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1、l四川理工学院毕业设计（论文）100kt/a 合成氨宽温变换工艺设计学 生： 学 号：专 业： 班 级： 指导教师： 四川理工学院材料与化学工程学院l摘摘 要要CO 变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，所以在合成氨工艺流程中占有重要地位。本设计采用全低变换流程，并对流程中各个设备进行物料和能量衡算，同时对设备选型计算。在设备选型计算时主要对全低变换炉进行了计算、全低变换催化剂的选型、用量计算和确定全低变换炉工艺尺寸。关键词关键词：合成氨，变换，催化剂，衡算，选型lThe Wide Temperature Process Design of 100kt / a Synthetic Am
2、monia Transformation AbstractCO feed gas shift reaction is made to continue, but also a purification process, so play an important role in the ammonia process. This design uses in low-temperature series transformation process, and the process of various materials and equipment, material balance can
3、be calculated for selection of equipment. In the selection of equipment for low temperature shift in the main furnace calculated: low shift catalyst dosage, the selection and calculation of furnace temperature transform technology dimensions.Keywords: synthetic ammonia, transform, catalyst, calculat
4、ion and selectionl目录1.1.前前 言言.11.11.1 工艺原理工艺原理.1 1.21.2 变换工艺流程确定变换工艺流程确定1 1.31.3 变换工艺参数的确定变换工艺参数的确定2 1.3.1 压力.2 1.3.2 温度.2 1.3.3 汽气比.2 1.41.4 主要设备的选择说明主要设备的选择说明.32.2.变换工段物料及热量衡算变换工段物料及热量衡算.42.12.1 变换炉物料衡算及热量衡算变换炉物料衡算及热量衡算.4 2.1.1 已知转化气组成4 2.1.2 本设计的计算基准4 2.1.3 工艺条件的确定4 2.1.4.变换炉催化床层的物料衡算4 2.1.5 变换炉催
5、化床层的热量衡算.6 2.1.6 变换炉催化剂平衡曲线.7 2.1.7 最佳温度曲线的计算8 2.1.8 操作线计算83.3.辅助设备物料及热量计算辅助设备物料及热量计算.103.13.1 饱和塔的物料与热量衡算饱和塔的物料与热量衡算10 3.23.2热水塔物料与热量衡算热水塔物料与热量衡算.12 3.3.3.3.第一换热器的热量衡算第一换热器的热量衡算.13 3.4.3.4.废热锅炉的热量衡算废热锅炉的热量衡算.14 3.5.3.5.第二换热器的热量衡算第二换热器的热量衡算.15 3.63.6 物料汇总表物料汇总表.17 3.73.7 热量汇总表热量汇总表.184.设备计算设备计算204.1
6、.4.1.变换炉的计算变换炉的计算20 4.2.4.2.饱和塔的计算饱和塔的计算23 4.3.4.3.热水塔的计算热水塔的计算27 4.4.4.4.第一换热器的计算第一换热器的计算.30 4.5.4.5.第二换热器的计算第二换热器的计算.36 4.6.4.6.封头的选择封头的选择43 4.7.4.7.群座群座43l4.8.4.8.人孔人孔44 4.9.4.9.排气孔排气孔44 4.10.4.10.接管接管44 4.11.4.11.法兰法兰45 4.12.4.12.筋板筋板45 4.134.13 主要设备一览表主要设备一览表46参考文献参考文献.47对本设计评述对本设计评述.48致谢致谢.49附
7、附.50l1.前 言1.1 工艺原理氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。合成氨的生产主要分为：原料气的制取；原料气的净化与合成。粗原料气中常含有大量的 CO，由于 CO是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过 CO 变换反应，使其转化为易于清除的 CO2和氨合成所需要的 H2。因此，CO 变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。最后，少量的 CO 用液氨洗涤法，或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。变换工段是指 CO 与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。工艺原理
8、：一氧化碳变换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q (1-1)CO+H2 = C+H2O (1-2) 其中反应(1-1)是主反应，反应(1-2)是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应(1-1)具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。变换过程中还包括下列反应式：H2+O2=H2O+Q 1.2 变换工艺流程确定目前变换工艺流程有：中温变换，中串低，全低及中低低 4 种工艺。中温变换流程的特点是：采用低温高活性的中变催化剂，降低了工艺上对过量蒸汽的要求;采用段间喷水冷凝降温，减少了系统的热负荷和阻
9、力，减少外供蒸汽量;合成与变换，铜洗构成第二换热网络，合理利用热能。中温变换串低温变换流程的特点：采用铁铬系中温变换催化剂后串铜锌系低温变换催化剂。由于铜锌催化剂对硫敏感，所以以煤或重油为原料制取的原料气在进行中温变换后，一般要经过湿法脱硫、一次脱碳、氧化锌脱硫后，才能进行低温变换，最后还要二次脱碳，流程长、设备多、能耗大。中低低流程的特点是:在一段铁铬系中温变换催化剂后直接串两段钴钼系耐硫变换催化剂，利用中温变换的高温来提高反l应速率，脱除有毒杂质，利用两段低温变换提高变换率，实现节能降耗。全低变换流程的特点是：变换炉入口温度及床层内的热点温度均比中变炉低，使变换系统在较低的温度范围内操作，
10、有利于提高 CO 平衡变换率，在满足出口变换气中 CO 含量的前提下，可降低入炉蒸汽量，使全低变流程比中变及中变串低变流程蒸汽消耗降低。催化剂用量减少一半，使床层阻力下降。考虑到全低变流程的优点，所以本设计选用全低工艺流程。此流程为：转化气首先进入饱和热水塔，在饱和热水塔中转化气被增湿。在进变换炉前加入蒸汽使 H2O/CO达到 3.5，再进入变炉炉将转换气中一氧化碳含量降到 1.5%。再通过换热器将变换气的温度降到 127。 1.3 变换工艺参数的确定1.3.1 压力压力对变换反应的平衡几乎没有影响。但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。单就平衡而言，加压并无好处。但从动力学角度，加
11、压可提高反应速率。从能量消耗上看，加压也是有利。由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗低。具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定。一般小型氨厂操作压力为0.7-1.2MPa,中型氨厂为 1.2-1.8MPa1。本设计为小型氨厂故压力可取 0.8MPa。1.3.2 温度变换反应是可逆放热反应。从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO 平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的，因
12、而存在着最佳反应温度。对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为：Tm=1212ln1EE EERTTee式中 Tm、Te分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。1.3.3 汽气比水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽/干原料气。改变水蒸汽比l例是工业变换反应中最主要的调节手段。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡变换率，从而有利于降低 CO 残余含量。但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，将造成催化剂床层阻力增加，CO 停留时间缩短，余热回收设备负荷加重等后果。1.4 主要设备
13、的选择说明全低变流程中，主要设备有变换炉、饱和热水塔、换热器等。催化剂选用 B302Q 型催化剂，并确定其用量。以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的CO 浓度。l2.变换工段物料及热量衡算2.1 变换炉物料衡算及热量衡算2.1.1 已知转化气组成已知变换炉进口气体组成：表 2-1 变换炉进口气体组成组分COCO2H2H2SO2合计含量%30.21154.14.50.21002.1.2 本设计的计算基准本设计中物料衡算以 100 Nm3原料气为计算基准，热量衡算以 25为计算基准，则入变换炉气体的干基组成为：表 2-2 变换炉进口气体干
14、基组成组分COCO2H2H2SO2合计Nm330.21154.14.50.2100%30.21154.14.50.21002.1.3 工艺条件的确定根据参考文献1确定变换工艺条件如下：入口 Ti=170，操作压力 P=0.8MPa,水气比 H2O/CO=3.52.1.4.变换炉催化床层的物料衡算因水气比 H2O/CO=3.5，则 V (H2O) =105.7Nm3则入变换炉气体的湿基组成为：表 2-3 变换炉进口气体湿基组成组分COCO2H2H2SO2H2O合计Nm330.21154.14.50.2105.7205.7l%14.685.3526.302.190.1051.38100本设计要求出
15、催化剂床层的 CO 干基含量为 1.5%所以 CO 的实际变换率为：2121 1YYYYX=)015. 01 (302. 0015. 0302. 0=93.63%则反应了的 CO 量为：30.293.63%=28.28 Nm3则反应后的变换气组成为：V(H2)=54.1+28.28-0.4=81.98 Nm3 V(H2O)=105.7-28.28+0.4=77.82 Nm3V(CO)=30.2-28.28=1.92 Nm3V(CO2)=11+28.28=39.28 Nm3V(H2S)=4.5 Nm3所以，出变换炉的干基组成为：表 2-4 出变换炉变换气干基组成组分COCO2H2H2S合计Nm3
16、1.9239.2881.984.5127.68%1.5030.7664.213.53100出变换炉的湿基组成为：表 2-5 出变换炉变换气湿基组成组分COCO2H2H2SH2O合计Nm31.9239.2881.984.577.82205.5%0.9319.1139.892.2037.87100所以，平衡常数 K 为：lK= OHCOCO222%H =87.3793. 011.1989.39 =21.64查2得，Te=346设平衡温距为 13，则出口温度为 To=3332.1.5 变换炉催化床层的热量衡算取进出口的平均温度 T平=(170+333)=252进行计算为：混合气体的热容为：CO: Cp=4.1868(6.48+0.15660.01T-0.023870.00001T2)H2: Cp=4.1868(6.424+0
