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1、合成氨变换工段车间布置图摘 要变换工段是指一氧化碳与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制备的继续。目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程。本设计针对中低温串联变换流程进行设计，对流程中各个设备进行物料、能料衡算、以及设备选型，并绘制了带控制点的流程图。关键词：合成氨,变换,工艺设计，设备选型30kt/a Retention Of Ammonia Synthesis Process Preliminary DesignAbstact Transform section refers to the reactions that produce ca
2、rbon dioxide carbon monoxide and hydrogen and water vapor in the process. Carbon monoxide transformation is the gas material purification process, and the preparation of gas material to continue. At present, the transformation mainly by grow string sections of variable process low. This design of lo
3、w-temperature series transformation process of process design, materials, each device can material calculation, and the equipment selection, and plotted take control in the flow chart and variable furnace equipment assembly drawing. Keywords：ammonia, transformation, process design,equipment choice目
4、录摘 要ABSTRACT1绪论11.1前言11.2 氨的性质和用途11.2.1 氨的物理性质11.2.2氨的化学性质11.2.3氨的用途21.3变换工艺原理21.4工艺条件31.4.1 压力31.4.2 温度31.4.3汽气比41.5工艺流程确定41.5.1工艺流程简图51.5.2流程工序简述51.5.3主要设备的选择说明52物料与热量衡算62.1已知条件62.2中变炉的物料与热量衡算72.2.1水气比的确定72.2.2中变炉CO的实际变换率的求取72.2.3中变炉的物料衡算72.2.4对出中变炉的变换气的温度进行估算102.2.5中变炉的热量衡算102.2.6中变炉催化剂平衡曲线112.2.
5、7最佳温度曲线的计算122.2.8 中变催化剂操作线的计算132.3低变炉的物料与热量衡算142.3.1低变炉CO的实际变换率的求取142.3.2.低变炉的物料衡算142.3.3对出低变炉的变换气温度进行估算162.3.4低变炉的热量衡算172.3.5低变炉平衡曲线、最适宜温度曲线及操作线计算182.4废热锅炉的热量和物料衡算202.4.1物料衡算202.4.2热量衡算212.5水蒸汽的加入222.6主换器的物料与热量的衡算222.6.1物料衡算222.6.2热量计算232.7调温水加热器的物料与热量衡算243设备的计算263.1中变炉的计算263.1.1触媒用量的计算263.1.2中变催化床
6、层触媒用量263.1.3触媒直径的计算283.1.4中变炉工艺计算汇总293.1.5中变炉壁厚的计算293.1.6封头的选择303.1.7群座313.1.8地脚螺栓323.1.9人孔323.1.10排气孔323.1.11接管323.1.12引出通道管333.1.13法兰333.1.14筋板343.1.15中变炉材料与零部件一览表343.2低温变换炉计算343.2.1已知条件343.2.2 催化剂用量计算353.2.3 催化剂床层直径计算363.2.4封头的选择373.2.5塔高的计算383.3主换热器的计算383.3 .1已知条件383.3 .2设备直径与列管数量确定393.3.3传热系数的验
7、算403.3.4壳侧对流传热系数计算423.3.5总传热系数核算443.3.6传热面积的核算444汇总464.1物料汇总表464.2热量汇总表474.3主要设备一览表495设计评述50参考文献51致谢52V51绪论1.1前言中国合成氨是在20世纪30年代开始的，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。合成氨生产的原料气过程包括造气、净化、以及压缩和合成。各种方法制取的原料气都含有CO，而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CO转化为易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO变换既是原料气制造的继续，又是净化的过程。最后剩下的少
8、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。目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程，这是从80年代中期发展起来的。所谓中变串低变流程，就是在B109等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-Mo系宽温变换催化剂。在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的CO含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。1.2 氨的性质和用途氨分子式NH3,相对分子
9、量为17.03。氨分子为三角锥型分子，是极性分子，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。人们在大于100cm3/m3氨的环境中，每天接触8h会引起慢性中毒。1.2.1 氨的物理性质1、色、味、态：无色、刺激性气味2、密度：比空气轻， 0，0.1MPa时为0.7741g/L3、溶解性：极易溶于水（1:700），溶解时放出大量的热，可生成含NH315%30%的氨水，氨水溶液是碱性，易挥发。4、沸点：-33.35（0.1MPa），易液化（液氨可做制冷剂）5、腐蚀性：液氨或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。1.2.2氨的化学性质氨在常温
10、时相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢，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。常温，常压下的爆炸范围分别为15.5%28%( 空气)和13.5%82%（氧气）。氨易与许多物质发生反应，例如在铂催化剂作用下能与氧反应生成NO。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐，例如NH3 + HCl NH4ClNH3 + HNO3 NH4NO32NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4NH3 + H3PO4 (NH4)H2PO32NH3 + H3PO4 (NH4)2HPO3氨也能
11、和CO2反应生成氨基甲酸氨，脱水生成尿素。利用氨与各种无机酸反应制取磷酸铵，硝酸铵，硫酸铵；与CO2和水反应生成碳酸氢氨。氨能生成各种加成配位化合物，它们和水合物类似，通称氨合物或氨络物，例如对应CaCl2.6H2O和CuSO4.4H2O,也分别有CaCl2.6NH3和CuSO4.4NH3。1.2.3氨的用途氨在国民经济中占有重要地位。氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位;同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其它化工产品的原料。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫
12、酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨为原料的。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸，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、己二胺、人造丝、丙烯氰、酚醛树脂和脲醛树脂等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、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作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。1.3变换工艺原理：一氧化碳变换反应式为：CO + H2O = CO2 + H2 +Q (1-1) CO +
13、H2 = C + H2O (1-2) 其中反应（1）是主反应，反应（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（11）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。有氧存在时，变换过程中还包括下列反应式：H2 + O2 = H2O +Q 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。每反应1%（体积、湿基）的CO，可使气体温度升高1112，生产上对于变换反应进行的程度常用变换率1来表示：变换率=（Vco- Vco）/ Vco（100+ Vco）100%上式中Vco转化气CO体积百分数，Vco变换气中CO体积百分数从制氢和净化的角度考虑，最终变换率
14、越高越好，如果气体中CO含量高，在甲烷化过程中消耗大量的氢。一个体积的CO需要水消耗三个体积的氢而生成甲烷，CH4在合成氨中是惰性气体，它会降低合成的有效压力，增大驰放气量和冷冻量的消耗，所以要求有较高的变换率。一般将低变出口气（CO）浓度降至0.20.3%左右即可。1.4工艺条件综合对反应热力学、动力学及催化剂的讨论并考虑工艺的其它特点，变换过程工艺条件综述如下。1.4.1 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底。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0.71.2MPa,中型氨厂为1.21.8Mpa，以天然气为原料的大型氨厂变换压力由蒸汽转化的压力决定3。本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压
