合成氨变换工艺设计毕业论文

武汉工程大学本科毕业设计I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。所谓变换就是将半水煤气中的 CO 在催化剂的作用下与水蒸汽反应转化为 CO2和H2，CO 变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。本次设计为 110 kt/a 合成氨变换工段的工艺设计，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。经过设计计算，确定了第一变换炉和第二变换炉催化剂床层直径分别为 3.2 m 和 5.0 m，均选用 B302Q 型催化剂。换热器选用双管程单壳程式，管径 282.5 mm，管长4.8 m，管数 1913 根，传热面积 571.30m2。该设计结果基本能够满足本次设计任务要求，工艺流程可行，设备选型合理，具有一定的工程应用价值。关键词：合成氨；变换工段；全低变；热量衡算；物料衡算.武汉工程大学本科毕业设计IIAbstractTransform processes is one of the most important processes, and it plays a very important role in the industry of synthetic ammonia.The transformation of CO is that the semi-water gas and water vapor are converted to CO and H in the role of a catalyst reaction, which is both raw gas purification process, but also a continuation of the raw gas .The task is the design of shift process in 110 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 type 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 design calculations showed that the diameter of the first and second shift converter catalyst bed were 3.2 m and 5.0 m, respectively. The heat exchangers of gas was consisted of the double-tube and single shell construction with 1913pipes ,282.5 diameter, 4.8 meters of tube length and 571.30 m2 heat transfer area. The results meet the requirements of the design task well. The process is feasible and the selected equipments is reasonable. The design can guide industrial applications.Keywords: Synthetic ammonia;Conversion section;Total-low process;Heat balance;Material balance武汉工程大学本科毕业设计II目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 前言 .11.1 一氧化碳变换在合成氨中的意义 .11.2 变换方案的选择 .11.3 变换气反应原理 .21.4 CO 变换反应化学平衡 .31.5 CO 低温变换催化剂 .51.5.1 低变催化剂的发展 .51.5.2 低变催化剂的主要成分 .61.5.3 催化剂的活性降低和中毒 .71.6 工艺流程简述 .8第二章 物料衡算及热量衡算 .112.1 设计条件 .112.2 CO 全变换过程总蒸汽比的计算 .112.3 第一变换炉催化剂床层物料与热量衡算 .122.3.1 入第一变换炉催化剂床层汽气比 .122.3.2 CO 平衡变换率及出催化剂床层气体的组成 .132.3.3 第一变炉热量衡算 .142.3.4 第一变换炉催化剂层 CO 变换反应平衡曲线 .152.3.5 CO 在第一变换炉催化剂床层最适宜温度 .162.3.6 CO 在第一变换炉催化剂层变换反应操作线 .172.4 第二变换炉第一段催化剂层物料及热量衡算 .182.4.1 第二变换炉第一段催化剂层汽/气比 .182.4.2 第二变换炉第一段催化剂层 CO 的平衡转化率计算 .192.4.3 出口温度校核 .192.4.4 第二变换炉第一段催化剂热量衡算 .202.4.5 第二变换炉第一段催化剂床层平衡曲线计算 .202.4.6 CO 在第二变换炉第一段催化剂层最适宜变换温度 .212.4.7 CO 在第二变换炉第一段催化剂层变换反应操作线 .222.5 第二变换炉第二段催化剂床层物料及热量衡算 .222.5.1 第二变换炉第二段催化剂层 CO 的平衡转化率计算 .232.5.2 第二变换炉第二段催化剂热量衡算 .242.5.3 平衡温距校核 .252.5.4 第二变换炉第二段催化剂床层平衡曲线计算 .252.5.5 CO 在第二变换炉第二段催化剂层最适宜变换温度 .252.5.6 CO 在第二变换炉第二段催化剂层变换反应操作线 .262.6 煤气换热器热量衡算 .272.7 变换气换热器热量衡算 .282.7.1 进设备热量计算 .282.7.2 出设备热量计算 .29第三章 主要设备计算 .30武汉工程大学本科毕业设计III3.1 第一变换炉的计算 .303.1.1 催化剂用量计算 .303.1.2 催化剂床层阻力计算 .313.2 第二变换炉的计算 .333.2.1 第二变换炉第一段催化剂用量计算 .333.2.2 第二变换炉第二段催化剂用量计算 .333.2.3 第二变换炉催化剂床层阻力的计算 .343.3 煤气换热器的计算 .363.3.1 设备直径及管数确定 .373.3.2 设备规格的确定 .383.3.3 传热系数计算 .383.3.4 传热面积计算 .433.3.5 列管长度的计算 .43主要设备一览表 .44设计结果及总结 .45参考文献 .46致 谢 .47武汉工程大学本科毕业设计1第一章 前言 合 成 氨 指 由 氮 和 氢 在 高 温 高 压 和 催 化 剂 存 在 下 直 接 合 成 的 氨 。 世界上的氨除少量 从 焦 炉 气 中 回 收 外 ， 绝 大 部 分 是 合 成 的 氨 。氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥除氨水外，诸如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥都是以氨为原料生产的。合成氨是大众化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到 1 亿吨以上，其中约有 80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。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。1.1 一氧化碳变换在合成氨中的意义用不同燃料制得的合成原料气，均含有一定量的一氧化碳。一般固体燃料氧制得的水煤气中含 CO35%37%，半水煤气中含 CO25%34%，天然气蒸汽转化制得的转化气中含 CO 较低，一般为 12%14%，一氧化碳不是合成氨生产所需要的直接原料，而且在一定条件下还会与合成氨的铁系催化剂发生反应，导致催化剂失活。因此，在原料气使用之前，必须将一氧化碳清除。清除一氧化碳分两步进行，第一步是大部分一氧化碳先通过一氧化碳变换反应CO + H2O（g）= CO 2 + H2这样既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳而且又制得等量的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。因此，一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。第二步是少量残余的一氧化碳再通过其他净化法加以脱除。31.2 变换方案的选择不论以固体、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%，烃类蒸汽转化武汉工程大学本科毕业设计2为 12%13%，焦炉转化气为 11%15%，重油部分氧化为 44%48%。一氧化碳的清除一般分为两次。大部分一氧化碳，先通过变换反应，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。通过变换反应，既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时，又可制得与反应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，残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清除。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。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。经过几年的发展，随着耐硫低温催化剂的开发利用， “全低变”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。1.3 变换气反应原理合成氨生产需要的原料气是H 2和N 2，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反应，生成H 2和CO 2。原料气中的一氧化碳与水蒸汽的变换反应可用下式表示：（1-22CO+HQ1）此反应为可逆放热反应，反应热为40964 J/mol，当开车正常生产后，即可利用其反应热来维持过程的继续进行。在一般情况下，一氧化碳与水蒸汽直接进行反应，其变换反应的速度是很慢的，如果用催化剂催化，则可以加快反应速度，大大有利于变换反应的进行。随着一氧化碳变换反应的进行，伴随着微量的副反应发生，主要有如下几武汉工程大学本科毕业设计3种：（1）甲烷的生成(1-2) Q242COHCO（1-3 ）3（1-4）242（2）一氧化碳的分解反应（1-5 ）Q2CO（3）有机硫的转化反应 （1-SHS226）（1-7）CO22（1-8）SS1.4 CO 变换反应化学平衡一氧化碳和水蒸汽的变换反应系可逆反应。QHCO22其平衡常数为：（1-22COHPOyrK9）式中：y i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应多在压力2.0 MPa，温度为 180250 条件下进行的，其逸度系数接近于 1，即：（1-21COHrrk武汉工程大学本科毕业设计410）则式（1-9 ）可简化为：（1-22COHCPOyPK11）式中，P i-各组分的分压由于变换反应是一个放热反应，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基础热平衡数据不同所致。本设计可采用下面的公式计算 1。3722185lg0.lg0.6218.0641.8PKTTTT（1-12）式中，T温度，K（1-37252.163exp(0.9ln1.4502.48105.894)P 13）在变换范围内，平衡常数也可用下面简化式计算：（1-7ln4.3PKT14）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 变换反应的化学平衡的影响因素：a. 温度温度对变换反应的影响较大：温度升高，反应速度加快。从化学平衡来看，降低反应温度，增加蒸汽用量，有利于反应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。在变换反应的初期，反应物浓度高，提高反应温度，可加快正反应；在变换反应的后一阶段，二氧化碳和氢气的浓度增加，逆反应速度加快，因此，须设法降低反应温度，使逆反应速度减慢，这样可以得到较高的变换率。但降低温度也减慢了反应速度，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，开始反应时，为了加快反应速度，一般要在较高的温度下进行，而在反应的后一阶段，为了使反应比较完全，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武汉工程大学本科毕业设计5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，反应温度与催化剂的活性有很大的关系，一般工业用的变换催化剂低于某一温度反应便不能正常进行，而高于某一温度也会损坏催化剂，因此一氧化碳变换反应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应前后气体的分子数相同，若为理想气体，压力对于反应的平衡没有影响。目前的工业操作条件下：压力4.0 MPa气压下，温度为200500 时，压力对于变换反应没有显著的影响。但是在较高压力下，反应物浓度增加，分子间的有效碰撞次数增加，可以加快变换反应速度，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K P，因此压力对 CO的变换反应有一定的影响。c. 蒸汽添加量一氧化碳变换反应为可逆反应，增加蒸汽量可使反应向正方向移动。因此，工业上一般均采用加入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应的方程式来看，如果出去生成的二氧化碳，有利于反应向正方向进行，并使变换反应接近于完成。除去二氧化碳可以采用良种方式：（1）利用碱性氧化物与二氧化碳作用生成碳酸盐，例如：（1-23CaOaCA15）或利用碱性氧化物作为催化剂的的一种组分来吸收二氧化碳。由于（1-15）为一放热反应，要对生成的热量采取一定的措施。更重要的是这一反应进行到一定程度后要进行更换催化剂，增加了生产操作的复杂性，因此在实际中很少应用。武汉工程大学本科毕业设计6（2）在两段变换催化剂之间或中变和低变之间，将气体送往脱除二