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1、.第1页X大学化工设计说明书设计题目: 年产20万吨合成氨变换工段工艺设计 系 别： 化学化工学院 专 业： 班 级： 学 生： 指导老师： 20年X月X日 本章符号对照表M相对分子质量，g/mol t/T温度， /K Vm摩尔体积（0,0.1Mpa）22.4/(L/mol) V半水煤气体积，m pco 、pH2O 、pco2 、pH2 分别为CO、H 2 O、CO 2和H 2各组分的分压 H 标准摩尔焓（kJ /mol） /r密度/(kg/ m3) S标准摩尔熵/(J/molk) Kp 平衡常数 Kt反应速率常数，mol/（MPa0.5gh） m质量，kgyco 、yH2O 、yco2 、y
2、H2 分别为CO、H 2 O、CO 2和H 2 摩尔分数X实际变换率，ya 、ya分别为原料气及变换气中一氧化碳的摩尔分数Cp气体的平均比热容，kJ/(kmol)或kJ（kg）R气体常数，8.314J/(molK) E化学反应活化能，J/molg重力加速度，m/s2G气体质量流速，kg/(m2h) Tm最适宜温度，Ki水蒸气在t时的焓，kj/kg饱和度， Q热量，kJw干气空间速度 m/s u催化剂自由容积分数 R汽/气比Di塔体内直径，mm de 当量直径，m H塔高，mm 管板填充系数 n列管根数 t管子中心距m混合气体在温度t时的黏度，MPas i混合气体中i组分在温度t时的黏度，MPa
3、syi 混合气体中i组分摩尔分数 Mi混合气体中i组分的分子量Sa 弓形截面积，m2 h弓形高度，m H 档板间距，mF传热面积，m2 L列管长度，m K总传热系数，kJ/(m2 h) 塔体焊缝隙数 300 筒体材料在设计温度300下的许用应力 C1 钢板厚度负偏差,mm C2腐蚀裕量，mm目 录前言71 绪论71.1 氨的性质和用途71.2 小型氨厂的发展81.3 合成氨生产方法简介81.4 一氧化碳变换在合成氨中的意义82 一氧化碳脱除方发和选择112.1一氧化碳的脱除方法112.2一氧化碳脱除的方案选择113 一氧化碳变换方案123.1变换原理123.2变换方案的选择133.3 中变炉的
4、选择134 变换工艺的计算154.1 中变炉的计算154.2 饱和热水塔出口热水温度估算244.3 饱和热水塔物料和热量计算244.4 换热气物料和热量的计算285 设备的计算355.1 变换炉的计算355.2 饱和热水塔的计算385.3主热交换器的计算445.4 中间换热器的计算485.5 水加热器的计算505.6 热水循环塔的计算535.7 变换冷却器的计算566 变换炉的结构的计算606.1 变换炉设计条件606.2变换炉结构计算607 设备的选型668 变换反应的工艺参数和工艺条件678.1变换反应的工艺参数678.2 变换过程的工艺条件679 设计结果一览表70参考文献71致谢72
5、. . . 年产20万吨合成氨变换工段工艺设计 指导老师： 摘要:用中温中压三段变换的方法，半水煤气首先经过饱和热水塔，在饱和热水塔内气体与塔顶流下的热水逆流接触进行热量与质量传递，使半水煤气体温增湿，出塔气体进入气水分离器分离夹带的液滴，再进入主热换热器、中间换热器和电炉升温，使温度达到320左右进入变换炉一段。经一段反应后的变换气在段间补充水分后进入变换炉二段，二段反应后变换气进入中间换热器，达到一定温度后进入三段反应,最终将半水煤气中CO的含量由30.00%降低至3.0%左右，使之符合年产9万吨中温变换工艺设计的要求。本设计从变换理论，工艺计算及设备选型等方面进行了阐述，并对该变换工艺进
6、行了物料计算，热量计算和有关的设备计算。根据设计任务和要求，确定了一套中温变换系统。本设计采用低温活性好的中变催化剂，降低了炉气中蒸汽比，采用电炉升温，革新了变换炉系统燃烧炉升温的方法，使之达到操作简单、平稳、省时、节能的效果。关键词：半水煤气;一氧化碳;变换系统 前言本设计为年产20万吨合成氨的一氧化碳中温变换的初步设计，采用中温中压三段变换，使半水煤气中的CO含量从28.5%降到3%左右。一氧化碳的变换是一个可逆的放热反应，因此，温升对反应不利，在催化剂活性范围内提高温度可加快反应速度，在同一气体组成和汽气比的条件下选择适宜的温度有利于一氧化碳平衡变换率的提高，以达到最佳的反应效果及最合理
7、的催化剂用量。催化剂的活性温度越低，在相同条件下，CO的平衡变换率越高，即变换气中含CO越低，从而可节省蒸汽用量。此设计分别对中温变换工艺过程选择、论证、变换原理以及相关的物料、热量衡算，设备的计算、选型作了比较详尽的阐述，以实际的工艺生产为指导，以理论计算为依据，将理论与实际相结合起来。通过本次实习的训练，我们从中收获了很多东西，同学们通过一起合作学习，加强了我们团队精神的意识和增强了将书本上所学的知识应用到实际中的能力。由于设计经验的不足，难免有疏漏和不妥之处，敬请老师和同学们批评指正，谢谢！1 绪论中国合成氨是在20世纪30年代开始的，但当时仅在南京、大连两地建有氨厂，最高年产量不超过5
8、0kt（1941年）。此外，在上海还有个电解水制氢生产合成氨，硝酸的小车间。中华人民共和国建立以来，化工部门贯彻农业服务的方针，把发展化肥生产放在首位。经过50多年的努力，中国已拥有多种原料。不同流程的大中小型合成氨厂1000多个，1999年总产量为34.52Mt，位居世界第一。1.1 氨的性质和用途氨的分子式NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。人们在大约100cm/m氨的环境中，每天接触8H会引起慢性中毒。1.1.1 物理性质 氨的主要物理性质。氨极易溶于水，溶解时放出大量的热，可产生含NH315%30%的氨水，氨水溶液是碱性，易挥发。液氨或干燥的氨气对大部分物质
9、没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的主要物理性质：相对分子质量 17.03 沸点（0.1Mpa）/ 33.35含氮量/% 82.2 蒸发热（-33.4）/( kJ /kg) 1368.02摩尔体积（0,0.1Mpa）/(L/mol) 22.08 冰点/ 77.70液体密度（-33.4,0.1Mpa）/(g/cm3) 0.7714 熔化热（-77.7）(kJ /kg) 333.42液体密度（-33.4,0.1Mpa）/(g/cm3) 0.6818 气体高热值/（MJ/）m3 17.52界湿度/ 132.4 液体高热值/（MJ/kg） 22.35临界压力/MPa 11.
10、30 液体低热值/（MJ/kg） 16.74临界体积/L/kg 4.257 标准摩尔焓H（kJ /mol） 46.21临界密度/(g/ cm3) 0235 标准摩尔熵S/(J/molk) 192.60临界热导率/W/（mk） 0.522 电导率/（s/m） 310-51.1.2 化学性质 氨在常温时非常稳定，早高温、电火花或紫外线光的作用下可分解为氮和氢，其分解速度在很大程度上与气体接触的表面性质有关。氨是一种可燃性物质，自燃点为630，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。常压，常温下的爆炸范围分别为15.5%82%（氧气）。氨易于很多物质发生反应，例如,在铂催化剂作用
11、能与氧反应生成NO。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐，例如氨也能与CO2 反应生成氨基甲酸铵，脱水尿素。利用氨与各种无机酸反应制取磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨；与CO2 、水反应生成碳酸氢铵。氨能生成各种加成配位化合物，它们和水合物类似，统称氨合物或氨络物，例如对应CaCl. 6H2O和Cu SO4 . 4H2O,也分别有CaCl. 6 NH3 和Cu SO4 . 4 NH3。1.1.3 氨的用途 氨在国民经济中占有重要的地位。现在大约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生成其它化工产品的原料。初液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素，磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨，氨水以及含氮混肥和
12、复肥为原料的。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制取硝酸，进而再制造硝酸铵，硝化甘油，三硝基甲苯和硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨，硝酸和尿素等作为氮源，生产己内酰胺、尼龙6单体 人造丝 丙烯晴 酚醛树脂和尿醛树脂等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，作用制冰，空调，冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜，镍等金属，在医药和生物化学方面用做生产磺胺类药物，维生素，蛋氨酸和其它氨基酸等等。1.2 小型氨厂的发展为了适应农业发展的迫切需要，发展中央和地方办化肥厂的积极性，1958年著名化学家侯德榜提出碳化法合成氨流程制取碳酸氢氨新工艺，经过生产实验，历
13、时6年，终于闯过了技术关，经济关。从20世纪60年代看市在全国各地（除西藏外）建设了一大批小型氨厂，1979年最多时曾发展到1539座氨厂。11.3 合成氨生产方法简介氨的合成，首先必须制备合格的氢、氮原料气。氢气一般常用含有烃类的各种燃料，即通过用焦炭、无烟煤、天然气、重油等为原料与水蒸气作用的方法来制取。氮气可将空气液化分离而得，或使空气通过燃烧，将生成的 CO、CO2除去而制得。我国是世界上煤炭资源比较丰富的国家之一，煤炭储量远大于石油、天然气储量。因此，煤炭是我国合成氨的主要原料来源。我国生产合成氨的原料有2/3是煤炭。合成氨的生产过程，主要包括以下三个步骤：（1）造气：即制备含有氢、氮的原料气；（2）净化：采用适当的方法除去原料气中含有的对合成氨有害的各种杂质；（3）压缩和合成：将合格的氢、氮混合气压缩到高压，在铁催化剂的存在下合成氨。以焦炭或煤为原料合成氨的流程是采用间
