合成氨变换工段工艺设计(4)

武汉工程大学本科毕业设计

2.3.2 CO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Kp=18.371]，代入式（2-1）得：

18.37?(5.87?24.50?Xp)?(30.07?24.50?2?0.24)(24.50?24.50?XP)?(24.46?24.50?Xp?2?0.24)

?Xp?70.2

则实际变换率为平衡变换率

60?100%?85.47% 70.2由以上计算知实际反应掉的CO的量为

10540.4×0.6=6324.2 Nm3。

出催化剂层干气体量

34024.4?6324.2?3?102.7?40040.5Nm3

由以上计算可得出催化剂干气体组成，见下表2-3。

表2-3 出第一变换炉催化剂变换气干气体组成

Table2-3 The composition of the dried semi-water gas out the first converter 组分 % Nm3 kmol

H2 48.10 19260.2 859.8

CO 10.52 4216.2 188.2

CO2 21.78 8719.8 389.3

CH4 1.28 513.3 22.9

N2 19.32 7734.2 345.3

合计 100 400040.5 1787.5

出一段催化剂层剩余湿气量

34024.4+8802.2-102.7=42723.9 Nm3

.2?6324.2?2?102.7?2683.4 Nm3 剩余蒸汽量 8802剩余CO的量 10540.4-6324.2=4216.2 Nm3 CO在湿气中含量

4216.2?100%?9.87%

42723.9同理，可求出CO2、H2、CH4、N2、H2O在湿气中的含量，结果见下表2-4。

12

武汉工程大学本科毕业设计

表2-4 出第一变换炉催化剂变换气湿气组成

Table2-4 The composition of the wet semi-water gas outlet the first converter 组分 % Nm3 kmol

H2 45.08 19260.2 859.8

CO 9.87 4216.2 188.2

CO2 20.41 8719.8 389.3

CH4 1.20 513.3 22.9

N2 18.10 7734.2 345.3

H2O 5.73 2984.2 133.2

合计 100 42723.9 1907.3

2.3.3 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tm=280 ℃。

查文献[1]知CO变换反应的(??H)?39572kJ/kmol，则由表2-2和表2-4中的数据可求出

Q1?(470.6?188.2)?39550?1.117?107kJ

（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484017 kJ/kmol，则

Q2?4.6?484017?2.226?106kJ

（3）气体温度上升吸热Q3

在平均温度285 ℃和平均压力0.92 MPa下可查出

Cp(H2)=29.38 kJ/kmol?K Cp(N2)=30.39 kJ/kmol?K Cp(CO)=30.57 kJ/kmol?K Cp(CO2)=46.32 kJ/kmol?K Cp(CH4)=49.1 kJ/kmol?K Cp(O2)=31.78 kJ/kmol?K Cp(H2O)= 35.59 kJ/kmol?K 则平均比热容：

CP(m)?0.4508?29.38?0.0987?30.57?0.181?30.39?0.241?46.32?0.012?49.1?0.0573?35.59=33.84 kJ/kmol?K

气体吸热 Q3?1907.3?33.84??t

13

武汉工程大学本科毕业设计

设热损失 Q4 =3.9×106 kJ

由热平衡方程式 Q1?Q2?Q3?Q 4将上述数据代入热平衡方程式知：△t=160 ℃。

可知道结果与实际所取温度一致，故不需要进行重复计算。 2.3.4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： Kp?pCO2pH2pCOpH2O?(C?AXp)?(D?AXp)(A?AXp)?(B?AXp)

可求出各温度下的平衡转化率，结果见表2-5。

表2-5 第一变换炉CO在各温度下的平衡转化率

Table 2-5 The equilibrium conversion rate of CO in the first converter T，℃ Kp

200

230

250

270

290

310

330

350

370

400

220.9 125.7 87.50 62.65 46.00 34.54 26.47 20.66 16.39 13.20

Xp，% 83.22 80.08 77.96 75.66 73.22 70.67 68.06 65.39 62.69 60.00 以200 ℃为例，计算过程如下：

在200 ℃时，查表知Kp=220.90 由式（2-1）知：

Kp?代入数据得：

pCO2pH2pCOpH2O?(C?AXp)?(D?AXp?2?O2%)(A?AXp)?(B?AXp?2?O2%)

220.90?pCO2pH2pCOpH2O?(5.53?24.33XP)(29.86?24.33XP?2?0.24)

(24.33?24.33XP)(21.01?24.33XP?2?0.24)解上式可得：Xp= 0.8322

将以上数据作图可得平衡曲线图，见图2-1。

14

武汉工程大学本科毕业设计

2.3.5 CO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]： Tm?Te （2-3）

RTeE21?InE2?E1E1式中，Tm——最适宜温度，K

Te——平衡温度，K

R——通用气体常数，8.314 kJ/kmol E1、E2——正、逆反应活化能，kJ/kmol

E2?E1?V(??HR)

??HR—— CO变换反应热，kJ/kmol 对于变换反应r =1

查文献[1]可知 E1 = 43340 kJ/kmol，在平均温度280 ℃时，由式：

?H??10000?0.291T?2.845?10?3T2?0.9703?10?6T3

代入数据，可得

??HR=39576.2kJ/kmol。

CO变换的逆反应活化能E2为

E2?E1?(??H)?43340?39576.2?82916.2kJ当Xp=83.22%时，Te=200+273.2=473.2 K 将上面的数据代入式（2-3）可得：

Tm?473.28.314?473.282916.251?ln

39576.243340?445.6K tm = 172.4 ℃。

同理，可分别求出各转化率下的最适宜温度，结果见下表2-6。

15

武汉工程大学本科毕业设计

表2-6 第一变换炉CO转换最适宜温度

Table 2-6 The optimal temperature for CO in the first Shift Converter

Xp，% 83.22 Te，K

473.2

80.08 503.2 473.8 200.6

77.96 523.2 492.6 219.5

75.66 543.2 511.5 238.3

73.22 563.2 530.3 257.1

70.67 583.2 549.2 276.0

68.06 603.2 568.0 294.8

65.39 623.2 586.8 3136

62.69 643.2 605.7 332.5

60.00 663.2 624.5 351.3

Tm，K 445.6 tm，℃

172.4

由以上数据作图可求得最适宜温度曲线，见图2-1。 2.3.6 CO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 60.0%

由此可作出第一变换炉催化剂床层操作线如图2-1所示

90807060转化率，P403020100100200平衡曲线300温度，℃最适宜温度400操作线500

16