合成氨毕业设计

1摘 要合成氨变换工段工序是合成氨生产中的重要一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。在本设计中，首先介绍中低温变换的意义，然后根据已知的气体组成，操作条件，采用了中变串低变的工艺流程路线。首先对中，低变进行了物料和热量衡算，确定催化剂最佳温度曲线，催化剂用量，高度，根据计算结果对主要设备选型，最终完成了本设计的宗旨。设计中一共有中变炉、主换热器、低变炉几个主要设备，并且还对中变炉进行了机械强度的计算及校核。最后根据设计结果，绘制出合成氨中-低变换工艺的带控制点的流程和主要设备图。关键词：中-低温变换；一氧化碳；变换炉；2AbstractSection of synthetic ammonia transformation process is an important step in ammonia production, is more crucial step, because a normal production of qualified compressed air, is all the processes behind the prerequisite for the normal operation. Therefore, certain conditions must be controlled so that the composition of transformation of gas to meet the requirements of the production process. In this design, first introduced in the low temperature shift of meaning, then according to the known gas composition, operating conditions, using variable string line of low-change process. First of all, the low variable for the material and heat balance, determine the optimal temperature curve of the catalyst, catalyst amount, height, according to the results of major equipment selection, the final completion of the purpose of this design. Design of a total, in the temperature shift, the main heat exchanger, low-temperature shift of several major equipment. And also on the temperature shift to the mechanical strength of calculation and checking. Finally, design results, drawing out the ammonia in the - low shift process control points with the process and major equipment plan.Key words: mid-low temperature transformation; carbon monoxide; shift converter1目录1 绪论 11.1 前言 11.2 工艺原理 11.3 工艺条件 21.3.1 压力 21.3.2 温度 21.3.3 汽气比 21.4 工艺流程确定 31.5 设备的选择说明 31.6 对本设计的评述 32 变换工段物料及热量衡算 52.1 中温变换物料恒算及热量衡算 52.1.1 确定转化气的组成 52.1.2 水汽比的确定 52.1.3 中换炉一段催化床层的物料恒算 62.1.4 中变炉一段催化床层的热量衡算 82.1.5 中变炉催化剂平衡曲线 1122.1.6 最佳温度度曲线的计算 112.1.7 操作线计算 132.1.8 中间冷淋过程的物料和热量衡算 142.1.9 中变炉二段催化床层的物料衡算 152.1.10 中变炉二段催化床层的物料衡算 162.2 低变炉的物料与热量计算 182.2.1 低变炉的物料衡算 182.2.2 低变炉的热量衡算 192.2.3 低变炉催化剂平衡曲线 212.2.4 低变炉最佳温度曲线的计算 212.2.5 最适宜温度曲线 222.3 炉的热量和物料计算 232.3.1 热量计算 232.3.2 水蒸气的加入 252.4 主换热器的物料与热量的计算 263 设备的计算 293.1 低温变炉的计算 293.1.1 媒用量的计3算 293.1.2 第一段床层触媒用量 293.1.3 二段床层触媒用量 303.1.4 触媒直径的计算 313.2 中变废热锅炉 353.2.1 设备直径与列管数量确定 363.2.2 传热系数计算 373.3 设备的选型 404 参考文献 415 致谢 42绪论11 绪论1.1 前言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 C，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。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 B107 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 工艺原理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）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。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 绪论21.3 工艺条件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0.7-1.2MPa,中型氨厂为 1.21.8MPa。 本设计压力可取 1.7MPa.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。因而存在着最佳反应温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= 122ln1ERTe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，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分 Fe3O4 的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。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，余热回收设备附和加重等，所以，中（高）变换绪论3时适宜的水蒸气比例一般为：H 2O/CO=35，经反应后，中变气中 H2O/CO 可达 15 以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求1.4 工艺流程确定目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低 4 种工艺。本设计参考河南金大地化工有限责任公司的生产工艺，选用中串低工艺。工艺流程为：从压缩工段来的半水煤气（120左右）经过焦炭过滤器除去少量的焦油后进入饱和塔进行初步升温（温度达到 150左右）并带入一部分水蒸气，再经过预腐蚀器除去煤气中少量的硫以后进入热交换器的外筒，在进入内筒的管内，与中变炉过来的热的变换气（内筒管间）进行换热，换热后煤气温度达到 380，煤气再通过中变电炉进入中变炉一段顶部，反应后从下部出来进入蒸汽过热增湿器顶部，降温（温度从 400降到 380）并补充水蒸气后，从下部出来进入中变炉二段上部，从下部出来经过热交换器进入一水加热器降温（温度降到250） ，再经过低变电炉进入低变炉，低变炉出来的变换气依次经过二水加热器、热水塔、水冷却器降温（温度降到 35以下）后，经过汽水分离器送到压缩工段。1.5 设备的选择说明中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。低变炉选用 C6 型催化剂，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。1.6 对本设计评述合成氨变换工段工序是合成氨生产中的重要一步，也是较为关键的一步，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。在本设计中，根据已知的气体组成，操作条件，采用了中变串低变的工艺流程路线。首先对中，低变进行了物料和热量衡算，在计算的基础上，根据计算结果对主要设备选型，最终完成了本设计的宗旨。设计中一共有中温废热锅炉，中变炉，主换热器，调温水换热器，低变炉几个主要设备。 绪论4本设计的优点在于选择较为良好的工艺路线，确定良好的工艺条件、合理的催化剂以及设备的选型和能源综合利用，如利用中变炉二段出口的热的变换气和冷的煤气进行换热，有效的节约了能源。另外，就是尽量减少设备投资费用。分析出了气体组分对温度的影响变化。本设计也有许多不足的地方：压力选取过高、在设备计算中气体在高压下取的流速不太准确。由于本人水平不高，设计许多因数对设计的影响考虑不足。合成氨的变换工段是成熟工艺，参考文献资料较多，但是由于本人在校外设计，能查阅的资料比较有限。设计可能不完善，请各位老师指正。变换工段物料及热量衡算52 变换工段物料及热量衡算2.1 中温变换物料衡算及热量衡算2.1.1 确定转化气组成已知条件中变炉进口气体组成如表 2.1：表 2.1组分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合计% 8.6 13.6 55.49 21.6 0.38 0.33 100计算基准：1 吨氨计算生产 1 吨氨需要的变化气量：（1000/17）22.4/（20.216）=3050.1m3(标)因为在生产过程中物量可能回有消耗，因此变化气量取 3100 m3(标)日生产量：100000/3100=32.25t/h要求出中变炉的变换气干组分中 CO 小于 3%进中变炉的变换气干组