水煤气变换

反应工程课程设计一.对课题的概述一氧化碳和氢气都是会燃烧的气体，工业上把这样的混合气叫“水煤气”。

CO 和H2因为水(H2O)的分子里有一个氧(O)原子和两个氢(H)原子，水一遇上火热的煤（C），氧原子立刻被煤（C）夺走了，结果生成一氧化碳(CO)和氢气(H2)。

水煤气一种低热值煤气。

由蒸汽与灼热的无烟煤或焦炭作用而得。

主要成分为氢气和一氧化碳，也含有少量二氧化碳、氮气和甲烷等组分；各组分的含量取决于所用原料及气化条件。

主要用作台成氨、合成液体燃料等的原料，或作为工业燃料气的补充来源。

工业上，水煤气的生产一般采用间歇周期式固定床生产技术。

炉子结构采用UGI 气化炉的型式。

在气化炉中，碳与蒸汽主要发生如下的水煤气反应：C+H2O→CO+H2C+2H2O→CO2+2H2以上反应均为吸热反应，因此必须向气化炉内供热。

通常，先送空气入炉，烧掉部分燃料，将热量蓄存在燃料层和蓄热室里，然后将蒸汽通入灼热的燃料层进行反应。

由于反应吸热，燃料层及蓄热室温度下降至一定温度时，又重新送空气入炉升温，如此循环。

当目的是生产燃料气时，为了提高煤气热值，有时提高出炉煤气温度，借以向热煤气中喷入油类，使油类裂解，即得所谓增热水煤气。

近年来，正在开发高温气冷堆的技术，用氦为热载体将核反应热转送至气化炉作为热源，以生产水煤气。

在工业生产中绝大多数的化学反应过程是在变温条件下进行。

这一方面由于化学反应过程都伴随着热效应，有些热效应还相当大，即使采用各种换热方式移走热量（放热反应）或者输入热量（吸热反应），对于工业反应器都难以维持等温。

特别是气固相固定床催化反应器，要想达到等温更为困难。

另一方面许多反应过程等温操作的效果并不好，而要求有一最佳温度分布。

如工业上进行合成氨，合成甲醇之类的可逆放热反应，便属于这种情况。

再者，对于一些复杂反应、其主、副反应的活化能大小不同，温度的高低对主、副反应速率的影响也不同。

所以，可通过改变温度的方法来改变产物的分布，使目的产物的收率最大。

当化学反应的热效应很大时，无论是放热的还是吸热的，采用绝热操作将会使反应器进出口的反应物料的温差很大。

对于放热反应，反应温度沿轴向而升高，这对于不可逆反应来说，问题不大，但由于其他原因反应温度一定要控制在一定范围内时，绝热反应器的应用就会受到限制；如果反应是可逆的，温度升高而平衡转化率减低，应用绝热反应器就不可能得到较高的转化率。

在绝热反应器中进行吸热反应时，无论是可逆还是不可逆，反应温度总是沿轴向而降低，使反应速率越来越慢，若反应是可逆的，还使平衡转化率下降，从而不可能获得高的转化率。

上面所说的这些情况，在化学反应进行的同时必须与环境进行热交换，若为放热反应需要将反应器冷却，吸热反应则要加热，使反应的温度控制在要求的范围内，以获得较好的转化率和安全地操作，特别是那些温度过高会发生爆炸，或者会损坏催化剂或设备的反应更为重要。

二.课程设计的目的和要求及意义课程设计是教学中综合性和实践性较活的环节，是理论联系实际的桥梁，同时也是对化工基础知识的初次尝试。

通过课程设计，要求学生理解工程设计的基本内容。

掌握设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。

除此之外，还可培养学生的实事求是，严谨认真的学习态度。

通过课程设计可以训练学生如下几方面的能力：1、熟悉查阅文献资料，搜集有关数据正确选用公式。

2、培养整体分析能力，比如确定化工工艺流程，进行设备的选型。

3、用精练的语言，简洁的文字，清晰的图文表达自己的设计思想。

4、运用所学的计算机知识实践于课程设计中。

三.课程设计的内容1、设计方案的简介：根据课程指导书所提供的条件和要求，初步确定解决设计任务的方案。

2、主要设备的工艺计算：包括工艺参数的确定，物料衡算，热量衡算，设备工艺尺寸计算。

3、根据所学的计算机编程知识，为课程设计相关的编写程序，通过计算机求出所学的数据。

4、本次反应工程设计内容涉及到多段管式反应器，其限制条件少，应用灵活，催化剂用量少，工业上有一定的使用价值。

四.选做本题设计的原因选三段绝热两段换热固定床式反应器进行水煤气变换与生活比较贴近，学习了固定床反应器的相关知识，其在工业上有一定的使用价值，在生产中可提高起转化率，提高运用计算机编程的能力。

五.固定床式反应器的计算1、热量衡算式设流体在固定床式反应器内的流动状况与活塞流十分接近，因此可采用活塞流模型。

设进入床层的流体质量速度为G，关键组分A的质量分率为ωA0,取床层高度为dZ的微元作组分A的物料衡算可得(GωA0dXA)/MAdZ =ηo ρb(-RA)上式中的RA为以单位质量催化剂计算的组分A的转化速率，由于系以微元床层体积或催化剂的堆体积作衡算，因此需乘以催化剂的堆密度ρb进行换算。

如果不考虑轴向热扩散，对此微元体积作热量衡算则有GCpt dT/dZ=ηoρb(-RA)(-ΔHr)-4U(T-Tc)／dt以上两式对单一反应而导出的,若为多个反应,需作适当的改写。

设在床层内的反应共有M个，关键组分Ai的物料衡算式为d（u0ci）/dZ=ρb∑ηj|νij|rj(-ΔHr)j-4U(T-Tc)/dt相应的初值条件为Z=0 , T=T0 , Ci=Ci0, i=1,2,3...,k对于多段绝热式固定床反应器：设XAi 及XAi’分别为第i段进出口转化率，而Ti及Ti’为第i段进出口物料的温度。

若第i段的催化剂的量为Vri,那么催化剂的总用量为Vr=∑Vri=Vmin (1)为简化计算，令ηo （XA,T）[-RA(XA,T)]＝RA*(XA,T)将式Vr＝｛ FA0∫dXA/ηo(XA,T)[-RA(XA,T)]｝/ρb代入式（1）有Vr=FA0[∫dXA/RA*(XA,T)+∫dXA/RA*(XA,T)+...+∫dXA/RA*(XA,T)]/ρb (2)对于N段反应器，各段进出口的温度及转化率共有四N个，但因最终转化率及第一段入口转化率为零已知，故需确定的变量数为（4N-2）个，又因任意一段的出口转化率等于下一段的进口转化率，即XAi＋1＝XAi’，故变量数目相应减少（N-1）个。

各段进出口转化率和温度应符合T-T0＝λXA的关系，四个变量中有一个是不独立的，相应变量总数又减少了N个。

所以，独立变量总数应为(4N-2)-(N-1)-N=2N-1个。

选择各段进口温度Ti 和除第一段外各段的进口转化率XAi作为控制变量，总数恰好也是（2N-1）个。

将式（2）对XAi求偏导数，并令其等于零可得R A *(XAi,Ti-1’)=RA*(XAi,Ti), i=2,3,4....N .. (3)此式的意义是为了保证催化剂总用量最少，任何一段出口的转化速率应等于下一段进口的转化速率。

同理，将式（2）对Ti求偏导数，并令其等于零可得∫dXA /RA*(XA,T)/ Ti=0, i=1,2,3...N . (4)此式的意义为对于任何一段，在规定的进出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使该段的催化剂的用量最少。

显然，每段的催化剂的用量最少，那么，催化剂的总用量也必定最少。

任何一段的反应过程中，任何一处的温度与进口温度T i 成线性关系，从而（4）式又可改写为∫[ （1/R A *(X A ,T)）/ T]XA dX A =0, i=1,2,...N ......(5) 应用此式进行计算较方便。

六.设计思路(1)假定第一段的出口转化率，根据式（5）可确定第一段的进口温度，从而由T-T 0 =λX A 求第一段出口温度，并算出第一段的出口转化速率; (2)由式（3）求第二段的进口温度；（3）由式（5）求确定第二段的出口转化率，再用式T-T 0 =λX A 求第二段出口温度，并算出第而段的出口转化速率；依次类推，直到第n 段为止。

如果求得的第n 段出口转化率（即最终转化率）与要求不符，说明原先假定的第一段的出口转化率不合适，需要重新假设，然后重复以上各步的计算，直到最终转化率符合要求时结束计算。

七.程序示例（1）C 程序示例：水煤气变换课程设计计算程序double CTygDoc::Qr(double X,double A[]){//二次给值d ouble x=F*(X-A[1])/(A[0]-F);A[1]=X;X +=!A[0]?X/100:A[2]?x+(A[0]*x-F*A[3])/(A[2]-F):x/2; A [3]=x,A[2]=A[0],A[0]=F;return X;}double CTygDoc::Ac(){//辛普森法积分 double h=(x-xo)/500,ft=0; //步长 double X,pa,pb,pc,pd,k,kp,f; for(int i=0;i<=500;i++){//循环 X=xo+i*h;T=tr+155.2*i*h;//变量 pa=12830*(1-X);pb=59100-12830*X; pc=(39920+12830*X);pd=15960+12830*X;k=2.172*exp(-6542/T);kp=0.0165*exp(4408/T);Cr=pc*pd/pa/pb;Rr=k*(1-Cr/kp);f=6542/pa*(1.674*Cr/kp-1)/Rr/(1-Cr/kp)/T/T;//函数ft+=i%2?4*f:i>0&&i<500?2*f:f;}//四倍量,两倍量,端值return ft/3*h;}//总加和void CTygDoc::OnBianhuan(){d ouble xf=0.92;d ouble to,k,kp,t1,x1,te,t2,x2;f or(A[0]=0,F=1,to=630;F*F>1e-10;){xo=0,x=0.68,tr=to;//赋初值for(i=0;i<2;i++){if(i)t1=T,x1=x,te=tr,x=0.84;for(B[0]=0;fabs(F=Ac())>1e-6;)x=Qr(x,B);//积分,转化率tr=!i?590:560;// 赋初值xo=x;// 改初值for(B[0]=0,F=1;F*F>1e-15;){k=2.172*exp(-6542/tr);kp=0.0165*exp(4408/tr);//算速率F=k*(1-Cr/kp)-Rr;//比速率tr=Qr(tr,B);}}//变温度t2=T,x2=x,x=xf;//记结果for(B[0]=0;fabs(F=Ac())>1e-6;)x=Qr(x,B);//积分,转化率F=xf-x;to=Qr(to,A);}//变初温C String yf[5];y f[0]=" 反应工程课程设计程序\n";y f[1]="水煤气变换课题的计算结果是:\n";y f[2].Format("各段T0是:%9.3f%9.3f%9.3f\n",to,te,tr);y f[3].Format("各段Tf是:%9.3f%9.3f%9.3f\n",t1,t2,T);y f[4].Format("各段Xf是:%9.5f%9.5f%9.5f\n",x1,x2,x);f or(l=0;l<5;l++)strlt.AddTail(yf[l]);U pdateAllViews(NULL);//显结果S etModifiedFlag();}（2）VB程序示例：Dim t As Double, x0 As Double, x As Double, pa As Double, r As Double, C As Double Dim Tem As Double, FF As DoublePrivate Sub Command1_click()Dim A(4) As Double, B(4) As DoubleDim xf As Double, t0 As Double, k As Double, kp As Double, t1 As Double Dim x1 As Double, te As Double, t2 As Double, x2 As Doublexf = 0.92FF = 1t0 = 620Do While FF * FF > 0.0000000001x0 = 0x = 0.69 '赋初值t = t0For i = 0 To 3FF = fact()B(0) = 0Do While Abs(FF) > 0.000001x = Q(x, B)FF = fact()LoopIf i < 2 ThenIf i = 0 Thent = 600Elset = 560End Ifx0 = xB(0) = 0FF = 1Do While FF * FF > 0.0000000001k = 2.172 * Exp(-6542 / t) '算速率kp = 0.0165 * Exp(4408 / t) '比速率FF = k * pa * (1 - C / kp) – r '变温度t = Q(t, B)LoopIf i = 0 Thent1 = Temx1 = xte = tx = 0.86Elset2 = Tem '记结果x2 = xx = xfEnd IfEnd IfNext iFF = xf - xt0 = Q(t0, A) '变初温LoopPrint "变换课题的计算结果是："Print "各段T0是："; Format(t0, "#########.000"); " "; Format(te, "#######.000"); " "; Format(t, "########.000")Print "各段Tf是："; Format(t1, "#######.000"); " "; Format(t2, "#######.000"); " "; Format(Tem, "#######.000")Print "各段Xf是："; Format(x1, "0.00000"); " "; Format(x2, "0.00000"); " "; Format(x, "0.00000") '显结果End Sub'辛普森法积分Private Function fact() As DoubleDim h As Double, ft As DoubleDim f As Double, XX As Double, pb As Double, pc As Double, pd As Double, k As Double, kp As Doubleh = (x - x0) / 500ft = 0 '步长For i = 0 To 500XX = x0 + i * h '变量Tem = t + 155.2 * i * hpa = 12830 * (1 - XX)pb = 59100 - 12830 * XXpc = 39920 + 12830 * XXpd = 15960 + 12830 * XXk = 2.172 * Exp(-6542 / Tem)kp = 0.0165 * Exp(4408 / Tem)C = pc * pd / pa / pbr = k * pa * (1 - C / kp)f = 6542 * (1.674 * C / kp - 1) / r / (1 - C / kp) / Tem / Tem '函数'四倍量,两倍量,端值If i Mod 2 <> 0 Thenft = ft + 4 * fElseIf i > 0 And i < 500 Thenft = ft + 2 * fElseft = ft + fEnd IfNext ifact = ft / 3 * hEnd FunctionPrivate Function Q(XX As Double, A() As Double)Dim x As Double '二次给值x = FF * (XX - A(1)) / (A(0) - FF)A(1) = XXIf A(0) = 0 ThenXX = XX + XX / 100ElseIf A(2) <> 0 ThenXX = XX + x + (A(0) * x - FF * A(3)) / (A(2) - FF)ElseXX = XX + x / 2End IfA(3) = xA(2) = A(0)A(0) = FFQ = XXEnd FunctionPrivate Sub Command2_Click()ClsEnd Sub附窗体图片:运行结果：变换课题的计算结果是：各段T0是：642.490 600.168 557.991各段Tf是：746.039 628.949 568.439各段Xf是：0.66723 0.85268 0.9200八.运行结果讨论三段绝热中间换热固定床式水煤气变换方法采用固定床煤气炉，主要针对传统五步法的弊端进行改造，利用加热的空气来吹风，高温过热蒸汽制气，对加套锅炉进行特殊保温处理，提高了热效率。