张连花反应器设计.doc

曲靖师范学院 化学化工学院 作者：恐龙 6万吨/年合成氨厂变换工段最佳工艺设计 摘 要 本设计根据经济效益最好的原则，以变换炉催化剂体积最小为目标函数，导出了间接换热式变换炉最佳设计条件式，并通过联合运用Excel、Matlab、Origin及ASPEN PLUS模拟求解，可得出结论为该变换反应采用两段间接换热式，炉高为12.4m，炉径为φ3000×11993，工作压力为20kg/cm2,符合反应炉所允许的压力，一段炉所需的催化剂用量为7.244m3,二段炉所需要的催化剂用量为7.899m3，得出了年产6万吨合成氨厂变换炉所需B113型催化剂的理论体积为15.143m3，可供有关设计部门和生产单位参考。 关键词：间接换热式；最佳设计；变换炉；绝热温升；接触时间；催化剂体积 目 录 1 绪论 1 1.1 CO变换工段 1 1.1.1 CO的变换原理 1 2 设计说明书 1 2.1 变换的目的、任务、基本原理 1 2.1.1 变换的目的 1 2.1.2 变换的任务 1 2.1.3 变换的基本原理 1 2.2 变换工艺条件 1 2.2.1 影响平衡变换绿的因素 1 2.2.2 影响变换反应率的因素 2 2.3 变换催化剂 2 2.3.1 工业生产对催化剂的要求 2 2.3.2 变换催化剂的组成 2 2.4 变换催化剂 3 2.4.1 工业生产对催化剂的要求 3 3 设计计算书 3 3.1 最佳条件式的建立 3 3.2 最佳温度变换率分配方案和接触时间的计算 5 3.2.1 已知条件 5 3.2.2 平衡曲线和最佳温度曲线的绘制 6 3.2.4 用条件式Ⅱ确定二段出口状态 10 3.2.6 变换反应的最佳文与转化率的关系 13 3.2.7 接触时间 14 3.3 催化剂用量计算 15 3.3.1 第一段催化剂用量 15 3.3.2 第二段催化剂用量 16 3.3.3 催化剂总用量 16 3.4 变换炉工艺尺寸的确定 16 3.5 变换炉实际高度和直径的确定 19 参考文献 20 1 绪论 1.1 CO变换工段 1.1.1 CO的变换原理 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变换CO+H2O（g）=CO2+H2 经中温变换，残余的CO可降至3%左右低温变换，CO降至0.3%左右。2.2 变换工艺条件 2.2.1 影响平衡变换率的因素 （1）温度：变换反应是可逆放热反应，对一定初始组成的原料气，温度降低，平衡变换率提高，变换气中的CO的平衡含量减少。 （2）压力：CO变换反应是等体积的反应，压力对变换反应无显著影响。二氧化碳做为产物，其含量增加有利于变换反应，若能除去产物二氧化碳，则可有利于反应向氢气的方向进行，从而提高二氧化碳的变换率。 2.2.2 影响变换反应率的因素 （1）温度：CO变换是一个可逆放热反应，此类反应存在最佳温度。 （2）压力：当气体组成和温度一定时，反应速率随压力的增大而增大，压 力在0.3MPa以下，反应速率与压力的平方根成正比，压力提高，影响就明显了。 （3）H2O/CO：水蒸气与一氧化碳之比对反应速率影响规律与其平衡转化率的影响相似，在H2O/CO低于4时，提高其比值，反应速率增大较快，当H2O/CO大于4后，反应速率随H2O/CO的增大就不明显了。 （4）内扩散的影响：在工业条件下，变换反应的内扩散的影响是显著的，有时表现为强内扩散控制。 2.3 变换催化剂 2.3.1 工业生产对催化剂的要求 根据催化剂作用的特征，为了建立高效率的工业反应，一般对工业催化剂以以下两方面考虑： （1）催化剂的生产能力 ①活性与生产能力 通常催化剂的活性愈高对原料的转化能力愈高，应当指出，在化学反应过程同时涉及物质转变与能量转变，后者的数以热量的形式出现，这必须考虑反应器的热平衡，所以，工业催化剂应具有适宜的催化剂活性。 ②选择性与生产能力 通常催化剂总是要求有良好的选择性，它不仅影响原料的消耗，而且亦影响反应产物的后处理，优良的选择性可以减少后处理工序，节约生产费用，与此同时，在某些场合，选择性是反应过程能稳定进行的必要条件。 2.3.2 变换催化剂 （1）铁~铬系中温度变换催化剂 铁~铬系中温度变换催化剂是以氧化铁为主体，氧化铬为主要促进剂的组分催化剂，铁~铬系催化剂的化学组成为Fe2O3（80%~90%）Cr2O3（7%~11%）并含有少量的K2O、MgO、Al2O3等，四氧化三铁是铁—铬系催化剂的活性组成，还原前以氧化态的形式存在，氧化铬是重要的结构性促进剂。 （2）铜~锌系低变催化剂 铜锌系催化剂是以CuO为主体，ZnO、Cr2O3、