年产 30 万吨合成氨一氧化碳变换工段物料衡算

惠州学院

HUIZHOU UNIVERSITY

年产

化工设计作业

30 万吨合成氨一氧化碳变换工段物料衡算

姓名：刘善艺（070602121） 刘文雄（070602122）

刘誉华（070602123） 宋伟琴（070602124）

指导教师： 王春花 提交日期： 2010年 11 月 2 日

目录

1.前言 ............................................................................................................................................... 1 2.一氧化碳变换方案 ........................................................................................................................ 2

2.1变换原理 ............................................................................................................................. 2 2.2 变换流程 ............................................................................................................................ 2 2.3变换反应的化学平衡 ......................................................................................................... 3

2.3.1变换反应的化学平衡计算 ...................................................................................... 3 2.1.2平衡含量的计算 ...................................................................................................... 3

3.变换工艺的计算 ............................................................................................................................ 3

3.1 中变炉的计算 .................................................................................................................... 3

3.1.1已知条件及计算基准 .............................................................................................. 3 3.1.2 中变炉物料计算 ..................................................................................................... 4 3.1.3 中变炉一段催化剂层物料计算 ............................................................................. 5 3.1.4 中变炉二段催化剂层物料计算 ............................................................................. 7 3.1.5 中变炉三段催化剂床层物料计算 ......................................................................... 8 3.2.低变炉的物料衡算 ............................................................................................................. 9

3.2.1已知条件 .................................................................................................................. 9 3.2.2低变炉的物料衡算 .................................................................................................. 9 3.3. NHD脱碳法 .................................................................................................................... 11

3.3.1 NHD脱碳法物料衡算 .......................................................................................... 11 设计结果一览表 ..................................................................................................................... 12 致谢......................................................................................................................................... 13 参考文献： ............................................................................................................................. 14

1.前言

本设计为年产30万吨合成氨的一氧化碳变换的初步设计，一氧化碳不是合成氨生产所需要的直接原料，而且在一定条件下还会与合成氨的铁系催化剂发生反应，导致催化剂失活。因此，在原料气使用之前，必须将一氧化碳清除。一氧化碳变换是在一定温度、压力下，使半水煤气中CO在催化剂作用下，与水蒸气反应转化为H2和CO2达到除去绝大部分CO，同时制得等量H2。一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。

一氧化碳的变换是一个可逆的放热反应，因此，温升对反应不利，在催化剂活性范围内提高温度可加快反应速度，在同一气体组成和汽气比的条件下选择适宜的温度有利于一氧化碳平衡变换率的提高，以达到最佳的反应效果及最合理的催化剂用量。催化剂的活性温度越低，在相同条件下，CO的平衡变换率越高，即变换气中含CO越低，从而可节省蒸汽用量。

[1]

1

2.一氧化碳变换方案

2.1变换原理

一氧化碳变换是在一定温度、压力下，使半水煤气中CO在催化剂作用下，与水蒸气反应转化为H2和CO2达到除去绝大部分CO，同时制得等量H2。清除一氧化碳分两步进行，第一步是大部分一氧化碳先通过一氧化碳中温变换反应

CO + H2O（g）= CO2 + H2

经中温变换，残余的CO可降至3%左右.第二步是再通过低温变换，将3%的CO降至0.3%左右。

[2]

2.2 变换流程

半水煤气经脱硫后由压缩机三段出来，温度35℃、压力1.8MPa、半水煤气经油水分离器进入饱和热水塔下塔，自下而上经过填料层，于自上而下淋洒的热水逆流接触，提高起饱和水汽量。经过换热器热换热，使半水煤气温度在320℃、汽气比0.5左右进入变换炉一段床层进行变换反应，出一段温度在482℃左右。在第一、二段床层间装有冷凝水喷头，半变换气显热将冷凝水蒸发为水蒸汽，温度降至360℃进入变换炉二段床层，出二段温度在405℃左右进入中间换热器管内与半水煤气换热后温度为350℃进入三段床层。经过三段反应后，出口温度在359℃左右，变换器中CO含量在3%以下。再经低温变换后，CO可降至0.3%左右。再经低温变换的气体组分通过脱碳塔脱去CO2,使其含量降至3%。

冷凝水 半水煤气 饱和热水塔 中温变换炉一段 中温变换炉二段 中温变换炉三段 中温变换炉 脱碳塔 低温变换炉

图1 一氧化碳变换的物料衡算流程图

2

2.3变换反应的化学平衡

2.3.1变换反应的化学平衡计算

由于CO变换反应是在常压或压力不高的条件下进行的，故计算平衡常数时各组分分压表示已足够准确。

Kp=

pco2?pH2pco?pH20?yco2?yH2yco?yH20

-64

lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.67814×10T-36.72508

式中：pCO 、pH2O 、pCO2 、pH2 ——分别为CO、H 2 O、CO 2和H 2各组分的分压； yCO 、yH2O 、yCO2 、yH2 ——分别为CO、H 2 O、CO 2和H 2 摩尔分数。

2.1.2平衡含量的计算

现以1 mol湿原料气为基准ya 、yb、yc 、yd 分别为CO、H 2 O、CO 2和H 2 的摩尔分数，xp为CO的平衡转化率，则各组分平衡含量分别为：ya - ya xp ，yb- yaxp ，yc- ya xp ，和yd - ya xp 。所以

Kp=

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