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摘 要

本设计介绍了该设计题目的背景和意义，并且详细介绍了本次设计所用的工艺流程。使用ASPEN PLUS软件进行整体工艺流程的模拟，对反应器以及换热器设备进行设置，模拟计算出物料衡算与热量衡算结果，对低温变换反应器和附属换热器设备进行设计。

在反应器模拟阶段，采用了动力学反应器，因为此反应涉及到的气体为CO、H₂O、CO₂和H₂，所以选择LHHW模型。用ASPEN PLUS软件中的敏感性分析功能利用转化率确定最佳的催化剂装填量，从而确定反应器的直径和高度，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。R5302的直径为1400mm，高3200mm，R5303的直径为1400mm，高3200mm，二者都用锥形封头。设计换热器时，先用ASPEN PLUS进行简捷计算，然后用EDR软件核算，确定换热器的换热面积等数据。其中E5305换热面积82.2m²；E5306换热面积206.8 m²；E5307换热面积33.6 m²；E5308换热面积600.6 m²；E5309换热面积44.7 m²；E5310换热面积618.9 m²。详细的结果及数据见换热器章节的结果汇总表格。

最后用CAD软件绘制此次低温变换反应的PFD图、PID图及设备工艺条件图。

关键词：CO低温变换反应 软件模拟 ASPEN PLUS EDR LHHW模型

Design of low temperature CO shift Reactor producing 50000 tons of pure hydrogen and its supplemental equipment

Abstract

The design starts with the background and meaning of this topic, and then introduces the details of the process flow of this design. Secondly, the ASPEN PLUS software was used to simulate the whole process. The reactor and the heat exchanger were set up to calculate the material balance and heat balance. Finally, the low temperature transformer and the auxiliary heat exchanger were designed.

In the reactor simulation phase, the kinetic reactor is used because the reaction involves CO, H₂O, CO₂ and H₂, so the LHHW model is selected. Using the sensitivity analysis function in ASPEN PLUS software, the optimum catalyst loading is determined by the conversion rate, and then the diameter and height of the reactor are determined, and the data such as space time and residence time are calculated. Then, the structure and the reactor size are determined. R5302 diameter of 1400mm, 3200mm high, R5303 diameter of 1400mm, high 3200mm, both with a tapered head. When we design the heat exchanger, the first step is using ASPEN PLUS for simple calculation, and the next step is using EDR software accounting to determine the heat exchanger heat transfer area and other data. E5307 heat transfer area is 82.2m²; E5306 is 206.8m²; E5307 is 33.6m²; E5308 is 600.6m²; E5309 is 44.7m²; E5310 is 618.9m². Detailed results and data are presented in the heat exchanger section of the results summary table.

Finally, CAD software is used to draw the PFD diagram, PID diagram and equipment process condition diagram of the low temperature transformation reaction.

Key words: CO low temperature shift reaction software simulation ASPEN PLUS EDR LHHW model

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 课题的背景及意义 1

1.2 基本内容及原理 1

1.2.1 反应机理 1

1.2.2 影响反应进行的因素 2

1.3 CO低温变换工艺发展历程 2

1.4 本次设计内容的概述 3

第二章 工艺流程叙述 4

2.1 变换反应阶段 4

2.2 气水分离阶段 5

2.3 催化剂的选用 5

第三章 流程模拟及物料衡算、热量衡算 8

3.1 物料衡算、热量衡算的目的及原理 8

3.2 流程模拟 8

3.2.1 模拟流程的建立 8

3.2.2 选择物性方法 9

3.2.3 进料流股信息 9

3.2.4 变换反应动力学设置 10

3.2.5 低温变换反应器的设置及模拟结果 13

3.2.6 换热器设置及模拟结果 19

3.2.7 气水分离器的模拟 22

3.3 模拟结果汇总 25

第四章 反应器设计 26

4.1 工艺设计 26

4.1.1 R5302工艺设计 26

4.1.2 R5303工艺设计 27

4.2 结构设计 28

4.2.1 R5302结构设计 28

4.2.2 R5303结构设计 29

4.2.3 结果汇总 30

第五章 换热器的设计选型及核算 31

5.1 E5305的计算 31

5.2 结果汇总 35

第六章 结论 36

参考文献 37

致谢 39

附录 40

第一章 文献综述

1.1 课题的背景及意义

CO变换反应[2]（WGSR）是合成气中原料气的净化、合成氨[20]、生产氢气、生产甲醇、燃料电池制备等重要工业反应的关键性步骤。CO变换反应能够有效的去除混合气体中的CO组分，并使其尽可能地转化为氢气和二氧化碳，为尾气处理提供了便利并且减少了环境污染。

变换反应分为两个工段[9]，高温变换反应和低温变换反应。高温变换反应主要是反应动力学步骤[12]，低温变换反应则是化学平衡步骤。

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