合成氨变换工段工艺设计(8)

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操作压力 1.69 MPa 进口变换气流量 52286.9 进此段变换气气体组成见表3-2。

表3-2入第二变换炉第一段变换气组成

Table3-2composition 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

由已知条件可知道此操作状态下的平均温度为255 ℃，查文献[1]得此温度下的Kp=80.31，根据B302Q型催化剂动力学方程（3-1），代入数据

52286.9dyCO222.4dw?43164?1822(1?106)0.5exp()(0.08420.6)(0.2447)(0.1742?0.3)(0.3808?0.8)8.314?528.217.42?38.08?(1?)80.31?8.42?24.47

积分并解之得：w=8.56m3

故可知道实际催化剂用量为w实=8.6 m3。

3.2.2 第二变换炉第二段催化剂用量计算 已知条件

变换气进口温度 175 ℃ 变换气出口温度 200 ℃ 平均操作压力 1.69 MPa 变换气流量 62852.5 Nm3

进此段催化剂气体组成见表3-3：

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表3-3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

由已知条件可知此操作状态下的平均温度为187 ℃，查文献[1]知道此温度下的Kp=306.53，根据B302Q型催化剂动力学方程

yco2yH2?431640.6?0.3?0.8?1822pexp()ycoyH2Oyco2yH2(1?)，代入数据

22.4dwRTKpycoyH2O0.5H2 35.22

CO 2.01

CO2 18.51 11671.1 521.0

CH4 0.81 513.3 22.9

N2 12.27

H2O 31.18

合计 100

22211.5 1264.9 991.6

56.5

7734.2 19662.9 63060.5 345.3

877.9

2815.2

v0dyco263060.5dyCO222.4dw?431640.6?0.3?1822(1?106)0.5exp()(0.0201)(0.3118)(0.1851)(0.3522?0.8)8.314?460.218.51?35.22?(1?)306.53?2.01?31.18

积分并解之得：w= 24.31

故可知道实际催化剂用量为w实= 24.4。 3.2.3 第二变换炉催化剂床层阻力的计算

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Dt4，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 1.1E?dpB302Q型催化剂的粒度为φ3-5mm，取其平均值为φ 4 mm，即dp=0.004 m，由公式:

E?0.378?0.308dpDt

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代入数据可求得E=0.378。

（1）第二变换炉第一段催化剂床层阻力计算

进一段催化剂床层气体的平均分子量M=18.81，则一段气体在操作条件下，计算如下。 气体的密度

??18.81?8.7?3.78kg/m3

528.2.222.4?273.2

气体质量流速

G?催化剂层高度

52286.9?18.811h ??3491.3kg/m2·

?22.4?(4.0)248.6L=

?4则第一变换炉第二段催化剂层阻力降为：

1.5?(3481.3)1.91?0.378?p?2.1?10???0.38?1.42Mpa 1.133.78?(0.004)0.378?8??4.0??0.68 m

2

（2）第二变换炉第二段催化剂层阻力降计算

进二段催化床层的气体平均分子量为M=18.64，则二段气体在操作条件下，计算如下。气体的密度

??18.64?8.7?4.29kg/m3 474.222.4?273.2气体质量流速

G?催化剂层高度

63060.5?18.811??4210.7kg/m2.h ?22.4?(4.0)2434

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L?24.4??1.99m

4则第二变换炉第二段催化剂层阻力降为：

1.5(.4210.7)1.91?0.378?p?2.1?10???1.71?0.11.13 4.29?(0.004)0.378?5.23kPa?8(4.0)2由以上可以知道第二变换炉催化剂层总的阻力降为

?p总??p1??p2?1.42?5.23?6.66kPa?6.88kPa

由上面计算可以知道总压力降?p总<6.88 kPa，符合要求故催化剂床层直径取4.0 m可用。 3.3

煤气换热器的计算

计算条件

半水煤气平均压力 1.74 MPa 半水煤气流量 1920.7 kmol 半水煤气进口温度 187 ℃ 半水煤气出口温度 200 ℃ 湿半水煤气平均分子量 18.89 湿半水煤气组成见表3-4。

表3-4入第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 % Nm

3

CO2 5.57 2395.6 106.9

CO 24.50 105404 470.6

H2 30.07 12936.0 577.5

CH4 1.19 513.3 22.9

O2 0.24

H2O 20.46

N2 17.98

合计 100 43024.4 1920.7

102.77 9103.1 7734.2 4.6

406.4

345.3

kmol

变换气平均压力 1.0 MPa 变换气流量 1907.3 kmol 变换气进口温度 370 ℃ 变换气出口温度 200 ℃ 变换气平均分子量 18.93 变换气组成见表3-5。

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表3-5进煤气换热器的变换气组分

Table3-5 The composition of the converted gas into the semi-water gas heat exchanger 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

3.3.1 设备直径及管数确定

湿半水煤气的平均温度192 ℃，采用列管换热器，湿半水煤气走管内，变换气走管间。

现取管内气体流速w0?4.5m/s。

??18.89?0.8375kg/m3 22.4T0 （3-4） T管内湿半水煤气质量流速由公式（3-4）[1]计算，即 G半?w0?0p代入数据可得

G半?4.50?0.8375?10??22.06kg/m2?s273.2273.2?193.5

1920.7?18.89?10.07kg/s

3600由以上条件求取半水煤气质量流量w半?列管面积由下式计算：

F??w半 （3-5） G半代入数据可求得所须列管面积F??0.456m2

查文献[2]选用?28?2.5煤气换热管作为列管的换热管，则管子数

n?管板直径由下式确定

0.456?4?1197

(0.028?2?0.0025)236