论文总字数：22446字

摘 要

本次设计首先对现有的CO变换工艺做简单的综述，并详细介绍了本次设计所用的工艺流程。然后使用Aspen Plus软件模拟工艺流程，得到物料衡算与热量衡算结果，最后对反应器和换热器进行详细的工艺计算与结构设计。

在反应器模拟时，使用动力学反应器，采用考虑到四种气体(CO,H₂O,CO₂和H₂）吸附过程的“朗格缪尔-欣谢尔伍德”模型。通过转化率确定催化剂质量，根据实验数据运用放大原则确定反应器体积，进而计算空时、停留时间等数据，然后设计结构，确定反应器尺寸，二段反应器直径1500mm，床层高3500mm，三段反应器直径1600mm，床层高3700mm，均采用锥形封头；对于换热器的设计，先进行简捷计算，然后用EDR核算，确定了换热器E5305~E5310的换热面积，即E5305为86.28sqm，面积裕度16.3%；E5306为420.96sqm，面积裕度30.3%；E5307为87.49sqm，面积裕度11.5%；E5308为507.92sqm，裕度15.1%；E5309为71.27sqm，面积裕度25.9%和E5310为1058.43sqm，面积裕度13.4%，在论文的结尾列出了详细的计算结果。

最后根据化工制图的标准规范，用AutoCAD软件绘制了PFD图、PID图及设备工艺条件图。

关键词：CO变换 模拟 动力学 Aspen plus EDR

Design of low temperature CO shift Reactor producing 100000 tons of pure hydrogen and its supplemental equipment

ABSTRACT

Firstly,the CO shift process existed is simply summarized and the process which is applied in this work is introduced in detail.After that,the process is simulated using Aspen Plus software,the result of material balance and heat quantity balance are obtained.Finally,the calculation of process and the design of reactor structrue as well as heat exchanger are made.

A kinetic reactor and a Langmuir-Hinshelwood model,which considers the adsorption of four species(CO,H₂O,H₂ and CO₂) are used during the simulation.Catal-

yst mass is determined by convertion.According to the principle of amplification,the reactor volume is confirmed by experimental data.Then,the data of space time, residence time and detailed structure of reactor can be made respectively.The second shift reactor diameter is 1500mm,its bed height is 3500mm.The third reactor diameter is 1600mm,its bed height is 1700mm.Both of their cover are cone.In the design of heat exchanger,the calculation result is checked by EDR software after the finish of simple one.Among them,the area of E5305 is 86.28sqm,16.3% surplus,the data of he- at exchanger E5306~E5310 is 420.96sqm,30.0%,87.49sqm.11.5%,507.92sqm,15.1%,

71.27sqm,25.9% and 1058.43sqm,13.4% respectively.The results of calculation are list at the end of this work.

In the end,Process Flow Diagram,Piping amp; Instruments Diagram and main equipment structure were drew respectively according to the standards of chemical engineering drawing.

Keywords:CO shift reactor;simulation;kinetics;Aspen Plus;EDR

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 基本内容与原理 1

1.2.1 影响变换反应化学平衡的因素 2

1.3 几种CO低温变换工艺 3

1.3.1 “中变串低变”变换工艺 3

1.3.2 全低变工艺 3

1.3.3 “中-低-低”变换工艺 4

1.4 本设计内容 5

第二章 工艺流程阐述 6

2.1 反应工段 6

2.2 气水分离工段 7

2.3 催化剂 7

第三章 物料衡算与热量衡算 10

3.1 物料衡算及热量衡算的目的及原理 10

3.2 全流程模拟 11

3.2.1 建立流程模拟 11

3.2.2 物性方法 11

3.2.3 低温变换进料物料组成、温度和压力 11

3.2.4 变换反应动力学设置 12

3.2.5 低温变换反应器设置及计算结果 17

3.2.6 换热器模拟 20

3.2.7 气水分离器模拟 25

3.3 模拟结果汇总 28

第四章 低温变换反应器设计 29

4.1 反应器工艺设计 29

4.1.1 R5302工艺设计 29

4.1.2 R5303工艺设计 30

4.2 反应器结构设计 31

4.2.1 R5302结构设计 32

4.2.2 R5303结构设计 33

4.2.3 结果汇总 34

第五章 换热器选型与核算 35

5.1 蒸汽过热器E5305核算 35

5.2 蒸汽发生器E5306核算 39

5.3 结果汇总 43

第六章 结论 45

参考文献 46

致谢 49

附录 50

第一章 文献综述

1.1 课题背景及意义

以渣油、天然气和煤作为原料，可以制取粗合成气，但是所制取的粗合成气中含有一定比例的CO，比如，固体燃料气化制得的半水煤气含一氧化碳量是25％-40％，重油气化制得的水煤气含一氧化碳44％-49％，天然气蒸汽转化法制得的半水煤气含一氧化碳12％-14％。但因原料气的用途不同，对CO的含量要求也不同。在甲醇合成工业中，要求CO含量在19-21％，CO变换反应常常用于甲醇重整制氢反应中大量CO的去除。而在合成氨工业中，CO变换反应的作用主要有两点: 一是为了避免氨合成过程中铁催化剂中毒，将原料气中的CO转化为CO₂; 二是由于CO与原料气中多余的水蒸气反应可生成等体积的H₂，从而增加合成氨产量。因此，一氧化碳变换既可以净化原料气，又是原料气制造的继续。

众所周知，CO变换反应是放热反应，反应温度越低越利于反应进行，也利于节气、节能和提高设备能力。因此，降低催化剂的活性温度并设计出适宜的反应器，是取得先进工艺的关键，并且能够取得明显的经济效益。

1.2 基本内容与原理

一氧化碳变换是在催化剂的作用下，在一定的温度(通常是高于催化剂的起始活性温度)条件下，CO和水蒸汽发生反应，将CO转化为氢气和二氧化碳。其化学反应式为：

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