合成氨变换工段工艺设计(5)

武汉工程大学本科毕业设计

2.4 第二变换炉第一段催化剂层物料及热量衡算 2.4.1 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

?CO?10540.4?88%?9275.56Nm3?414.09kmol

则知CO在此段催化剂层的转化量为

9275.56-6324.26=2951.3Nm3=131.75 kmol

根据以上计算可得CO在此段的转化率为

2951.30?100%?70.0%

4216.2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Kp=20.66。

由前面的计算可知A=9.75、C=20.40、D=45.08代入式（2-1）解得B=30.58 则可以得到汽气比为30.58/100。

此时所需总蒸汽量为

(42723.9?2683.4)?30.58?12244.4Nm3 100则需补充的蒸汽量为

12244.4-2683.4=9561.0 Nm3

此时总的蒸汽量为

42723.9+9561.0=52286.9 Nm3

由以上的计算可求出此时的入炉湿气组成，结果见下表2-7。

表2-7 入第二变换炉第一段变换气组成

Table2-7 The composition of the shift gas inlet the first paragraph of the second shift converter 组分 % Nm3 kmol

H2 38.08 19260.2 854.7

CO 8.42 4216.2 188.2

CO2 17.42 8719.8 389.3

CH4 1.03 513.3 22.9

N2 15.46 7734.2 345.3

H2O 24.47 12244.4 546.7

合计 100 52286.9 2234.2

17

武汉工程大学本科毕业设计

2.4.2 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Kp=20.66，由公式（2-2）代入数据得：

20.66?(17.42?8.42?Xp)(38.08?8.42?Xp)(8.42?8..42?Xp)(24.47?8.42?Xp)

?Xp?58.27%出口湿气体组成计算如下：

CO的量 4216.2?(1?0.7)?1264.9Nm3

1Nm3 CO2的量 8719.8?2951.3?1167.1H2的量 19054.8?2951.3?22211.5Nm3 H2O的量 12244.4?2951.3?9293.1Nm3

由上面的计算可得出出口湿变换气的组成,结果见下表2-8。

表2-8 出第二变换炉第一段催化剂变换气组成

Table2-7 The composition of the gas outlet the first paragraph of the second shift converter 组分 % Nm3 kmol

H2 44.38 22211.5 991.6

CO 2.53 1264.9 56.5

CO2 23.32 11671.1 521.0

CH4 1.02 513.3 22.9

N2 15.46 7734.2 345.3

H2O 18.57 9293.1 414.9

合计 100 52286.9 2234.2

2.4.3 出口温度校核

KP?CO2%?H2%0.2332?0.4438??22.03

CO%?H2O%0.0253?0.1857由上述计算可知与所取Kp相差不大，故不重复计算。 2.4.4 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tm=255 ℃，查文献[1]知

18

武汉工程大学本科毕业设计

(??H)?39762kJ/kmol

则 Q1?3976?2(18?8.2（2）气体温度上升吸热Q2

7?0.6)?64. 6710kJ湿变换气在平均温度255 ℃，平均压力0.94 MPa下，查文献[1]知

Cp(H2)=29.30 kJ/kmol?K Cp(N2)=29.78 kJ/kmol?K Cp(CO)=30.00 kJ/kmol?K Cp(CO2)=45.75 kJ/kmol?K Cp(CH4)=48.22 kJ/kmol?K Cp(H2O)=38.96 kJ/kmol?K 则

CP(m)?0.2284?45.75?0.0318?30.00?0.4363?29.30?0.0103?48.22?0.1556?29.78?0.1376?38.96

?34.68kJ/kmol?K Q2 = 2219.2×34.68×△t

（3）假设热损失Q3=0.8?106kJ/kmol 由热量平衡得 Q1=Q2+Q3

4.67?106?Q2?2219.2?34.68??t?0.83?106 △t=50 ℃

计算温度与出口温度一致，故不需要重复计算。 2.4.5 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30.58/100。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2-9。

表2-9 CO在第二变换炉第一段催化剂平衡转换率

Table 2-9 The equilibrium conversion rate of CO in the first stage of the second shift

converter

T，℃ Kp XP，%

230 125.68 90.45

250 87.50 86.88

270 62.65 84.54

290 46.00 77.72

310 34.54 72.23

330 26.47 66.26

350 20.66 59.91

19

武汉工程大学本科毕业设计

以230 ℃为例进行计算。

在230 ℃时查文献[1]可知此时的Kp=125.68，把数据代入式（2-1）可得：

125.6?pCO2pH2pCOpH2O?(17.42?8.42?XP)(38.08?8.42?Xp)(8.42?8.42?XP)(24.47?8.42?XP)

?XP?90.45由表中数据作图即可求得平衡曲线，见图2-2。 2.4.6 CO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（2-3）计算，查文献[1]知B302Q型催化剂的E1=43340 kJ，在平均温度255 ℃时：(??H)?39762kJ/kmol 则 E2?E1?r(??H)?43340?39762?83102kJ/kmol

由式（2-3）代入数据可计算出最适宜温度，其结果见表2-10。

表2-10 CO在第二段变换炉第一段催化剂最适宜转化温度

Table 2-10 The optimal temperature for CO in the first stage of the second shift converter Xp，% Te，K Tm，K tm，℃

90.45 503.2 470.9 197.7

86.88 523.2 488.4 215.2

84.54 543.2 505.8 232.6

77.72 563.2 523.1 249.9

72.23 583.2 540.3 267.1

66.26 603.2 557.4 284.2

59.91 623.2 574.4 301.2

由以上数据作图即可求得此段最适宜温度曲线，见图2-2。 2.4.7 CO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 60.0%

出口变换率 62.5%（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2-2。

20

武汉工程大学本科毕业设计

100908070转化率，`50403020100150200250温度，℃一段平衡曲线一段最适宜温度一段操作线300350400

2.5 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

34222.2?83.96?28733.0Nm3 100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8802.2 Nm3、9561.0 Nm3。在此段催化剂层须加入的蒸汽量为

28733.0-8802.2-9561.0=10369.8 Nm3。

由此可知进入此段催化剂层的湿气组成，结果见表2-11。

表2-11 入第二变换炉第二段催化剂层变换气组成

Table2-11 The composition of the shift gas inlet the second paragraph of the second shift

converter 组分 % Nm3 kmol

H2 35.22 22211.5 991.6

CO 2.01 1264.9 56.5

CO2 18.51 11671.1 521.0

CH4 0.81 513.3 22.9

N2 12.27 7734.2 345.3

H2O 31.18 19662.9 877.9

合计 100 63060.5 2815.2

可知CO在此段变换量为

10540.4×0.99-(10540.4-1264.9)=1159.5Nm3=51.76 kmol

21