【煤制甲醇變換工段工藝的物料衡算、熱量衡算及工藝設(shè)計(jì)9400字（論文）】

煤制甲醇變換工段工藝的物料衡算、熱量衡算及工藝設(shè)計(jì)摘要：當(dāng)下，國(guó)家能源安全和化學(xué)工業(yè)高速發(fā)展，甲醇作為一種重要的基礎(chǔ)化工原料，不可或缺。隨著國(guó)家大力提倡發(fā)展大型的煤制甲醇工藝，以及煤氣化、甲醇合成和低溫甲醇洗等技術(shù)的進(jìn)步，甲醇生產(chǎn)裝置的平均規(guī)模愈來(lái)愈大。同時(shí)，面對(duì)較低的煤炭?jī)r(jià)格，以及國(guó)家富煤、貧油、少氣的現(xiàn)狀，煤制甲醇成為當(dāng)前生產(chǎn)甲醇的最佳方式。在整個(gè)工藝過(guò)程中，變換工段需要得到合格的原料氣，這是獲得符合要求的甲醇產(chǎn)品的基本前提。本設(shè)計(jì)前段介紹煤制甲醇變換工段的原理和目的，綜合考慮后，以非飽和塔型、全低溫、耐硫不完全變換為基礎(chǔ)，采用鈷鉬系催化劑對(duì)來(lái)自煤氣化裝置的粗煤氣進(jìn)行CO變換，并在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上完成主要設(shè)備的工藝計(jì)算和設(shè)備選型。關(guān)鍵詞：化學(xué)工業(yè)；煤制甲醇；變換工段目錄TOC\o"1-3"\h\u189171總論 576111.1概述 5101641.1.1煤制甲醇的重要性 548731.1.2變換工段的原理 5102981.1.3設(shè)計(jì)目的和意義 5190161.2工藝比較 6188641.2.1全低變工藝 6152221.2.2無(wú)飽和塔型變換工藝 6297191.2.3Shell粉煤氣化制甲醇一氧化碳變換工藝 7180581.2.4小結(jié) 7101462工藝詳述 8211702.1本設(shè)計(jì)擬采用的工藝流程 880372.2變換工段影響因素 9258102.2.1溫度 947172.2.2水汽比 9201402.2.3催化劑 9201433工藝參數(shù)計(jì)算 9257513.1原始數(shù)據(jù) 911443.2變換爐工藝參數(shù)計(jì)算 10219453.2.11號(hào)變換爐工藝參數(shù)計(jì)算 1036443.2.22號(hào)變換爐工藝參數(shù)計(jì)算 12253583.2.33號(hào)變換爐工藝參數(shù)計(jì)算 1381824物料衡算與熱量衡算 15214574.1變換爐物料衡算及熱量衡算 15252114.2廢熱鍋爐物料衡算及熱量衡算（以1號(hào)變換爐為例） 17148445主要設(shè)備工藝計(jì)算和設(shè)備選型 18251955.1變換爐的工藝計(jì)算 18286675.1.1已知條件 18142455.1.21號(hào)變換爐 19165855.1.32號(hào)變換爐 21126515.1.43號(hào)變換爐 23302145.2廢熱鍋爐的工藝計(jì)算（以1號(hào)廢熱鍋爐為例） 25298535.2.1筒體內(nèi)徑的計(jì)算 2591735.2.2傳熱系數(shù)的計(jì)算 2593815.3CO變換工段主要設(shè)備一覽表 292170參考文獻(xiàn)： 291總論1.1概述1.1.1煤制甲醇的重要性在化工生產(chǎn)中，木材是甲醇最初的原料來(lái)源，但隨著木材資源越來(lái)越難以獲取，各國(guó)開(kāi)始致力于尋求制造甲醇的新方法和新原料。在人類發(fā)現(xiàn)并開(kāi)發(fā)了石油資源后，人們尋求制取甲醇的主要原料的目光轉(zhuǎn)向了天然氣。但隨著歲月的變遷，70年代出現(xiàn)的石油危機(jī)和現(xiàn)代社會(huì)原油價(jià)格的迅速上升，依靠石油和天然氣來(lái)生產(chǎn)甲醇的方法已經(jīng)不能滿足人們的需求，因此甲醇原料的來(lái)源又轉(zhuǎn)向了儲(chǔ)備量大、價(jià)格低廉的煤炭資源[1]。當(dāng)下，國(guó)家能源安全和化學(xué)工業(yè)高速發(fā)展，甲醇作為一種重要的基礎(chǔ)化工原料，不可或缺。隨著國(guó)家大力提倡發(fā)展大型的煤制甲醇工藝，以及煤氣化、甲醇合成和低溫甲醇洗等技術(shù)的進(jìn)步，甲醇生產(chǎn)裝置的平均規(guī)模愈來(lái)愈大。同時(shí)，面對(duì)較低的煤炭?jī)r(jià)格，以及國(guó)家富煤、貧油、少氣的現(xiàn)狀，煤制甲醇成為當(dāng)前生產(chǎn)甲醇的最佳方式。在整個(gè)工藝過(guò)程中，變換工段需要得到合格的原料氣，這是獲得符合要求的甲醇產(chǎn)品的基本前提。1.1.2變換工段的原理一氧化碳變換工段的原理是指：CO與H2O發(fā)生變換反應(yīng)生成CO2與H2，從而改變了從上游氣化單元送來(lái)的粗合成氣組分，同時(shí)，H2/CO的比例需要滿足下游合成工段的要求[2]。變換反應(yīng)方程式如下:CO+H2O→CO2+H2(Q=41.4kJ/mol)(1)除了主反應(yīng)之外，在該工段還可能會(huì)發(fā)生多個(gè)副反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下:CO+3H2=CH4+H2O(2)COS+4H2=H2S+CH4+H2O(3)HCN+3H2=NH3+CH4(4)COS+H2O=H2S+CO2(5)HCN+H2O=NH3+CO(6)1.1.3設(shè)計(jì)目的和意義變換工段的主要目的有兩個(gè)方面：第一，通過(guò)調(diào)節(jié)氫碳比使（H2-CO2）/（CO+CO2）達(dá)到2.0左右。此處的氫碳比是指在進(jìn)行凈化工段后、合成工段前的氫碳比，變換工段對(duì)于調(diào)節(jié)該比例十分重要。第二，將合成氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)硫，即硫化氫，能夠更有益于其吸收。變換工段的主要意義：變換工段的造氣過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生CO，這種氣體的成分在煤制甲醇合成工藝中是有限制的，所以在設(shè)計(jì)中會(huì)根據(jù)工藝的特點(diǎn)選擇適度變換。適量的CO能節(jié)約蒸汽、降低產(chǎn)品能耗、進(jìn)行耐硫低變催化劑的工業(yè)化生產(chǎn)，從而增加企業(yè)的效益。在實(shí)際的應(yīng)用中，如果甲醇工號(hào)的觸媒活性好，甲醇市場(chǎng)前景較好，可以適當(dāng)降低變換負(fù)荷，增加甲醇產(chǎn)量，提高出口的CO量，使企業(yè)獲得最大利益。1.2工藝比較1.2.1全低變工藝在中溫變換串低溫變換工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的全低變工藝一般有三段，典型的工藝流程如圖1-1所示。圖1-1全低變工藝流程圖全低變工藝目前主要有噴水增濕型和調(diào)溫水加熱器型兩種。若采用噴水增濕型，通常在變換爐前設(shè)置一個(gè)預(yù)變爐，其后設(shè)置一個(gè)變換爐。變換爐上部裝填保護(hù)劑和抗毒催化劑，下部裝填不銹鋼填料，在此段進(jìn)行噴水。這種工藝比較節(jié)能，基本上不需要外加蒸汽。若采用調(diào)溫水加熱器型，不設(shè)預(yù)變爐，設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)變換爐。這種工藝是間接換熱，不如前者節(jié)能，耗蒸汽量為150kg～200kg[3,4]。使用該工藝時(shí)，需要注意：一段Co-Mo催化劑在管理不佳時(shí)易縮短使用壽命，增加系統(tǒng)阻力。1.2.2無(wú)飽和塔型變換工藝全低變工藝與低變催化劑的應(yīng)用大大降低了變換氣中的過(guò)量水蒸氣量，即回收潛熱時(shí)利用飽和熱水塔作用不大。有數(shù)據(jù)表明，在合成氨工藝中，當(dāng)聯(lián)醇工藝變換出口CO含量約為5.0％時(shí)，飽和塔可回收潛熱為65kg蒸汽/t氨；當(dāng)變換出口CO含量約為1.0％時(shí)，飽和塔可回收潛熱為200kg蒸汽/t氨。如果采用噴水增濕型工藝回收變換氣的顯熱，用外加蒸汽代替回收的潛熱，即消耗的蒸汽量增加65kg，聯(lián)醇工藝基本能夠不使用飽和熱水塔。此時(shí)，對(duì)于變換出口CO含量約為1.0％的工藝，消耗的蒸汽量增加200kg，可利用其他方式回收其潛熱。目前，取消飽和熱水塔的工藝在國(guó)內(nèi)外工廠應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、效果良好。通過(guò)對(duì)比可知：飽和熱水塔型全低變工藝的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資大、回收期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益差。非飽和塔型全低變工藝投資少、易操作，操作費(fèi)用雖有些增加，但與前者相比影響很小[5,6]。1.2.3Shell粉煤氣化制甲醇一氧化碳變換工藝在Shell粉煤氣化制甲醇一氧化碳變換工藝中，來(lái)自煤氣化裝置中的粗煤氣依次進(jìn)入原料氣分離器、原料氣過(guò)濾器，分別除去水分和固體雜質(zhì)。粗煤氣從原料氣過(guò)濾器出來(lái)被分成3股：第1股粗煤氣進(jìn)入煤氣預(yù)熱器與來(lái)自第三變換爐出口的變換氣換熱到210℃，之后依次進(jìn)入蒸汽混合器、煤氣換熱器，最后進(jìn)入第一變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)。第一變換爐出口的變換氣進(jìn)入煤氣換熱器換熱后，與第2股粗煤氣一起進(jìn)入第一淬冷過(guò)濾器，噴水降溫后進(jìn)入第二變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)。第3股粗煤氣與第二變換爐出口的氣體混合后，進(jìn)入第二淬冷過(guò)濾器，噴水降溫后進(jìn)入第三變換爐發(fā)生變換反應(yīng)。最后，第三變換爐出口的變換氣進(jìn)入煤氣預(yù)熱器進(jìn)行換熱后，依次經(jīng)過(guò)鍋爐給水預(yù)熱器、除鹽水預(yù)熱器、變換器分離器1、變換器水冷器、變換器分離器2，去低溫甲醇洗裝置[7]。整個(gè)工藝流程由冷凝泵、管網(wǎng)分別提供冷凝液、中壓蒸汽。該工藝流程圖如圖1-2所示。圖1-2Shell粉煤氣化變換裝置工藝流程圖該工藝的變換裝置蒸汽用量低，三臺(tái)變換爐出口一氧化碳含量均達(dá)到了生產(chǎn)要求，催化劑的使用壽命長(zhǎng)，既達(dá)到節(jié)能降耗的要求，又收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益，滿足了高負(fù)荷生產(chǎn)的要求。1.2.4小結(jié)通過(guò)對(duì)以上三種變換工藝的比較和分析，國(guó)內(nèi)外目前使用較多、比較節(jié)能、技術(shù)較為成熟的是非飽和塔型變換工藝。同時(shí)，該工段工藝由于新型催化劑的產(chǎn)生，開(kāi)始出現(xiàn)由中、高溫變換到低溫變換的過(guò)渡。2工藝詳述2.1本設(shè)計(jì)擬采用的工藝流程由于非飽和塔型全低變工藝投資少、易操作，低溫變換能夠提高變換率，故本次設(shè)計(jì)采用“非飽和塔型全低變”工藝。選用組分為：1%～5%CoO，8%～15%MoO3／γ／A12O3[8,9]的耐硫變換催化劑的主體鈷鉬系變換催化劑QCS-03，主要設(shè)備包括變換爐、廢熱鍋爐等。本設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為：開(kāi)工日330天，年產(chǎn)60萬(wàn)噸煤制甲醇，日產(chǎn)1818.18噸。本設(shè)計(jì)采用分段變換工藝。從煤氣化裝置出來(lái)的粗煤氣進(jìn)入氣體增濕器，與來(lái)自界區(qū)外的過(guò)熱中壓蒸汽、常壓蒸汽、汽提后的冷凝液混合至約200℃后，進(jìn)入原料氣預(yù)熱器升溫至250℃進(jìn)入預(yù)變換爐，爐內(nèi)裝填有活性組分較低的耐硫變換保護(hù)劑，以保護(hù)耐硫變換催化劑，同時(shí)進(jìn)行適度變換反應(yīng)。離開(kāi)預(yù)變換爐的變換氣進(jìn)入1號(hào)變換爐進(jìn)行深度一氧化碳變換反應(yīng)，反應(yīng)后1號(hào)變換爐出口的高溫中變氣分3路:一路進(jìn)入蒸汽預(yù)熱器的管側(cè)；一路進(jìn)入原料氣預(yù)熱器，與進(jìn)入甲烷化入口加熱器的氫氮?dú)鈸Q熱；另一路進(jìn)入1號(hào)廢熱鍋爐的管側(cè)，把熱量傳給來(lái)自工藝?yán)淠浩崴岷蟮睦淠?，副產(chǎn)的中壓蒸汽進(jìn)入預(yù)變換爐前作為工藝蒸汽使用。氣體出蒸汽預(yù)熱器、甲烷化入口加熱器和1號(hào)廢熱鍋爐后，經(jīng)工藝?yán)淠捍憷湓鰸瘢M(jìn)入2號(hào)變換爐，2號(hào)變換爐出口變換氣進(jìn)入2號(hào)廢熱鍋爐的管側(cè)，傳熱給鍋爐水。氣體溫度降至220℃后進(jìn)入3號(hào)變換爐，反應(yīng)后出口氣體中CO含量降為2.63%，此變換氣進(jìn)入3號(hào)廢熱鍋爐管側(cè)，傳熱給鍋爐水，副產(chǎn)0.45MPa低壓蒸汽[10,11]。變換系統(tǒng)流程如圖2-1。圖2-1變換系統(tǒng)流程2.2變換工段影響因素2.2.1溫度變換工段的溫度首先應(yīng)在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)。其次，在催化劑使用初期或活性較好時(shí)，要控制在較低的溫度，這樣不僅能達(dá)到反應(yīng)要求，而且可以避免催化劑過(guò)早衰老。而在使用后期或活性下降后，就要升高溫度，加快反應(yīng)速度，最終達(dá)到變換率的要求。最后，要接近最佳溫度線進(jìn)行反應(yīng)，這里考慮使用分段冷卻，這也是本次設(shè)計(jì)設(shè)置三個(gè)低變爐的原因之一。此外，對(duì)于低變爐，溫度還必須高于氣體在該壓力和水氣比下的露點(diǎn)溫度以上20℃[12,13]。2.2.2水汽比CO反應(yīng)的變換率隨著水汽比的增大而增大。增大水汽比，能夠加速變換反應(yīng)的進(jìn)行，防止副反應(yīng)的發(fā)生。但水汽比過(guò)高，不僅會(huì)增加催化劑床層阻力，加重余熱回收設(shè)備負(fù)荷，而且會(huì)使Co-Mo催化劑反硫化，影響設(shè)備生產(chǎn)能力。因此，要合理控制蒸汽比例，變換的水汽比例一般為1.0～1.5之間[14]。本設(shè)計(jì)選擇水汽比為1.4。2.2.3催化劑開(kāi)始使用催化劑時(shí),催化劑活性比較高，床層熱點(diǎn)溫度在上部，催化劑活性隨著使用時(shí)間增加而降低,床層熱點(diǎn)溫度下移。目前的變換裝置大多采用有較寬耐硫區(qū)間的耐硫鈷鉬系變換催化劑[15]。它的有效成分為：1%～5%CoO，8%～15%MoO3／γ／A12O3[16]。3工藝參數(shù)計(jì)算3.1原始數(shù)據(jù)1.干粗煤氣成分見(jiàn)表3-1。表3-1干氣成分成分H2COCO2O2N2CH4合計(jì)%34.4045.3318.951.090.190.041002.每小時(shí)粗煤氣量327200m3/h。3.粗煤氣溫度：160℃。4.在預(yù)變爐中CO的轉(zhuǎn)化爐中CO的轉(zhuǎn)化率為41.62%，則預(yù)變換氣組成見(jiàn)表3-2。表3-2預(yù)變換氣組成成分H2COCO2N2CH4合計(jì)%43.8726.5228.320.240.051005.觸媒型號(hào)：QCS-03[17]。其性能見(jiàn)表3-3。表3-3QCS-03性能項(xiàng)目指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)活性組分MoO3、CoO堆比重780～880kg/m3載體TiO2-MgO-Al2O3三元載體使用壓力1.0～10.0MPa助劑混合稀土溫度范圍220～500℃外觀形狀灰綠色，條形適應(yīng)水/氣0.3～2.0mol/mol尺寸Φ3.5-4.0mm使用壽命3～5年，可再生回用破碎密度≥140N/cm工藝氣硫含量200ppm3.2變換爐工藝參數(shù)計(jì)算3.2.11號(hào)變換爐工藝參數(shù)計(jì)算1.1號(hào)變換爐進(jìn)、出口溫度根據(jù)QCS-03觸媒的活性溫度，選取混合濕粗煤氣進(jìn)1號(hào)變換爐溫度為280℃。2.蒸汽比選擇因采用水激冷，蒸汽比可以稍低，選擇1.4，則每立方米干粗煤氣中應(yīng)加入蒸汽量為0.2652×1.4=0.372m33.加入蒸汽后的混合濕氣組成 4.1號(hào)變換爐平衡曲線計(jì)算[18]，見(jiàn)表3-4。式中A、B、C、D——預(yù)變換氣中CO、H2O、CO2、H2起始濃度（%）。令表3-4平衡曲線計(jì)算t(℃)280320360400440460T(K)553593633673713733KP51.57629.51818.12911.7988.0576.763w=KP-150.57628.51817.12910.7987.0575.763u=KP(A+B)+(C+D)24.47814.2348.9456.0054.2683.667v=KPAB-CD2.6371.4810.8840.5520.3560.2888.1055.8024.4103.4952.8582.6090.8370.7650.6850.6010.5170.4755.1號(hào)變換爐操作線計(jì)算1號(hào)變換爐出口溫度取為450℃。450℃時(shí)反應(yīng)熱-△HR=8990kcal/mol，濕粗氣由280℃升至450℃，平均溫度365℃，則混合氣真實(shí)分子比熱為CP=0.3198×7.02+0.1933×7.35+0.2064×11.50+0.0073×7.68+0.0017×7.26+0.0004×13.10+0.2711×9.15=8.59kcal/mol﹒℃1號(hào)變換爐熱損失溫降為15℃，按操作線方程式變換掉的CO=0.1933×0.429=0.0829出1號(hào)變換爐氣體組成H2:0.3198+0.0829-0.0073×2=0.3881CO:0.1933-0.0829=0.1104CO2:0.2064+0.0829=0.2893O2:0.0073-0.0073=0N2:0.0017CH4:0.0004H2O:0.2711-0.0829+0.0073×2=0.20286.冷激水量2號(hào)變換爐進(jìn)口溫度取230℃，熱損失溫降取5℃，出1號(hào)變換爐氣體平均溫度為（230+450）/2=340℃,出1號(hào)變換爐氣體的真實(shí)分子比熱CP=0.3881×7.01+0.1104×7.27+0.2893×11.4+0.0017×7.23+0.0004×12.7+0.2028×9.15=8.69kcal/mol﹒℃故冷激水量為3.2.22號(hào)變換爐工藝參數(shù)計(jì)算1.2號(hào)變換爐平衡曲線用水冷激后，中間變換氣組成變化為不同溫度下的平衡變換率見(jiàn)表3-5。表3-5平衡曲線計(jì)算t(℃)230280330380430T(K)5035536036537030.9610.9200.8570.7770.6852.2號(hào)變換爐操作線計(jì)算冷激后變換氣組成為H2:27.87%CO:16.84%CO2:17.99%O2:0.63%N2:0.15%CH4:0.04%H2O:36.48%2號(hào)變換爐出口溫度取350℃，350℃時(shí)反應(yīng)熱-△HR=9110kcal/mol，濕氣由230℃升至350℃，平均溫度290℃，則混合氣真實(shí)分子比熱為CP=0.2787×7.01+0.1684×7.24+0.1799×11.24+0.3648×9.12+0.0004×12.45+0.0015×7.18=8.59kcal/mol﹒℃2號(hào)變換爐熱損失溫降為5℃，按操作線方程式變換掉的CO=0.1684×0.654=0.1101出2號(hào)變換爐氣體組成H2:0.2787+0.1101-0.0063×2=0.3762CO:0.1684-0.1101=0.0583CO2:0.1799+0.1101=0.2900O2:0.0063-0.0063=0N2:0.0015CH4:0.0004H2O:0.3648-0.1101+0.0063×2=0.26733.冷激水量3號(hào)變換爐進(jìn)口溫度取220℃，熱損失溫降取5℃，出2號(hào)變換爐氣體平均溫度為（220+400）/2=310℃,出1號(hào)變換爐氣體的真實(shí)分子比熱：CP=0.3762×7.01+0.0583×7.24+0.2900×11.24+0.0015×7.18+0.0004×12.45+0.2673×9.12=8.77kcal/mol﹒℃故冷激水量為3.2.33號(hào)變換爐工藝參數(shù)計(jì)算1.3號(hào)變換爐平衡曲線用水冷激后,中間變換氣組成變化為不同溫度下的平衡變換率見(jiàn)表3-6。表3-6平衡曲線計(jì)算t(℃)220260300340380T(K)4935335736136530.9680.9480.9160.8730.8232.3號(hào)變換爐操作線計(jì)算冷激后變換氣組成為：H2:25.65%，CO:15.50%，CO2:16.56%，O2:0.55%，N2:0.14%，CH4:0.04%，H2O:41.54%變換掉的CO：0.83×0.155=0.129最終變換率為83%，氧全部與氫化合為水，于是變換氣組成為 H2:0.2565+0.1287-0.0055=0.380CO:0.155-0.1287=0.026CO2:0.1656+0.1287=0.294O2:0N2:0.0014CH4:0.0004H2O:0.4154-0.1287+0.0055×2=0.298變換氣在240℃時(shí)的真實(shí)分子比熱CP=0.3797×6.99+0.0263×7.12+0.2943×10.85+0.0014×7.08+0.0004×11.45+0.2977×8.94=8.71kcal/mol﹒℃240℃時(shí)，-△HR=9510kcal/mol3號(hào)變換爐熱損失溫降取5℃，根據(jù)操作線方程出口溫度為265℃3.三個(gè)變換爐出口溫度的檢驗(yàn)進(jìn)出口溫差的檢驗(yàn)280-265=15℃（滿足要求），因此蒸汽比選擇1.4合適。4.變換爐工藝參數(shù)的確定根據(jù)以上計(jì)算，確定變換爐的工藝參數(shù)見(jiàn)表3-7。表3-7變換爐的工藝參數(shù)設(shè)備名稱進(jìn)變換爐溫度出變換爐變換率出變換爐溫度冷激水量1號(hào)變換爐280℃42.9%450℃0.1476mol/mol濕煤氣2號(hào)變換爐230℃65.4%350℃0.0866mol/mol濕煤氣3號(hào)變換爐220℃83.0%265℃—4物料衡算與熱量衡算4.1變換爐物料衡算及熱量衡算1.物料衡算（1）進(jìn)1號(hào)變換爐氣體量干粗煤氣：1mol水蒸氣：0.372mol混合氣組成見(jiàn)表4-1。表4-1混合氣組成成分H2COCO2O2N2CH4H2O合計(jì)mol%0.43931.980.26519.330.28320.640.010.730.0020.170.0010.040.37227.111.372100（2）出1號(hào)變換爐變換率為42.9%，氧與氫生成水，故CO變換量為0.265×0.429=0.1137mol出1號(hào)變換爐的氣體量見(jiàn)表4-2。表4-21號(hào)變換爐的氣體量成分mol%成分mol%H2COCO2O20.5330.1510.397039.1111.1129.130N2CH4H2O合計(jì)0.0020.0010.2781.3620.170.0720.43100(3)進(jìn)2號(hào)變換爐氣體量冷激水量為0.1476×1.372=0.2025mol則進(jìn)2號(hào)變換爐中水蒸氣量為0.2025+0.2783=0.4808mol進(jìn)2號(hào)變換爐氣體量見(jiàn)表4-3。表4-32號(hào)變換爐氣體量成分H2COCO2O2N2CH4H2O合計(jì)mol%0.53334.050.1519.670.39725.360.010.640.0020.130.0010.060.48130.731.565100（4）出2號(hào)變換率為65.4%，則2號(hào)變換爐CO變換量為0.1513×0.654=0.0990mol出2號(hào)變換爐的氣體量見(jiàn)表4-4。表4-4出2號(hào)變換爐的氣體量成分mol%成分mol%H2COCO2O20.6220.05230.496039.493.3231.480N2CH4H2O合計(jì)0.0020.0010.4021.5750.130.0625.52100(5)進(jìn)3號(hào)變換爐氣體量冷激水量為0.0866×1.5645=0.1355mol則進(jìn)3號(hào)變換爐中水蒸氣量為0.1355+0.4018=0.537mol進(jìn)3號(hào)變換爐氣體量見(jiàn)表4-5。表4-5進(jìn)3號(hào)變換爐氣體量成分H2COCO2N2CH4H2O合計(jì)mol%0.62236.360.05233.060.49628.990.0020.110.0010.060.53731.421.71100(6)出3號(hào)變換率為83%，則3號(hào)變換爐CO變換量為0.1513×0.83-0.0990=0.0266mol出3號(hào)變換爐的氣體量見(jiàn)表4-6。表4-6出3號(hào)變換爐的氣體量成分mol濕基%干基%H2COCO2N2CH4H2O合計(jì)(濕)(干)0.6480.02570.5220.0020.0010.5111.711.19937.911.5030.540.120.0629.87100—54.062.1444.550.170.08——1002.熱量衡算各氣體的反應(yīng)熱見(jiàn)表4-7。(1)1號(hào)變換爐①CO變換反應(yīng)熱Q11=0.113685×9199.05=1045.8kcal②O2反應(yīng)熱Q12=0.01×115600=1156kcal③氣體升溫耗熱Q13=1.372×8.59×（450-280）=2062.5kcal④熱損失Q14=Q11+Q12-Q13=139.3kcal(2)1號(hào)變換爐冷激①出氣降溫放出熱Q11′=1.362×8.69×(450-230)=2603.9kcal②冷激水的焓差Q12′=0.2025×18×(783.1-80)=2562.8kcal③熱損失Q13′=Q11′-Q12′=41.1kcal(3)2號(hào)變換爐①CO變換反應(yīng)熱Q21=0.1413×9321.29=1317.1kcal②O2反應(yīng)熱Q22=0.01×115600=1156kcal③氣體升溫耗熱Q23=1.5645×8.59×（350-230）=1612.7kcal④熱損失Q24=Q21+Q22-Q23=860.4kcal(4)2號(hào)變換爐冷激①出氣降溫放出熱Q21′=1.5745×8.77×(350-220)=1795.1kcal②冷激水的焓差Q22′=0.1355×18×(783.1-80)=1714.9kcal③熱損失Q23′=Q21′-Q22′=80.2kcal(5)3號(hào)變換爐①CO變換反應(yīng)熱Q31=0.0266×9468.645=251.9kcal②O2反應(yīng)熱Q32=0.0055×115600=635.8kcal③氣體升溫耗熱Q33=1.71×8.71×（265-220）=670.2kcal④熱損失Q34=Q31+Q32-Q33=217.4kcal表4-7反應(yīng)熱[19]溫度（℃）△fHm(kcal/千摩爾)COH2OCO2H2365-24004.4-54947.6-90525.62374.5310-24407.6-55430.6-91149.11989.6240-24913.6-56033.1-91916.11500.74.2廢熱鍋爐物料衡算及熱量衡算（以1號(hào)變換爐為例）[20]1.計(jì)算條件(1)上吹煤氣進(jìn)口溫度450℃，出口溫度230℃。(2)吹風(fēng)氣出口溫度230℃。(3)鍋爐給水溫度100℃。(4)產(chǎn)生蒸汽壓力1.27MPa,溫度190℃。(5)設(shè)鍋爐蒸發(fā)量為Gkg/h,排污量為0.05G。(6)計(jì)算以小時(shí)為準(zhǔn)，上吹煤氣量為448918.4×35%=157121.4m3/h。2.物料衡算物料在廢熱鍋爐內(nèi)無(wú)變化，與1號(hào)變換爐出口物料相同。3.熱量衡算(1)入熱①吹風(fēng)氣帶入熱量（t=800℃）干氣顯熱9334.59×1.511×800=11283652kcal/h式中1.511—800℃時(shí)吹風(fēng)氣平均比熱容kcal/m3﹒℃9334.59—吹風(fēng)氣氣量m3/h水蒸氣焓421.78×（2500.77+2.119×800）=1769776kcal/h式中2.119—800℃時(shí)水汽平均比熱容kcal/kg﹒℃421.78—水汽氣量kg/h合計(jì)：13053428kcal/h②上吹煤氣帶入熱量（t=450℃）干氣顯熱157121.44×1.094×450=77350885kcal/h式中1.094—450℃時(shí)上吹煤氣平均比熱容kcal/m3﹒℃水蒸氣焓157121.44×0.2028×3063.3=97609690kcal/h式中0.2028—上吹煤氣中含水量3063.3—450℃時(shí)水汽焓，kcal/m3合計(jì)：174960575kcal/h③鍋爐給水帶入熱（t=100℃）1.05G×435.97=457.8G式中435.97—100℃時(shí)水的熱焓，kcal/kg入熱合計(jì)：100533715+457.8G(2)出熱①吹風(fēng)氣帶出熱量（t=230℃）干氣顯熱9334.59×1.396×230=2997150kcal/h式中1.396—230℃時(shí)吹風(fēng)氣平均比熱容kcal/m3﹒℃水蒸氣焓421.78×2973.9=1254332kcal/h式中2973.9—230℃時(shí)水汽焓，kcal/kg合計(jì)：4251482kcal/h②上吹煤氣帶出熱量（t=230℃）干氣顯熱157121.44×1.3463×230=48652497kcal/h式中1.3463—230℃時(shí)上吹煤氣平均比熱容kcal/m3﹒℃水蒸氣焓157121.44×0.2028×2973.9=94761028kcal/h式中2973.9—230℃時(shí)水汽焓，kcal/m3合計(jì)：143413525kcal/h③熱損失取熱損失為總?cè)霟岬?.5%，則(100533715+457.77G)×0.5%=502669+2.29G④排污損失0.05G×812.2=40.6G式中812.2—190℃時(shí)水的熱焓，kcal/kg⑤1.27MPa飽和蒸汽的蒸發(fā)潛熱G×2786.7kcal/h式中2786.7—1.27MPa時(shí)飽和蒸汽的焓，kcal/kg出熱總計(jì)：76460913+2829.59G入熱=出熱100533715+457.77G=76460913+2829.59GG=10149kcal/h蒸汽產(chǎn)量10149kcal/h5主要設(shè)備工藝計(jì)算和設(shè)備選型5.1變換爐的工藝計(jì)算（計(jì)算基準(zhǔn)：處理干粗煤氣327200m3/h）5.1.1已知條件1.平均操作壓力：5MPa2.溫度：1號(hào)變換爐進(jìn)口溫度：280℃，出口溫度：450℃，2號(hào)變換爐進(jìn)口溫度：230℃，出口溫度：350℃，3號(hào)變換爐進(jìn)口溫度：220℃，出口溫度：265℃。3.進(jìn)1號(hào)變換爐的氣體組成如表5-11號(hào)變換爐的氣體流量：327200×1.372=448918.4m3/h表5-1進(jìn)1號(hào)變換爐的氣體組成成分H2COCO2H2O%31.9819.3320.6427.11出1號(hào)變換爐的氣體中CO含量：11.04%2號(hào)變換爐的氣體流量：327200×1.5645=5511904.4m3/h4.進(jìn)2號(hào)變換爐的氣體組成如表5-2表5-2進(jìn)2號(hào)變換爐的氣體組成成分H2COCO2H2O%34.059.6725.3630.73出2號(hào)變換爐的氣體中CO含量：0.64%3號(hào)變換爐的氣體流量：327200×1.7662=577900.7m3/h5.進(jìn)3號(hào)變換爐的氣體組成如表5-3表5-3進(jìn)3號(hào)變換爐的氣體組成成分H2COCO2H2O%37.590.5730.4631.21出3號(hào)變換爐的氣體中CO含量：0.25%變換爐是由封頭、筒體、支座、爐襯組成。5.1.21號(hào)變換爐1.殼體內(nèi)徑氣體的體積流量V1=448918.4m3/hm3/h取變換氣速度uV=0.3m/sm取Di1=6000mm實(shí)際變換爐內(nèi)流速2.變換爐殼體厚度殼體設(shè)計(jì)溫度500℃，殼體材料選15CrMOR(GB6654-1996),設(shè)計(jì)壓力5.5M計(jì)算壁厚公式：PC=5.5MPa,[σ]500=88，φ=0.85mmC1=3mm,C2=0.25mmdn1=229.01+3+0.25+△=232mm3.封頭的計(jì)算Di1=4000mm，mmmmdn1′=110.30+3+0.25+△=114mm4.變換爐爐高變換爐筒體高與爐徑按1.4：1，爐高H11=6000×1.4=8400mmH1=H11+2h1=8400+2×3000=14400mm5.支座選擇裙式支座，高取6000mm。6.催化劑用量1號(hào)變換爐平均溫度（280+450）/2=365℃根據(jù)式中SV-空速，h-1r-反應(yīng)速率x-變換量r1=k1ccocH2O=7980×0.1933×0.2711=418.2催化劑的堆密度為800kg/m3催化劑重量為88.99×800=71192kg7.催化劑床高的確立氣體平均分子量為17.51，氣體在操作狀態(tài)下的重度為氣體重量流速催化劑床層阻力式中△P-氣體通過(guò)催化劑床的壓力降（kg/m2）f-摩擦系數(shù)，取1.5G-氣體重量流速（kg/m2﹒h）γ-氣體在操作狀態(tài)下的重度（kg/m3）dp-顆粒直徑（m）L-催化劑床高（m）E-0.378+0.308dp/DtDt-催化劑床直徑（m）5.1.32號(hào)變換爐1.殼體內(nèi)徑氣體的體積流量V2=511904.4m3/h取變換氣速度uV=0.3m/s取Di2=6000mm實(shí)際變換爐內(nèi)流速2.變換爐殼體厚度殼體設(shè)計(jì)溫度450℃，殼體材料選15CrMOR(GB6654-1996),設(shè)計(jì)壓力5.5MPa,計(jì)算壁厚公式：PC=5.5MPa,[σ]450=104，φ=0.85C1=3mm,C2=0.25mmdn2=192.64+3+0.25+△=196mm3.封頭的計(jì)算Di2=6000mm，dn2′=92.33+3+0.25+△=96mm4.變換爐爐高變換爐筒體高與爐徑按1.4：1，爐高H11=6000×1.4=8400mmH2=H21+2h2=8400+2×3000=14400mm5.支座選擇裙式支座，高取6000mm。6.催化劑用量2號(hào)變換爐平均溫度（230+400）/2=315℃根據(jù)式中SV-空速，h-1r-反應(yīng)速率x-變換量r2=k2cCOcH2O=13200×0.1684×0.3648=818.91催化劑的堆密度為800kg/m3催化劑重量為98.33×800=78664kg7.催化劑床高的確立氣體平均分子量為17.51，氣體在操作狀態(tài)下的重度為氣體重量流速催化劑床層阻力5.1.43號(hào)變換爐1.殼體內(nèi)徑氣體的體積流量V3=577900.7m3/h取變換氣速度uV=0.3m/s取Di3=6000mm實(shí)際變換爐內(nèi)流速2.變換爐殼體厚度殼體設(shè)計(jì)溫度300℃，殼體材料選15CrMOR(GB6654-1996),設(shè)計(jì)壓力5.5MPa,計(jì)算壁厚公式：PC=5.5MPa,[σ]300=123，φ=0.85C1=3mm,C2=0.25mmdn3=162.08+3+0.25+△=165mm3.封頭的計(jì)算Di3=6000mm，dn3′=78.91+3+0.25+△=82mm4.變換爐爐高變換爐筒體高與爐徑按1.4：1，爐高H11=6000×1.4=8400mmH3=H31+2h3=8400+2×3000=14400mm5.支座選擇裙式支座，高取6000mm。6.催化劑用量3號(hào)變換爐平均溫度（220+241）/2=230℃根據(jù)式中SV-空速，h-1r-反應(yīng)速率x-變換量r3=k3ccocH2O=10800×0.15×0.4341=703.24催化劑的堆密度為800kg/m3催化劑重量為119.57×800=95656kg7.催化劑床高的確立氣體平均分子量為17.51，氣體在操作狀態(tài)下的重度為氣體重量流速催化劑床層阻力5.2廢熱鍋爐的工藝計(jì)算（以1號(hào)廢熱鍋爐為例）5.2.1筒體內(nèi)徑的計(jì)算以吹風(fēng)時(shí)的熱負(fù)荷最大進(jìn)行設(shè)計(jì)。吹風(fēng)氣的平均溫度吹風(fēng)氣平均體積流速式中1.1—操作壓力，千克力/cm225—吹風(fēng)時(shí)間百分?jǐn)?shù)火管采用Φ76×3.5取管內(nèi)氣體流速為19m/s0.85—阻力系數(shù)。則取管間距t=100mm,填充系數(shù)η=80%以管板直徑Φ2400mm,筒體內(nèi)直徑為Φ2400mm。5.2.2傳熱系數(shù)的計(jì)算1.管內(nèi)給熱系數(shù)計(jì)算干吹氣、水汽的ro,cp,M,λ,μ值計(jì)算如表5-4表5-4ro,cp,M,λ,μ計(jì)算值組分相對(duì)分子質(zhì)量Myi%yiMiro/kg/m3yiro×102/kg/m3cp/kcal/(kg·℃)yicp/kcal/(kg·℃)COCO2H2N2CH4H2O∑2844228161813611.128.938.80.170.0420.31003.09112.730.7760.0480.00643.56020.301.2501.9770.0901.5390.7171.42913.8057.193.490.2620.0328.98103.751.352.011.311.332.171.690.1490.5810.5070.00230.00090.3431.583組分λ×102/kcal/(m·h·℃)yiM1/3×102λyiM1/3×104/kcal/(m·h·℃)μ×102/cpyiM1/2×102μyiM1/2×104/cpCOCO2H2N2CH4H2O∑19.719.5129.219.244.524.9256.933.5102.148.90.520.1053.2238.3659.01994.66316.99.94.51321.810306.83.43.51.73.52.33.458.4191.954.90.90.286.0392.3200.4667.894.43.10.4292.51258.6干吹風(fēng)氣M=19.56,ro=0.7477kg/m3,cp=1.2401kcal/(kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)粘度水汽M=18,ro=1.4289kg/m3,cp=1.692kcal/(kg·℃),λ=0.2487kcal/(m·h·℃),μ=0.0340cp=3.4×10-5kg/(m·s)干氣與水蒸氣的百分比H2O干氣1-1.59%=98.41%混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)混合氣體的粘度混合氣體重度r=0.9841×0.7477+0.0159×1.4289=0.759kg.m3混合氣體的比熱容cp=0.9841×1.2401+0.0519×1.692=1.247kcal/(kg·℃)(1)計(jì)算管內(nèi)對(duì)流給熱系數(shù)α0火管總截面積氣體重量流速雷諾準(zhǔn)數(shù)（湍流）普蘭特準(zhǔn)數(shù)對(duì)流給熱系數(shù)(2)計(jì)算輻射給熱系數(shù)αR氣體層的有效厚度l=ΨPd式中P__輻射氣體分壓，kgf/cm2Ψ-形狀系數(shù)，取為1d-管徑，m設(shè)管壁溫度為370℃，則管壁與氣體的平均溫度,查圖得E輻射給熱系數(shù)為αH=34+78=112kcal/(m2·h·℃)(3)管外給熱系數(shù)αTαT=α+αH=217.78+112=329.78kcal/(m2·h·℃)2.管外給熱系數(shù)管外為沸騰水，給熱系數(shù)為α=3q0.7p0.15式中q-熱流量，kcal/(m2·h),p-沸騰水的壓力，此處為13kgf/cm2鍋爐的熱負(fù)荷為Q=2