLK。T7530812过热蒸汽带入热Q2查文献3可知在260，10MPA下水蒸汽的焓为2902KJ/KG，故KJ105329018362Q半水煤气带出热Q3在200，10MPA下的半水煤气的平均比热容为CPM3449KJ/KMOLK。KJ102304932163出设备变换气带走热量Q4200时，变换气的平均比热容为CPM3449KJ/KMOLK。KJ10243093712064设热损失Q5278106KJ由热量衡算知12345Q代入数据计算可得T1854与所设温度相近，故不需要重复计算。即入设备半水煤气温度为187。27变换气换热器热量衡算根据前面的计算，进出变换气换热器的物料参数为进出设备变换气量（湿）28152KMOL进设备变换气温度200进出设备半水煤气量（干）15278KMOL出设备变换气温度155出设备半水煤气温度187但进设备半水煤气温度还未知，设为T。271进设备热量计算（1）变换气带入热Q1在200、10MPA下，查文献1知平均比热容为3702KJ/KMOLK。KJ6110920137285（2）半水煤气带入热Q2设进设备半水煤气温度为125、在压力10MPA下，查文献1可计算出此时的平均比热容为3057KJ/KMOLK。TQ5730812272出设备热量计算（1）变换气带出热在155、10MPA下，查文献1计算平均比热容为3269KJ/KMOLK。KJ102641569328153Q（2）半水煤气带出热在187、10MPA下，查文献1计算平均比热容为2978KJ/KMOLK。KJ10538729815764设Q5414106KJ由12345Q可得T1262与假设温度相近,故不需计算。即进设备半水煤气温度为125。第三章主要设备计算31第一变换炉的计算已知条件平均操作压力174MPA一段气体进口温度200一段气体出口温度360一段气体进口流量（干）342222NM3一段气体出口流量432226NM3一段出口CO含量1052一段入口汽气比R02572催化剂型号B302Q进此段催化剂气体成分（湿）见表31表31进一变换炉湿半水煤气组成TABLE22THECOMPOSITIONOFTHEWETSEMIWATERGASINTOTHEFIRSTSHIFTCONVERTER组分CO2COH2CH4O2H2ON2合计5572450300711902420461798100NM3239561054041293605133102779103177342430244KMOL106947065775229464064345319207311催化剂用量计算根据B302Q催化剂宏观动力学方程得（314316EXP1822222803050OHCPHCOCOCOYKYYRTDWN1）式中，各组分湿基摩尔分率22,COHCOOYYR通用气体常数，8314KJ/（MOLK）T气体温度，KKPCO反应平衡常数CO反应速度，MOL/H4770反应速率常数16040反应活化能，J/MOL则由上式可推出（32）22220050603843118EXP14COCOHCOHOCOPOVDYYYWRTK式中，V0气体的体积，NM3T平均温度，K5372查文献1得CO的平衡常数KP4959，的含量由557上升到2178，将2COY以上数据代入式（32）2531486EXP462059473130746250184238632WYDCO积分并解之得W226M3考虑到一段催化剂床层操作条件较恶劣，油污、杂质较多，备用系数取12，故实际催化剂用量取27312催化剂床层阻力计算变换炉设计应考虑催化剂床层的阻力降，阻力降与设备直径及催化剂床层高度有关，这里要求低变催化剂的床层阻力688KPA。取催化剂的床层直径30催化剂床层的阻力降由公式下式（33）计算TD（3LEDFGPP1012983）式中变换气通过催化剂床层的压力降，MPAPF摩擦系数，一般取15G变换气质量流率，KG/M2H气体的重度，KG/M3L催化剂床层高度，M0378PTDED催化剂颗粒直径，MPD催化剂床层直径，MTDB302Q型催化剂为球型催化剂，其粒度为35MM，取其值为4MM，则有M04PD由公式，代入数据可得0378TED378043807气体平均分子量M1889，则在此操作条件下气体的密度KG/M2H637825491气体质量流速KG/M2H75096341892732G催化剂床层高度M803472L由以上数据得催化剂床层压降为MPA562380710623591028P由以上结