河北科技大学 化学反应工程课程设计
- 格式：doc
- 大小：4.68 MB
- 文档页数：31
课程设计课程名称：化学反应工程课程设计学生姓名： xxx 学号：0901012xx学院：化学与制药工程学院专业：化学工程与工艺班级化工092班指导教师：张向京（副教授）刘润静（教授）2012年6月化学反应工程课程设计任务书某日产1000吨合成氨的装置中的中温变换反应器在30.5atm 下操作，进口气体流量NT 0=9000kmol/h ，采用Φ9*9mm 催化剂，堆密度1500kg/m 3,催化床直径为4m ，高度为1.5m,催化剂有效因子为0.6。
2222CO H 0.5CO CO CO CO H Od (1) mol/(h.g)d T P p p N k p p W K p p -=- 式中60.524900310exp() mol/(h.g.atm )T g k R T=⨯⨯-要求： 1、采用龙格库塔方法求微分方程的数值解；2、进口温度的初值可设定为334℃，在初始温度与400℃之间取5个温度点进行计算，绘制（1）在不同进口温度下床层温度随床层高度的变化曲线；（2）床层出口温度随入口温度变化曲线。
并对结果进行讨论。
3、以给定的进口流量为中心，选择5个不同进口流量，间隔为150kmol/h ，绘制（1）在不同进口流量下床层温度随床层高度的变化曲线；（2）床层出口温度随进口流量变化曲线。
并对结果进行讨论。
4、可用VB 程序或EXCEL 进行计算5、比热、热效应、平衡常数可以查阅《化学工程手册》目 录1工艺过程介绍 (1)1.1目前工业上常用的一氧化碳转换方法 (1)1.1.1甲烷化法 (1)1.1.2制氢气法 (1)1.2工艺方法的确定 (1)1.2.1工艺流程 (2)1.2.2工艺条件 (2)1.3影响反应的工艺条件 (2)1.3.1温度 (2)1.3.2压力 (3)1.3.3水气比 (3)2动力学模型的选取和反应器数学模型的建立 (4)2.1动力学模型的选取 (4)2.1.1CO变换反应的本征动力学方程 (4)2.1.2CO变换反应的宏观动力学方程 (4)2.1.3总体反应速率 (4)2.1.4绝热式固定床反应器的选择 (5)2.2反应器数学模型的建立 (5)2.2.1物料衡算 (5)2.2.2能量衡算 (6)2.2.3公式推导 (7)2.3考虑催化剂有效因子的分析 (8)2.3.1宏观反应速率 (8)2.3.2根据等摩尔反应的特点进行分析 (8)3模型参数选取 (9)3.1定压摩尔热容 (9)3.1.1各种气体与温度的关系[8] (9)3.1.2反应初始条件 (10)3.2反应热 (10)3.3平衡常数Kp (10)4计算方法的确定 (11)4.1确定解微分方程组的方法 (11)4.1.1微分方程的推导 (11)4.2龙格库塔法求微分方程的数值解 (13)4.2.1龙格库塔常用公式的形式 (13)5计算过程 (14)5.1在不同进口温度下床层温度随床层高度的变化 (14)5.1.1数据处理 (14)5.1.2关系曲线 (16)5.2床层出口温度随入口温度的变化 (17)5.2.1数据处理 (17)5.2.2关系曲线 (18)5.3在不同进口流量下床层温度随床层高度的变化 (19)5.3.1数据处理 (19)5.3.2关系曲线 (21)5.4床层出口温度随进口流量的变化 (22)5.4.1数据处理 (22)5.4.2关系曲线 (23)6结果与讨论 (24)6.1不同进口温度下床层温度随床层高度的变化 (24)6.1.1由图中曲线得出的结论 (24)6.1.2产生结论的原因推测 (24)6.2床层出口温度随入口温度的变化 (25)6.2.1由图中曲线得出的结论 (25)6.2.2产生结论的原因推测 (25)6.3不同进口流量下床层温度随床层高度的变化 (25)6.3.1由图中曲线得出的结论 (25)6.3.2产生结论的原因推测 (25)6.4床层出口温度随进口流量的变化 (25)6.4.1由图中曲线得出的结论 (25)6.4.2产生结论的原因推测 (25)1工艺过程介绍氨在化工生产中占有非常重要的地位，主要用于制造化肥。
合成氨的生产主要分为：原料气的制取；原料气的净化与合成。
粗原料气中常含有大量的CO，由于CO是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理[1]。
1.1目前工业上常用的一氧化碳转换方法目前工业上常用的一氧化碳转换方法主要有甲烷化法及制氢气法。
现分别介绍如下，同时形成对比：1.1.1甲烷化法甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7%。
甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。
甲烷化反应如下：CO+3H2→CH4+H2O =-206.2kJ/molCO2+4H2→CH4+2H2O =-165.1kJ/mol1.1.2制氢气法CO + H2O(g) CO2 + H2ΔH= - 41.19KJ/mol这是一个可逆放热反应。
先经过CO变换反应，使其转化为易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。
因此，CO变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。
所以这里我们采用这种方法进行一氧化碳的变换。
1.2工艺方法的确定变换工艺流程的设计，首先应依据原料气中的一氧化碳含量高低来加以确定。
以煤为原料气的中小型氨厂制得的半水煤气中含有较高的一氧化碳，所以需采用多段中温变换流程。
中温变换催化剂操作温度范围较宽，而且价廉易得，使用寿命长。
因此，在一氧化碳转换工艺设计中，选用中温变换工艺[2]。
1.2.1工艺流程半水煤气首先进入饱和热水塔，在饱和热水塔内气体与喷淋下来的130至140℃的热水逆流接触，使半水煤气提温增湿。
出饱和塔的气体进入气水分离器分离夹带的液滴，并与蒸汽过热器（电炉）送来的300至500℃的过热蒸汽相混，使半水煤气中的汽气比达到工艺条件的要求，然后进入主热交换器和中间换热器，使气体温度升至380℃进入变换炉，经第一催化反应床层反应后气体温度升到480至500℃，经蒸汽过热器、中间换热器与蒸汽、半水煤气换热，降温后进入第二段催化床层反应。
反应后的高温气体用冷凝水冷激降温后，进入第三段催化床反应。
气体离开变换炉的温度为400℃左右，变换气依次经过主热交换器、第一加热器，热水塔、第二热水塔、第二水加热器回收热量，再经变换气冷却器降至常温后送下一工序。
1.2.2工艺条件中温变换工艺所用催化剂为铁一铬系，由于其起始活性温度较高，半水煤气在进入变换炉之前需先将其加热到380℃～400℃左右，而变换气温度较高，在进入压缩机前需将其冷却到35℃左右，以增加压缩机的打气能力，降低功耗[3]。
在流程中设置了饱和热水塔，以便能回收变换气中大部分未反应的蒸汽，并配置了热交换气、中间换热器以回收变换气的显热[4]。
为了充分回收变换气余热，设置了第二热水塔以加热铜洗工段所需热水，第二水加热器加热锅炉软水。
由此，变换工段已成为第二热水循环网络的热源中心，为实现蒸汽自给技术创造了条件。
在中温变换流程中，系统的平均温度较高，而对于同样的CO平衡变换率，变换温度不同所需汽气比不同。
如CO 平衡变换率为百分之九十，240℃时的汽气比为0.34，400℃时的汽气比则高达0.92，即变换温度越高，所需的汽气比越大。
因此，要达到一定的变换率，在高温下，就需要有较大的汽气比，则消耗的水蒸气量增大。
为此，限制了水蒸气消耗量的进一步降低。
要进一步降低水蒸气消耗量，首先要采用低温高活性催化剂，使反应能在较低的温度下进行．不需用很大的水与一氧化碳的比，便可实现较高的平衡变换率。
1.3影响反应的工艺条件1.3.1温度由于CO变换为可逆的放热反应，平衡常数Kp随温度升高而减小。
从平衡角度考虑，低温下进行CO变换反应有利于降低出口CO含量，但是必须高于其起活温度并且不能结露。
于是采用适于低温或宽温的多种催化剂和中、低温变换催化剂组合的工艺流程。
1.3.2压力一氧化碳变换是等分子反应，如为理想气体时，压力对平衡没有影响。
压力在30.5atm时，温度在200～500℃时，压力对变换反应没有显著影响。
1.3.3水气比提高水蒸汽比例，有利于提高CO变换率，降低CO残留量。
另外，过量的水蒸汽还起到热载体的作用，减少催化剂床层的温升。
但是，过高的水气比使得变换过程的消耗增加，床层阻力增加，并使余热回收设备负荷加重。
所以，选择一个合适的水气比显得尤为重要。
水气比的高低还受催化剂的制约。
根据催化剂的特性和各段反应出口CO 浓度及最终CO浓度的要求，该工程CO变换流程水气比定为1.4[5]。
2 动力学模型的选取和反应器数学模型的建立 2.1 动力学模型的选取反应可以按拟均相处理，所以只需考虑反应动力学数据，不需考虑传递数据。
2.1.1 CO 变换反应的本征动力学方程22220.51/(.)CO H CO A T CO CO P CO H O P P dN r k P P mol h g dw K P P -⎛⎫==- ⎪ ⎪⎝⎭公式（1）式中 60.5249003.010exp /(..)T g k mol h g atm R T ⎛⎫=⨯⨯- ⎪ ⎪⎝⎭ 公式（2） 1.987/()g R kcal kmol K =⋅ 公式（3）2.1.2 CO 变换反应的宏观动力学方程催化剂有效因子ζ，因此该反应的宏观动力学方程：22220.5,1/(.)CO H CO A g A T CO CO P CO H O P P dN r r k P P mol h g dw K P P ζζζ-⎛⎫===- ⎪ ⎪⎝⎭公式（4）2.1.3 总体反应速率 稳态条件下，在气固相催化反应器中，反应组分从气流主体扩散到催化剂外表面的速率等于颗粒内实际反应速率。
r Ａ,g 是以单位体积催化床层为基础并考虑内扩散过程的总体速率。
()(),A g G Ag ASe S i AS r k C C S k Sf C ζ=-= 公式（5）2.1.4 绝热式固定床反应器的选择 绝热式固定床反应器有单段与多段之分。
绝热式反应器由于与外界无热交换以及不计热损失，对于放热反应，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高；催化反应器入口气体温度要高于催化剂的起始活性温度，而出口气体温度要低于催化剂的耐热温度[6]。
CO+H 2O →CO 2+H 2是等摩尔的放热反应，绝热温升较小，温度对产物影响不是特别大，因此本反应选择单段绝热固定床催化反应器。
单段绝热反应器的反应物料在绝热条件下发生反应后流出反应器。
2.2 反应器数学模型的建立2.2.1 物料衡算图1 物料衡算选微元dL 高度床层作为物质衡算基础，在稳态时，根据质量守恒定律在某一时刻反应物CO 在单位时间内进入微元体的量等于单位时间内CO 流出微元体的量加上在微元体中消耗的量，即：CO 进入微元体的量 = CO 流出微元体的量 + CO 在微元体中消耗的物质的量 用符号表示为：A A A A F F dF r dw =++ 公式（6）其中： dw B ρ=B dV 公式（7）整理得： 2()4A B A t dF r d dl πρ-= 公式（8）又连续流动条件下转化率定义为：00A AA A F F x F -= 公式（9）0(1)A A A F F x =- 公式（10）对式微分后代入式得：20()4A A B A t F dx r d dl πρ= 公式（11）经整理后，可以得到如下的微分方程式：()A d d A B AO r M x l Gy ρ-= 公式（12）2.2.2 能量衡算同样取微元体dV B 为热量衡算基础，设在微元dV B 中的温度变化为dT 。
