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1、摘 要变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用本次设计为70 kt/a合成氨变换工段的工艺设计。本设计采用全低变的工艺流程.。根据有关文献资料，完成物料、热量的计算。并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算。并做出了合成氨变换工段全低变的工艺流程图和设备布置图。所得结果根本满足设计要求，工艺流程可行。关键词：合成氨；低温变换；热量衡算；物料衡算.AbstractTransform processes is one of the most important processes, and it plays a very imp
2、ortant role in the industry of synthetic ammonia.The task is the design of shift process in 70 kt/a NH3. The low-temperature shift technology was adopted in this calculation.According to the relevant cultural heritage data, complete the calculation of material, calories. Furthermore, the size and ty
3、pe of the equipments were determined such as heat exchanger, shift converter, etc.Also do to synthesize an all of the ammonia transformation work segment low craft flow chart and equipments changing set out diagram.The results meet the requirements of the design task well, the craft process can go.
4、摘 要IAbstractII第一章 前言11.1 变换气反响原理11.2 CO变换反响化学平衡21.3 CO低温变换催化剂51.3.1 低变催化剂的开展51.3.2 低变催化剂的主要成分51.3.3 催化剂的活性降低和中毒71.4 工艺流程简述8第二章 物料衡算及热量衡算102.1设计条件102.2 CO全变换过程总蒸汽比的计算102.3第一变换炉催化剂床层物料与热量衡算11入第一变换炉催化剂床层汽气比112.3.2 CO平衡变换率及出催化剂床层气体的组成122.3.3 第一变炉热量衡算13第一变换炉催化剂层CO变换反响平衡曲线142.3.5 CO在第一变换炉催化剂床层最适宜温度152.3.6
5、 CO在第一变换炉催化剂层变换反响操作线162.4 第二变换炉第一段催化剂层物料及热量衡算172.4.1 第二变换炉第一段催化剂层汽/气比172.4.2 第二变换炉第一段催化剂层CO的平衡转化率计算182.4.3 出口温度校核182.4.4 第二变换炉第一段催化剂热量衡算182.4.5 第二变换炉第一段催化剂床层平衡曲线计算192.4.6 CO在第二变换炉第一段催化剂层最适宜变换温度202.4.7 CO在第二变换炉第一段催化剂层变换反响操作线202.5 第二变换炉第二段催化剂床层物料及热量衡算212.5.1 第二变换炉第二段催化剂层CO的平衡转化率计算22第二变换炉第二段催化剂热量衡算22平衡
6、温距校核23第二变换炉第二段催化剂床层平衡曲线计算242.5.5 CO在第二变换炉第二段催化剂层最适宜变换温度242.5.6 CO在第二变换炉第二段催化剂层变换反响操作线252.6煤气换热器热量衡算262.7 变换气换热器热量衡算27进设备热量计算27出设备热量计算28第三章 主要设备计算293.1第一变换炉的计算293.1.1 催化剂用量计算293.1.2 催化剂床层阻力计算303.2第二变换炉的计算313.2.1 第二变换炉第一段催化剂用量计算313.2.2 第二变换炉第二段催化剂用量计算323.2.3 第二变换炉催化剂床层阻力的计算333.3煤气换热器的计算353.3.1 设备直径及管数
7、确定363.3.2 设备规格确实定373.3.3 传热系数计算373.3.4 传热面积计算423.3.5 列管长度的计算42主要设备一览表43设计结果及总结44参考文献45致 谢46第一章 前言合成氨生产常用的原料包括：焦碳、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油。不管以固体、液体或气体为原料，所得到的合成氨原料气中均含有一氧化碳。固体燃料气化所得半水煤气中的一氧化碳含量为28%30%，烃类蒸汽转化为12%13%，焦炉转化气为11%15%，重油局部氧化为44%48%。一氧化碳的去除一般分为两次。大局部一氧化碳，先通过变换反响，即在催化剂存在的条件下，一氧化碳与水蒸气作用生成氢气和二氧化碳。通过变换反
8、响，既能把一氧化碳变为易于去除的二氧化碳，同时，又可制得与反响了的一氧化碳相等摩尔的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。因此，一氧化碳的变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。最后，剩余的一氧化碳再通过铜氨液洗涤法、液氮洗涤法或甲烷化法等方法加以去除。变换工段是指CO与水蒸气反响生成二氧化碳和氢气的过程。目前，变换工序主要有“全低变工艺和“中低变工艺，此次设计运用的是“全低变工艺“全低变工艺是90年代在我国小合成氨厂开始使用的，是从“中低变演变而来，使用低温活性较好的B302Q、B303Q等耐硫变换催化剂，各段进口温度均在200 左右。经过几年的开展，随着耐硫低温催化剂的开发利用，“全低变
9、的工艺和设备不断完善，操作水平也进一部提高，目前“全低变工艺已进入成熟阶段。该工艺具有蒸汽消耗低、系统阻力小、生产强度大等优点。1.1 变换气反响原理合成氨生产需要的原料气是H2和N2，而半水煤气中含有约30%左右的CO，需要将其除去。变换工段的目的就是将半水煤气中的CO除去，在本质上是原料气净化的一个过程。为了将CO除去，工业上采用的方法是:在催化剂存在的条件下，利用较为廉价的水蒸气与CO反响，生成H2和CO2。原料气中的一氧化碳与水蒸汽的变换反响可用下式表示： 1-1此反响为可逆放热反响，反响热为40964 J/mol，当开车正常生产后，即可利用其反响热来维持过程的继续进行。在一般情况下，
10、一氧化碳与水蒸汽直接进行反响，其变换反响的速度是很慢的，如果用催化剂催化，那么可以加快反响速度，大大有利于变换反响的进行。随着一氧化碳变换反响的进行，伴随着微量的副反响发生，主要有如下几种：1甲烷的生成 (1-2) 1-3 1-42一氧化碳的分解反响 1-53有机硫的转化反响 1-6 1-7 1-81.2 CO变换反响化学平衡一氧化碳和水蒸汽的变换反响系可逆反响。 其平衡常数为： 1-9式中：yi各组分的摩尔分数r 气体的逸度系数KpCO的平衡常数由于小合成氨厂的变换反响多在压力2.0 MPa，温度为180250 条件下进行的，其逸度系数接近于1，即： 1-10那么式1-9可简化为： 1-11
11、式中，Pi-各组分的分压由于变换反响是一个放热反响，考虑平衡常数是温度的函数，且随温度的升高而降低。平衡常数与温度关系的表达式很多，数值各不相同，这是由于恒压热容等根底热平衡数据不同所致。本设计可采用下面的公式计算1。 1-12式中，T温度，K 1-13在变换范围内，平衡常数也可用下面简化式计算： 1-14式1-14在低温下计算出的Kp与式1-12及1-13相差较大，温度越高误差越小。CO变换反响的化学平衡的影响因素：a. 温度温度对变换反响的影响较大：温度升高，反响速度加快。从化学平衡来看，降低反响温度，增加蒸汽用量，有利于反响向生成氢气和二氧化碳的方向进行，可以提高CO平衡转化率。在变换反
12、响的初期，反响物浓度高，提高反响温度，可加快正反响；在变换反响的后一阶段，二氧化碳和氢气的浓度增加，逆反响速度加快，因此，须设法降低反响温度，使逆反响速度减慢，这样可以得到较高的变换率。但降低温度也减慢了反响速度，降低了催化剂的生产能力，应综合考虑。对于一氧化碳含量较高的半水煤气，开始反响时，为了加快反响速度，一般要在较高的温度下进行，而在反响的后一阶段，为了使反响比拟完全，就必须使温度降低一些，工业上采取的两段中温变换就是根据这一概念设计确定的。对于一氧化碳含量在2%4%的中温变换气体，只需要在230 左右，用低温变换催化剂进行低温变换。此外，反响温度与催化剂的活性有很大的关系，一般工业用的
13、变换催化剂低于某一温度反响便不能正常进行，而高于某一温度也会损坏催化剂，因此一氧化碳变换反响必须在催化剂的适用温度范围内选择合理的工艺条件。b. 压力一氧化碳变换反响前后气体的分子数相同，假设为理想气体，压力对于反响的平衡没有影响。目前的工业操作条件下：压力4.0 MPa气压下，温度为200500 时，压力对于变换反响没有显著的影响。但是在较高压力下，反响物浓度增加，分子间的有效碰撞次数增加，可以加快变换反响速度，提高催化剂的生产能力。且各种气体与理想气体有一定的偏差，必须根据各气体组分的逸度计算KP，因此压力对CO的变换反响有一定的影响。c. 蒸汽添加量一氧化碳变换反响为可逆反响，增加蒸汽量可使反响向正方向移动。因此，工业上一般均采用参加一定的过量水蒸气的方法来提高一氧化碳的变换率。实际上，当使用半水煤气为原料，使用中温铁铬催化剂的工艺流程中，一般采用H2O汽/CO气=(34)/1；在使用铁镁催化剂的工艺流程中，一般采用H2O汽/CO气=(35)/1。d. 二氧化碳浓度从一氧化碳变换反响的方程式来看，如果出去生成的二氧化碳，有利于反响向正方向进行，并使变换反响接近于完成。除去二氧化碳可以采用良种方式：1
