CO变换炉催化剂用量计算.doc

PAGE 1 任务4 CO变换炉催化剂用量计算 知识目标：掌握化学反应速度的表示方法，熟悉气固相催化反应催化剂用量的1~2种计算方法。 技能目标：能用Excel和ChemCAD计算CO中温变换催化剂用量。 一、化学反应速度的表示 （1）反应速度的定义：在单位反应体积中，反应物A的摩尔数随单位时间的变化率。 （5-4-1） 式中 rA——反应物A的反应速率，mol/(m3?s)； nA——反应物A的物质的量数，mol； VR——反应器体积，m3； t——反应时间，s。对于连续反应，常用停留时间τ代替t。 根据这个定义，间歇反应器的反应速率定义为： （5-4-2） 平推流反应器的反应速率定义为： （5-4-3） 式中 CA——物质A的摩尔浓度； NA——物质A的摩尔流量。 （2）CO变换反应动力学方程 对于CO变换反应，其反应速度rA可用下式表示： （5-4-4） 或表示为 （5-4-5） 将NA=NT0?a0(1?x)、NT0=VT0/22.4代入式（5-4-5）得： （5-4-6） (5-4-7) 式中 a、b、c、d——湿半水煤气或湿变换气中CO、H2O、CO2、H2的摩尔分率； a0——变换炉入口湿半水煤气中CO的摩尔分率； NA——湿半水煤气或湿变换气中CO摩尔流量，kmol/h； NT0——变换炉入口湿半水煤气的摩尔流量，kmol/h； VT0——变换炉入口湿半水煤气的标准体积流量，m3（标准）/h； ?0——标准停留时间，h； VR——催化剂体积，m3； kT——反应速率常数，通常由催化剂型所决定，如式（5-4-8）为某中变催化剂的反应速率常数的计算式； Kp——为反应平衡常数，对于在300~520℃的中温变换反应，可由式（5-3-4）计算。 （5-4-8） 式中 C1——压力校正系数； COR——相对活性系数。 二、采用手工计算CO变换催化剂用量 以往手工计算CO变换催化剂用量时通常采用图解积分法，其具体步骤如下： （1）计算绝热操作线方程，其形式如式（5-3-6）所示。也可通过热量衡算，计算出催化剂床层的出口温度和变换率，由催化剂床层进、出口温度和变换率直接得出绝热操作线方程，如式（5-4-9）。 （5-4-9） 由式（5-3-6）或式（5-4-9）计算出一组不同变换率x下对应的气体温度t； （2）计算平衡常数。由平衡常数经验式（5-3-4）计算出上述不同温度t下对应的平衡常数Kp值； （3）计算反应速率常数。根据催化剂的型号，获得相对应的反应速率常数经验式，如式（5-4-8），计算出上述不同温度t下对应的反应速率常数kT值； （4）计算反应速率rA、1/rA。由动力学方程，如式（5-4-6）计算上述不同x、t下以应的r?A、1/r?A； （5）由1/r?A~x数据作图，如图5-4-1所示，计算出图中012x20所围成的面积、?0=a0? ?0； 图5-4-1 图解积分法示意图 （6）计算催化剂体积，VR=VT0? 0。 为提高计算效率，采用图解积分法计算催化剂体积时应注意以下两点： （1）计算催化剂体积之前应先计算催化剂床层出口平衡温距，通常平衡温距应大于15~20℃，否则催化剂用量会随着平衡温距的减小迅速增加； （2）计算数据采用列表方法，方便检查，其表格形式如表5-4-1所示。 表5-4-1 图解积分法计算数据汇总表 x 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 … t Kp kT r?A 1/r?A 三、采用Excel计算CO变换催化剂用量 用Excel计算催化剂用量时可采用差分法，其具体步骤如下： （1）~（4）与图解积分法相同； （5）用区间值代替积分值，计算每一小段（?xi）催化剂床层中的平均反应速度的倒数值； （6）计算出每一小段的值，最后计算出值； （7）计算催化剂体积，VR=VT0? 0。 以下举一实例说明差分法计算催化剂用量的具体过程。 例5-4-1 某日产1000吨合成氨装置的中温变换反应器为绝热固定床反应器，在3.05MPa压力下操作，进口气体摩尔流量NT0＝9707.4kmol/h，CO、H2O(g)、CO2、H2、N2的摩尔分率分别为：0.0810、0.3735、0.0488、0.3535，0.1432，现要求反应器出口CO的摩尔分率降到0.0212，试计算当进口温度分别为360℃、380℃、395℃时的催化剂体积。已知该催化剂在3.05MPa压力下操作时，压力校正系数C1=4.1，相对活性系数COR=0.9。 解：以1小时为计算基准 （1）物料衡算——确定出口组成 x=(a?a?)/a=(0.0810?0.0212)/0.0810=0.738272 因计算