合成氨变换工段工艺设计(7)

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查文献[3]可知在260 ℃，1.0 MPa下水蒸汽的焓为2902 kJ/kg，故

Q2?393.0?18?2902?20.53?106kJ

半水煤气带出热Q3：

在200℃，1.0MPa下的半水煤气的平均比热容为Cp(m)=34.49 kJ/kmol?K。

Q3?1934.2?34.49?200?13.22?106 kJ

出设备变换气带走热量Q4：

200℃时，变换气的平均比热容为Cp(m)=34.49 kJ/kmol?K。

Q4?1920.7?34.49?200?13.24?106kJ

设热损失 Q5=2.78×106 kJ 由热量衡算知 Q1?Q2?Q3?Q4?Q 5代入数据计算可得 t=185.4 ℃

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 ℃。 2.7 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）：2815.2 kmol 进设备变换气温度：200 ℃ 进出设备半水煤气量（干）：1527.8 kmol 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。 2.7.1进设备热量计算 （1）变换气带入热Q1

在200 ℃、1.0 MPa下，查文献[1]知平均比热容为37.02 kJ/kmol?K。

Q1?2815.2?37.13?200?20.91?106kJ

（2）半水煤气带入热Q2

设进设备半水煤气温度为125 ℃、在压力1.0 MPa下，查文献[1]可计算出此时的平均比热容为30.57 kJ/kmol?K。

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Q2?1527.8?30.57?t

2.7.2出设备热量计算 （1）变换气带出热

在155 ℃、1.0 MPa下，查文献[1]计算平均比热容为32.69 kJ/kmol?K。

Q3?2815.2?32.69?155?14.26?106 kJ

（2）半水煤气带出热

在187 ℃、1.0 MPa下，查文献[1]计算平均比热容为29.78 kJ/kmol?K。

Q4?1527.8?29.78?187?8.53?106 kJ

设 Q5=4.14×106 kJ 由 Q1?Q2?Q3?Q4?Q 5可得 t=126.2 ℃

与假设温度相近,故不需计算。即进设备半水煤气温度为125 ℃。

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第三章 主要设备计算

3.1

第一变换炉的计算 已知条件：

平均操作压力：1.74 MPa 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）：34222.2 Nm3

一段气体出口流量：43222.6 Nm3 一段出口CO含量：10.52 一段入口汽气比R：0.2572 催化剂型号：B302Q 进此段催化剂气体成分（湿）见表3-1：

表3-1 进一变换炉湿半水煤气组成

Table2-2 The composition of the wet semi-water gas into the first shift converter 组分 % Nm3 kmol

CO2 5.57 2395.6 106.9

CO

H2

CH4 1.19 513.3 22.9

O2 0.24 102.77 4.6

H2O 20.46 9103.1 406.4

N2 17.98 7734.2 345.3

合计 100 43024.4 1920.7

24.50 30.07 105404 12936.0 470.6 577.5

3.1.1 催化剂用量计算

根据B302Q催化剂宏观动力学方程得 ??dNCO2yCO2yH2?431640.60.5?0.3?0.8 ?182p2exp()ycoyH2OyCOy(1?) （3-1）H22dwRTKPyCOyH2O式中，yco2,yH2,yco,yH2O——各组分湿基摩尔分率

R——通用气体常数，8.314 kJ/（mol·K） T——气体温度，K Kp——CO反应平衡常数 γ——CO反应速度，mol/h 4770——反应速率常数 16040——反应活化能，J/mol

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则由上式可推出:

v0dyco222.4dw?1822p0.5exp(yco2yH2?431640.6?0.3?0.8)ycoyH2Oycoy(1?) （3-2） H22RTKpycoyH2O式中，V0—气体的体积，Nm3

T—平均温度， T?200?360?273.2?553.2K 2查文献[1]得CO的平衡常数Kp=49.59，yco2的含量由5.57上升到21.78，将以上数据代入式（3-2）：

34222.2dyCO22.4dw2?5.57?30.7?????43164?1822?103?0.24500.6?0.2046?0.307?0.8??1?exp???49.59?24.50?20.46???8.314?553.2??

积分并解之得 w=2.26m3

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1.2，故实际催化剂用量取2.7 3.1.2 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<6.88 kPa。

取催化剂的床层直径Dt 3.0催化剂床层的阻力降由公式下式（3-3）计算 ?p?2.1?10?8fG1.91?E ?L （3-3）1.1E?dp式中：?p——变换气通过催化剂床层的压力降，MPa

f ——摩擦系数，一般取1.5 G ——变换气质量流率，kg/m2·h

?——气体的重度，kg/m3 L——催化剂床层高度，m

E?0.378?0.308dpDt

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dp——催化剂颗粒直径，m Dt——催化剂床层直径，m

B302Q型催化剂为球型催化剂，其粒度为3-5 mm，取其值为4 mm，则有

dp?0.004m

由公式E?0.378?0.308dpDt，代入数据可得

0.004?0.378 3.0E?0.378?0.308?气体平均分子量M=18.89，则在此操作条件下 气体的密度

??18.89?8.7?3.62kg/m2·h 553.222.4?273.2气体质量流速

G?催化剂床层高度

42723.9?18.891h ??5096.7kg/m2·

?22.4?3.0242.7L???0.38m

4由以上数据得催化剂床层压降为

?8(3.0)21.5?(5096.7)1.91?0.378?p?2.1?10???0.38?2..56Mpa 1.133.62?(0.004)0.378

由以上结果可知?p<6.88 kPa，符合要求，故催化剂床层直径取3.0 m

第二变换炉的计算

3.2

3.2.1 第二变换炉第一段催化剂用量计算 已知条件

变换气进口温度 230 ℃ 变换气出口温度 280 ℃

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