10万吨年合成氨厂两段中间间接换热式变换炉的最佳工艺设计 毕业设计

10万吨/年合成氨厂两段中间间接换热式变换炉的最佳工艺设计学院化学化工学院班级20101331班学号2010133108姓名姚正贤指导老师王智娟完成时间2013年8月30日目录绪论7一、合成氨原料71、合成氨生产工艺72、氨的用途8二、合成氨的生产现状81、世界合成氨生产现状82、我国合成氨生产现状8三、合成氨技术的发展趋势9设计条件10一、最佳设计条件式的建立10二、最佳温度变换率分配方案和接触时间的计算121、已知条件122、在TX图上标绘出平衡曲线和最佳温度曲线133、由条件式确定第一段出口状态和第二段入口状态。15（1）绝热操作线方程及绝热温升的确定154用条件式确定二段出口状态182T三、催化剂用量的计算201、第一段2010VCR2、第二段202T3、总用量20335104295M四、变换炉工艺尺寸的确定21五、附录231、正负面积求变化率232、求接触时间2410万吨/年合成氨厂两段中间间接换热式变换炉的最佳工艺设计摘要本设计根据效益最好的原则，以变换炉催化剂体积最小为目标函数，导出了间接换热式变换炉最佳设计的条件式，并通过计算机求解，得出年产十万吨合成氨厂变换炉所需B113型催化剂的理论体积，可供有关设计部门和生产单位参考。关键词间接换热式最佳设计变换炉绝热温升接触时间前言一氧化碳变化是合成氨生产中一个重要组成部分。它的的任务是将前工序送来的半水煤气中的一氧化碳在催化剂的作用下与水蒸汽变换位氢气和二氧化碳，这样对合成氨催化剂有毒害作用的一氧化碳就变成了合成氨的原料气氢气和尿素的原料气二氧化碳，因此一氧化碳的变换生产的还坏直接关系到氨合成及尿素生产的成本高低，历来是合成氨厂中十分关键的生产工序之一。在化工生产中，根据不同的情况可采用多种不同换热形式的变换炉，常用的间接换热式、直接冷激式级混合换热式变换炉三种类型，按段数多少可分为单段、两段和三段几种。本设计经比较后选用两段间接换热式反应器作为变换炉，它是变换生产中的关键设备。变换炉的设计大都采用经验定额计算，特点是简单、可靠、快速，但缺乏理论分析，有时误差较大，数据偏于保守。本设计从过程的原理出发，以反应速率最大即催化剂用量最少为目标函数来确定设计方案，可得到最佳的经济效果，这种方法称为最佳设计。绪论一、合成氨原料1、合成氨生产工艺氨是普里斯特利在1754年将袖砂氯化按和石灰加热时发现的。1913年9月9日第一个合成氨厂在德国路德维希港的BAFS联合工厂投产，产量很快就达到日产30T的设计水平。第一次世界大战结束后，德国战败而被迫公开合成氨技术。目前，工业生产合成氨的原料有三种煤、天然气和重油或轻油。不管采用哪一种原料，合成氨生产的工序都必须经过原料气的制取H2和N2的制取、原料气的净化包括CO变换，H2S、CO、CO2等脱除、原料气精制少量CO、CO2的脱除、原料气压缩及合成工段，只不过是不同的生产装置、不同的生产工艺在具体的细节选择上有所不同。以煤为原料的合成氨厂的工艺流程大体依次经过造气、除尘、脱硫、变换、二次脱硫、脱碳、精炼，最后在合成工段生产出氨。我国是世界上煤炭资源比较丰富的国家之一，煤炭储量远大于石油、天然气储量。因此，煤炭是我国合成氨的主要原料来源。我国生产合成氨的原料有2/3是煤炭。以焦炭或煤为原料合成氨的流程是采用间隙的固定层气化法生产半水煤气，经过脱碳、变换、脱除CO和CO2等净化后，可获得合格的氮氢混合气，并在催化剂及适当的温度、压力下合成氨。2、氨的用途氨在国民经济中占有重要的地位。现在大约有80的氨用来制造化学肥料，其余作为生成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，磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨，氨水以及含氮混肥和复肥为原料的。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制取硝酸，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、人造丝、丙烯晴、酚醛树脂和尿醛树脂等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，作用制冰、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做生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。二、合成氨的生产现状1、世界合成氨生产现状2003年全球合成氨产能为1629亿吨，北美为22540K/TA，南美8560K/TA，西欧12180K/TA，东欧31320K/TA，中东和非洲1325K/TA，亚太地区750030K/TA。近年来合成氨装置大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前世界最大单系列合成氨装置规模已达1300K/TA，该装置属于委内瑞拉的FERTINITRO公司。俄罗斯约有35套合成氨装置，合成氨平均规模为400K/TA美国有50多套合成氨装置，合成氨平均规模300K/TA以上。2、我国合成氨生产现状2002年，我国合成氨实际产量36750K/TA，2003年生产能力为41600K/TA，总生产能力和产量均居世界第一位，但单系列装置规模较小，合成氨装置平均规模为50KT/A。目前我国共有合成氨装置800余套，其中300K/TA以上大型成氨生产装置34套其中一套为400K/TA，设计总生产能力为109000K/TA，实生产能力为100000K/TA，约占中国大陆合成氨总生产能力的22。300K/TA以上大型合成氨生产装置，除山东华鲁恒升化工股份有限公司和上海吴径化工厂为国产化技术和设备外，其余均系国外引进。我国共有中型合成氨生产装置55套生产能力为4600K/TA，约占中国大陆合成氨总生产能力的11我国共有小合成氨设备700多套，生产能力为28000K/TA，约占中国大陆合成氨总生产能的66。中海石油化学有限公司在海南富岛建设的450K/TA合成氨装置，是目前国单套生产能力最大的合成氨装置。三、合成氨技术的发展趋势合成氨技术的发展趋势由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步,以“天然气、轻油、重油、煤”作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化。基于装置经济性考虑,“轻油”和“重油”型合成氨装置已经不具备市场竞争能力,绝大多数装置目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。其结构调整包括原料结构、品质构调整。由于煤的储量约为天然气与石油储量总和的10倍,以煤为原料制氨等煤化工及其相关技术的开发再度成为世界技术开发的热点,煤有可能在未来的合成氨装置原料份额中再次占举足轻重的地位,形成与天然气共为原料主体的格局。根据合成氨技术发展的情况分析,估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变,其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,改善经济性”的基本目标,进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。大型化、集成化、自动化,形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。在合成氨装置大型化的技术开发过程中,其焦点主要集中在关键性的工序和设备,即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机。在低能耗合成氨装置的技术开发过程中,其主要工艺技术将会进一步发展。第一,以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。第二,实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物,实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。设计条件一、最佳设计条件式的建立对一氧化碳变换反应COH2OH2CO2，在原料气的初始组成，最终变换率，炉型及段数己选定的条件下，各段进出口温度及变换率存在无限多个分配方案能够达到规定的最终变换率，但仅存在一个最佳的分配方案，能使完成规定的生产任务所需的催化剂用量最少。由于变换是可逆放热反应，存在最佳温度问题，如果反应过程能接近最佳温度曲线进行，则反应速率最大，催化剂用量最小，因此能使催化剂用量最小的方案就是最佳设计方案。对两段间接换热式变换炉，若相应于各段的催化剂体积为VR1及VR2，则总的催化剂体积VRTVR1VR2在最佳设计时应使VRT最小，即DVRTD（VR1VR2）DVR1DVR20而VRIV00I式中V0I为进入各段的初始气体的标准体积流量（），0I为各段的标3/NMS准接触时间（S），对间接换热式变换炉，各段进气量相等，所以10102DRT对第一段催化床，进口变换率XAO一般为零，进口温度T1一般是按催化剂的活性温度选定，故01F（XA1）2011AFX对第二段催化床，由于出口反应率XAF已按生产要求确定，接触时间仅与二段进口温度T2及进口变换率A1有关，由于是间接换热，段间换热时没有X物料进出，所以二段进口变换率等于一段出口变换率XA1，即021AFTX02021ADXDT301DA1402021AXDTT将式（3）、（4）代入（1）得0102021AADXD即（5）012021AADXDTX事上式为零的充要条件是各项系数为零，即0条件式012ADX0条件式02T上述两个条件式就是保证变换反应催化剂用量最小时，两段间接换热式变换炉的最佳设计方案的条件式，求解两个条件式即可得出各段进出口温度和变换率的最佳设计方案，进而即可求出催化剂的最小用量。二、最佳温度变换率分配方案和接触时间的计算1、已知条件（1）干煤气组成表21组分4CHO2N2H2O2C干07312237039100（2）气/汽105。（3）干半水煤气消耗定额3400。3/NHMT（4）年工作日取300，故每小时氨产量1399，折合干煤气处理量3/H7566。3/HNM（5）选用B113型变换催化剂，则其正逆反应的活化能分别为，并选取一段催化床温度。1980/EKCALO21940/EKCALMO013TC（6）根据生产要求选取最终变换率129AX（7）宏观反应速率选用下式计算220/COACOCOCOHOCOPRDVXRYKYYK故（6）2200/COACHOPDYXKK式中平衡常数（7）EP457/3PKT速率常数（8）X1690/K压力校正系数420ATM为原料CO的摩尔分率0COY为变换率为时各组分的摩尔分率。IAX（8）操作压力20/PKGCM（9）热效应（9）3262403168415710RHTTT（10）最佳温度与平衡温度间的关系OP（10）221/LNGEQRE2、在TX图上标绘出平衡曲线和最佳温度曲线（12200COAHCOAPHYXYXK1）LN457/3PT由此可作出平衡曲线AEQX再由（10）求出，从而作出最佳温度曲线OPTAOPX计算各气体的初始组成如下表表22组分4CHO2N2H2O2C2HO0IY00034015120107301805000150043905122当06时AX22000439152061850261432COAHCOAPHYXYXKLN457/3T即LN143234575/4339756251EQTEQ9756251/（1221/LNGOPEQRET198756940L8573940同理计算当05、07、08、09时的、如下表AXEQTOPK表23AX0506070809PK09272143232326142007100191EQT10753575975625188419297354746895779OP933470885739037859652713523762833354由上表可作出，图如下TAEQXAOP图213、由条件式确定第一段出口状态和第二段入口状态。（1）绝热操作线方程及绝热温升的确定对绝热催化床作热量衡算，可得绝热操作线方程为（12OUTINAOUTINTX）式中OCRPMYHC而（13PMP）（由常压下查表得）PICYPIC（14）临界温度（15）TYCMCI临界压力（16）PCCI对比温度（17）/RMCT对比压力（18）/PRC由，可查得RMRTP设第一段出口变换率821AX2085208345HY7CO24391169Y20520832HO4CY21O20173NY查得各组分的临界压力和温度如下表表24组分4CHO2N2H2O2C2HO大气压CP45363453335128498727921761T190541329312616332615463041464733326X0304512616X0107313293X0027230414X0167919YCMCI054X000341546X000156473X0388233305（K）128X0304335X010733453X002727279X016794536X0PCCI0034498X0001521761X0388210536大气压3263924031684015710RHTTT26305假设一段出口温度为470C304723065RMT196RP查图得0085C由查图得47032OUTINTCPI表25组分4CHO2N2H2O2C2HOIY00034002720107303045000150167903882PI1357473702776117895135X0003474X0027273X01073702X03045776X00PMICY015117X01679895X038828619即861900858704PMPOCRPYHC01529431692870841INAOTINTX此温度与假设温度相差不大，故合理。EP457/3EXP457/6273652KX169019041048T2ATM0/1220154258738401679/5260ODYCXKKPHOA（）在假设段进口温度26CT2EXP457/3EXP457/3843165K169019067809/2220154809738401679/52561ODYCXKKPHOA（）误差446308即012DXA4用条件式确定二段出口状态2T假设、出口温度对应的组成为209A238C15106YCO20185209138YH2439502374YHO2173N2015OY403CHY时查得68TPIC表26组分4CHO2N2H2O2C2HOIY00034001360107303181000150181503746PIC1327345724701577151151886C734501675031850187240132468MPITY32601601732901364018595454647CIPY12803017350132901854564982674CMI59TRC201394PRMC查图得9P85730986CCP32942031621475178793HR51685OYCRPM36810982372TC此值与假设值的相差不大，故合理。2T第类条件式可改写为0000222111DDDDXXXXAAAMTTTTM用作图法或者在电子计算上求解搜索得出满足上式的的值，若2AX则所设有效，否则应重设重计算，直至相符为止。2FAX本设计用上述方法解德的各段进出口温度及变换率的最佳分配方案如下第一段进口温度出口温度130TC1463TC进口变换率出口变换率0AX108AX第二段进口温度出口温度272进口变换率出口变换率281A