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1、专业： 化学工程与工艺 姓名： 白林 指导老师： 邓慧 2013.06.25,年产十万吨合成氨变换工艺设计,内容提要,致 谢,设备的计算,变换工艺计算,总 论,一、总 论,氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中 占有重要地位。合成氨生产经过多年的发展，现已 成为一种成熟的化工生产工艺。 近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能 耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改 进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成 压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、 回收和合理利用低位热能等方面上。,1、氨的物化性质,氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放 大量的热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨
2、和干燥 的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件 下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。 氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高 温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具 有可燃性，自然点为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。氨的 性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐 。,2、合成氨的典型工艺流程介绍,合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的 制备、净化、压缩和合成,3、合成氨变换工艺原理,变换工序是指CO与H2O(g)反应生成CO2和H2的 过程。合成氨中需要H2和N2，因此需要除去合成气中 的CO。变换工段主要利用CO变换反应式： CO+H2OCO
3、2+H2 CO转化为较易被消除的CO2并获得宝贵的H2，因 而一氧化碳变换既是气体的净化过程，又是原料气制 取的继续。最后，少量的CO再通过其他净化法加以脱 除。CO 变换可能进行的限度为CO 平衡变换率，平衡 变换率随着温度的升高而降低，随CO 成分的增高而增 高，随CO2成分的增高而降低。,4、设计方案的确定,一氧化碳变换工艺的流程安排应做如下考虑。若 一氧化碳体积分数较高，应采用中温变换，大多数合 成氨原料气中一氧化碳高于10%，可先通过中变除去 大部分一氧化碳。对一氧化碳体积分数高于15%的， 一般考虑适当分段，段间进行冷却降温，尽量靠近最 适宜温度操作。其次，根据原料气的温度和湿含量
4、情 况，则考虑适当预热和增湿，合理利用余热。如允许 变换气中残余CO体积分数在3%左右，只采用中变即 可。如要求在0.3%左右，则将中变和低变串联使用。,5、工艺流程,本设计主要是变换工序的工艺设计，所选流程为： 选用中串低工艺。从压缩工段来的变换气进入饱和 热水塔，在饱和塔出口加入水蒸汽使汽气比达3-5，以后 再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。 再通过换热器将转换气的温度降到180左右，进入低 变炉将转换气中一氧化碳含量降0.3%以下，再进入脱碳 工段。,6、工艺参数的确定,（1）压力 一般小型氨厂操作压力为0.7-1.2MPa,中型氨 1.21.8Mpa。本设计压力可取1.7
5、5MPa. （2）温度 变化反应是可逆放热反应。从动力学角度推导的 计算式为,Tm=,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。,二、变换工艺计算,计算生产1吨氨需要的变换气量： （1000/17）22.4/（222.56）=2920.31m3(标) 进中变炉的变换气干组分,取水汽比H2O/CO=3.5 故V（水）=3.5VCO=3.5*338.32=1184.12m3(标) 因此进中变炉的变换气湿组分如下表,废热锅炉的热量和物料计算 进废热锅炉的温度为： 920 出废热锅炉的温度为： 330 进出设备的水温： 20 出设备的水温： 330 进出
6、设备的转化气（湿）：168.37kmol 进出设备的水量： X kmol 物量在设备里无物量的变化。 水带入热Q1=XCpT 变换气带入热Q2=nCpmT 同理求得变换气带出热Q3；水带出热Q4。 热量平衡：0.96(Q1+ Q2)= Q3+ Q4 则X=288.305koml,中变炉一段催化床层的物料衡算 假设CO在一段催化床层的实际变换率为60 求出在一段催化床层反应后剩余各组分的量 得到出中变炉一段催化床层的变换气干组分的含 进而求得出中变炉一段催化床层变换气湿组分含量 出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量 根据：Kp=（H2CO2）/（H2OCO） 计算得Kp，查出对应温度t,中变
7、炉一段催化床层的热量衡算 设平均温距为35，则出变炉一段催化床层的变 换气温度为：450-35=415 基准焓通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 变换气的各个组分的基准焓列于下表,反应CO+H2O=CO2+H2 放热 Q1=nCOH1 同理O2+2H2=2H2O 放热 Q2 气体吸热Q3=nCpmT 根据热量平衡得：Q= Q3 +Q4 =Q1 +Q2 热损失 ：Q4=32417.029 kJ 同理对中变炉二段催化床层进行计算,中间冷淋过程的物料和热量衡算 已知：变换气的流量： 185.39 koml 设冷淋水的流量： X kg 变换气的温度： 415 冷淋水的进口温度： 2
8、0 进二段催化床层的温度：353 冷凝水吸热Q1= X(H-h1）变换气吸热Q2= nCpmT 根据热量平衡：0.96 Q2= X(H-h1） X=102.397kg = 5.689 kmol= 127.44 m3(标）,主换热器的物料与热量的计算 进出设备的变换气的量：190.97kmol 进出设备的水的量： Xkmol 变换气进设备的温度： 365 变换气出设备的温度： 250 水进设备的温度： 20 水出设备的温度： 90 变换气带入热Q1=nCpmT；水带入热Q2=XCpT 同理求变换气带出热Q3水带出热Q4 0.96（Q1+Q2）=Q3+Q4 X=222.56 kmol,调温水加热器
9、的物料与热量计算 已知条件： 入设备的变换气温度： 250 出设备的变换气温度： 181 进设备的湿变换气的量：190.97kmol 变换气带入的热量：Q1=3308824.816 kJ 变换气带出的热： Q2=nCpmT 热损失; Q3=0.04Q1 变换气放出的热量： Q=Q1-Q2-Q3=349332.654 kJ,低变炉的物料计算 要将CO降到0.2（湿基）以下， 由CO实际变换率为：Xp= 求出低温变换炉干组分量，进而求出低变炉湿组分量 根据：Kp=（H2CO2）/（H2OCO） 计算得Kp，查出对应的温度t 低变炉的热量衡算 变换气反应放热Q1=nCOH1 气体吸热Q2=nCpmT
10、 热损失Q3=Q1-Q2,三、设备的计算,变换炉计算 催化剂用量Vr=T0V0 中变换炉催化剂用量: V= V01+V02=19.367+16.577=35.944 m3 对于催化剂用量的计算 设催化剂床层直径为2.5m 催化剂床层阻力降: P= 通过对催化剂床层阻力 、催化剂层高的计算得以验证 计算结果符合要求P30KPa,故取催化剂直径2.5m,主换热器的计算 水吸热为： Q4-Q2=572306.363 kJ 实际转热量为:Q= (Q4-Q2)3.79=2169041.116kJ/h 传热面积： S=Q/(K.tm)=95.71 m2 选择固定管板式换热器 壳径/mm 600; 管子尺寸
11、/mm 252.5; 公称压强/MPa 2.5; 管长/m 6; 公称面积/m2 120; 管子总数 254; 管程数 2; 管子排列方案 三角形;,中变废热锅炉 （1） 设备直径与列管数量确定 为使设备结构紧凑,减少热量损失,提高单位面积换热能力, 拟采用252小列管,单程结构,并使热气体走管内,冷气体走 管程. （2）设备规格选定 中变废热锅炉内径取1000mm,列管252,管间35mm, 管壁与壳壁净距不小于15mm。共排390根 温水调节器 规格 400，换热面积为25m2，管子排列方式为三角形排 列， 材料为碳钢。,四、致谢,本设计在邓慧老师的悉心指导和严格要求下业已 完成，课题选择、方案论证到具体设计，无不凝聚着 邓慧老师的心血和汗水，本设计之所以能够顺利的完 成就是因为她在本设计的各个阶段给出了许多宝贵意 见。在这我要感谢老师的栽培，因为她我更好的锻炼 了自己。 最后，我要向在百忙之中抽时间对本设计进行审 阅、评议和参加本人论文答辩的各位师长表示感谢！,
