论文总字数：19869字

摘 要

本设计对国内外CO变换反应的背景、工艺流程概况及变换催化剂进行了比较分析。采用中-低-低变换工艺作为流程模拟的依据，然后利用Aspen和EDR软件对流程中的反应器和换热器进行了设计和核算。

一段变换反应模拟使用的是动力学反应器RPlug，装填有DG中高温变换催化剂，发生气固相催化反应，反应动力学选择用幂率速率方程式来表示，经过对模拟结果的研究计算，得到反应器长7.2m，直径0.8m，器内催化剂装填量2900Kg，床层堆密度 ρb = 1040 Kg/m³,床层高度5.84 m。 一段的CO转化率达到了78％。一段变换反应的模拟还包括三个换热器和一个冷却器，采用Aspen和EDR对换热器进行了模拟，结果取E5301、E5302、E5303、E5304的换热面积分别为116.754sqm、24.408sqm、295.417sqm、147.9sqm，面积裕度分别为21％、21％、30％、18％。

最后根据相关标准与规范，利用AutoCAD等软件绘制了PFD、PID及主体设备图等。

关键词：CO变换 中低低工艺 Aspen 设计选型 EDR

The design of medium temperature Carbon monoxide shift Reactor producing 100000 tons of pure hydrogen and supplemental equipment

Abstract

Firstly,the background and process of the CO shift reaction was described.Then the research of the shift catalyst was analyzed, according to the final comparison of each conversion process, we decided to use the medium - low - low transformation process for the simulation , and then use the Aspen and EDR software to imitate and design reactors and heat exchangers .

Period shift reaction simulation using a kinetic reactor RPlug, packed with DG high temperature shift catalyst, gas-solid catalytic reaction occurs, a power law rate equation was choosed to represent the reaction kinetics, through the research and the calculation of the simulation results, the reactor length was 7.2m, diameter was 0.8m, the mass of catalyst loading within the fixed bed were 2900Kg ,bulk density ρ_b = 1040 Kg / m3, bed height was 5.84m. Section of the CO conversion rate reached 78%. Analog shift reaction section also includes three heat exchangers and a cooler, heat exchanger were simulated by using Aspen and EDR, the results of E5301, E5302, E5303, E5304 effective heat transfer area were 116.754sqm, 24.408sqm, 295.417sqm ,147.9sqm respectively.And the area margin were 21%,21％,30％,18％respectively.

Finally, according to the relevant standards and specifications, the use of AutoCAD and other software to draw the PFD, PID and the main device maps.

Keywords: CO conversion;Medium-low technology;Aspen;Design Selection;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 CO变换催化剂的研究进展 3

1.3.2 低温变换催化剂 4

1.3.3 铜基变换催化剂 4

1.4本设计任务 4

第二章 工艺流程选择及分析 6

2.1 中低低工艺 6

2.2 流程分析 7

第三章 Aspen模拟 12

3.1 全流程模拟 12

3.1.1 模拟流程图 12

3.1.2 物料衡算 13

3.1.3 能量衡算 17

3.2反应器R5301的模拟 19

3.2.1 DG中高温变换催化剂 19

3.2.2 DG中(高)温变换催化剂反应动力学模型 20

3.2.3 模拟 20

3.3换热器的模拟 24

3.3.1粗合成气预热器E5301 24

3.3.2中压蒸汽过热器E5302 26

3.3.3中压余热锅炉E5303 28

3.3.4冷凝液加热器E5304 30

第四章 反应器的设计 32

4.1 中温变换炉R5301设计与选型 32

第五章 换热器的选型 35

5.1 换热器E5301设计与选型 35

5.2换热器E5302设计与选型 38

5.3换热器E5303设计与选型 41

5.4换热器E5304设计与选型 45

5.5换热器参数 49

第六章 结论 50

参考文献 51

致谢 54

附录 55

第一章 文献综述

1.1课题背景及意义

随着H2作为燃烧和燃料电池的能源载体的需求不断增加，氢气生产成为能源研究领域的主要课题之一。由于煤炭天然存在，它将成为氢气生产的主要来源之一。从整体煤气化联合循环（IGCC）电厂生产的煤基合成气代表了一种生产H2的有吸引力的途径,把发电和合成有价值的化学品结合在了一起。对于这样的煤炭到H₂过程，在许多重要的工业领域氢气主要是通过WGRS（水煤气变换反应）来生产的^[2] 。合成氨的所谓生产过程其实就是将造气过程所产生的 CO 通过反应变换成为 CO₂ ,从而达到可以净化原料气的目的。而变换的过程需要在高温高压和有催化剂存在得条件下进行,所以 CO 的变换工段是合成氨生产中的比较耗费成本的工段,降低变换工段的成本对合成氨成本的降低也是非常重要的^[22]。

在制取H₂的过程中，中温变换炉是制取H₂装置的关键设备，它可以将变换气体中的一氧化碳在高温和催化剂条件下发生WGRS反应， 生成氢气和二氧化碳。

1.2 基本内容与原理

WGSR是一个被大众所熟知的著名和被深入研究的反应，理论上可以表示为。它是比较温和的放热过程，平衡常数随着温度的增加而减少。这意味着，该反应需要进行在较低的温度下。然而，由于更高的化学动力学，可在更高的温度下达到更快的反应速率。WGSR总的来说是分两步进行的；第一步下高温（300-400C）下伴随高吞吐量，然后在低温度（200-250C）下增加CO的平衡转化率^[2] 。水煤气在拥有催化剂的反应条件下 ,主要是发生如下的过程 :

请支付后下载全文，论文总字数：19869字