1万吨合成氨—饱和热水塔的初步设计.doc

毕业设计(论文)课 题 名 称 年产1万吨合成氨饱和热水塔的初步设计 学 生 姓 名 郭 安 学 号 0740920009 系、年级专业 生物与化学工程系07级化学工程与工艺 指 导 教 师 邓 新 华 职 称 副 教 授 年 月 日年产1万吨合成氨饱和热水塔的初步设计 邵阳学院生物与化学工程系07级化学工程与工艺 郭安摘 要合成氨生产过程中，饱和热水塔是回收变换系统热量的关键设备，对降低蒸汽消耗起着重大的作用。热水塔变换气进气温度为107，出气温度为99.6。变换气在热水塔中将热量传递给热水，将热水塔里的水加热到99.3左右，热水塔的水通过泵送到加热器加热，被加热的水在饱和塔中再将热量传递给半水煤气。半水煤气在饱和塔中与热水逆流接触，同时进行热量和质量的传递，使半水煤气的含湿量不断提高。使脱硫塔出来的半水煤气从35上升到113，最后半水煤气送到变换器。出塔半水煤气温度越高，则其夹带的水蒸汽量愈多，也就是回收的蒸汽量愈多，可以节省补充蒸汽量。不论用何种塔型，目标是使进饱和塔的热水与出塔的半水煤气之间温差和阻力都要小，按照小氮肥工艺设计要求温差为38。关键词:合成氨;饱和热水塔;半水煤气，AabstractIn the process of ammonia production, saturated hot water tower is the key equipment to recycle transformation system heat and plays a significant role in reducing steam consumption.The inlet temperature of hot water tower shift gas is 107 c, and the out temperature is 99.6 . Transform gas in hot water tower will heat transfer to hot water, heating water to 99.3or so. Hot water tower of water through the pump to heater heating, The heated water in saturated tower will be heat transfer to the dawsom gas again. the dawsom gas again will contact with refluent hot water in saturated tower, with the heat and quality of transmission at the same time, To henhance the moisture content of the dawsom gas constantly. To make the temperature of dawsom gas coming from the desulfurization tower from 35 rise to 113 , the dawsom gas goes to converter at Last. the higher temperature of the dawsom gas the more quantity of steam water, also is the more quantity of steam water recycling ,and it can save the quantity of added steam water . No matter using what kind of tower, The Goal is to make the hot water into the saturated tower and out of dawsom gas temperature and resistance are small. According to the small nitrogenous fertilizer processes the design requirements temperature is 3 8 . Keyword:Synthetic ammonia; saturated hot water tower; dawsom gas21目 录中文摘要 英文摘要 前 言 1氨的性质2氨的用途2合成氨的原料2合成氨的意义3工艺原理 3工艺条件选择3工艺流程确定工艺流程选择5工艺流程 51饱和热水塔的物料及热量横算61.1饱和塔的物料及热量横算61.1.1饱和塔物料衡算61.1.2饱和塔热量横算71.2热水塔物料及热量横算81.2.1热水塔物料衡算81.2.2热水塔热量横算91.2.3进饱和塔水温核算102饱和热水塔设备尺寸计算11 2.1饱和塔设备计算 112.1.1饱和塔塔径 112.1.2理论塔板数 132.1.3实际塔板数计算 142.1.4 填料塔高度计算 142.2热水塔设备计算 152.2.1热水塔塔径 152.2.2理论塔板数 172.2.3操作线计算 17参考资料 19总 结 20致 谢 21 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。氨的性质合成氨别名：氨气；分子式 ：NH3；英文名 ：synthetic ammonia;世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产物外，绝大部分是合成氨，氨在常温、常压下为无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味，较易液化。当压力为25、压力为1MPa时，气态氨可液化为无色的液氨。氨气易溶于水，溶解时放出大量的热。液氨或干燥的氨气对大部分物质不腐蚀，在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀。氨是一种可燃性气体，自燃点为630，故一般较难点燃。氨的用途合成氨主要用作化肥、冷却剂和化工原料。合成氨的原料合成氨生产常用的原料包括：焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油。合成氨生产，首先必须制取含氢和氮的原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化，分离而得；也可以在制氢过程中加入空气，直接利用空气中的氮。合成氨生产大多采用一种方式提供氨。氢气的主要来源是水和碳氢化合物中的氢元素，以及含氢的工业气体。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。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，残余的一氧化碳的变换在通过铜氨液洗涤法、液氨洗涤法或甲烷化法等方法加以清除。合成氨的意义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。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、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，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。德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：N2+3H2=2NH3合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。工艺原理：一氧化碳变换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 工艺条件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。本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取1.7MPa.1.温度： 变化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=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。2.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）变换时适宜的水蒸气比例一般为：H2O/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。工艺流程确定工艺流程选择目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低4种工艺。本设计选用中串低工艺。转化气从转化炉进入废热锅炉，在废热锅炉中变换气从920降到330，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。再通过换热器将转换气的温度降到180左右，进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到0.3%以下，再进入甲烷化工段。 工艺流程示意图1饱和热水塔物料及热量横算1.1饱和塔物料及热量横算 已知条件 温度 进塔半水煤气温度 35 出塔半水煤气温度 113 进塔热水热水温度 116.1压力 进饱和气体压力 0.883MPa物料量进塔干半水煤气气量 3123.99m（标）=139.465kmol进塔半水煤气中蒸汽量 入塔湿半水煤气组成组分CO2COH2N2CH4O2H2O合计%829.2939.0521.361.270.3880.64100m(标)250.00915.021219.93667.293967.010.561999.373124.02Kmol11.1640.8554.4629.791.770.470.89139.465出塔半水煤气量 同入半水煤气量1.1.1饱和塔物料衡算设入塔水量 22000kg=1222.222kmol出塔湿气量取饱和塔出口气中蒸汽的饱和度93,113的饱和蒸汽压 出饱和塔煤气中带出的蒸汽量 出塔湿气体组成组分CO2COH2N2CH4O2H2O合计%6.7224.4732.5217.891.070.3316.90100m(标)252.62919.871222.5672.5240.2212.4635.303759.06Kmol11.2841.0754.5830.021.790.5528.36167.821.1.2饱和塔热量横算入热气体带入热Q135干半水煤气比热容 干半水煤气带入热 蒸汽带入热 水带入热 合计 出热气体带出热113时干气比热容 出塔干气带入热 出塔蒸汽带出热 塔底排出水带出热塔底排出水量 设排水热焓为H 热损失 合计 热平衡 查表得出塔水温 1.2热水塔物料及热量计算已知气体出塔压力 0.824MPa（绝)温度气体入口温度 107气体出口温度 99.6物料量入塔干气量 178.18kmol入塔蒸汽量 25.78kmol1.2.1 热水塔物料计算塔内蒸汽冷凝量设气体出热水塔温度为99.6，在99.6时的蒸汽压力变换气带出蒸汽量 塔内蒸汽冷凝量 塔顶进水量设饱和热水塔的排污由饱和塔底排出，排污量为总循环量的0.5，则排污量为 塔顶进水量 外界向系统补水 1.2.2热水塔热量横算入热 气体带入热在进气温度107时，干气比热容 干气带入热 蒸汽带入热 塔顶热水带入热 补充水带入热 设补充水温度61，水的焓为 合计10817477kJ出热气体带出热干变换气99.6时的比热容为31.6kJ（kmol），蒸汽的焓i为639.2kcal kg=2676kJ kg干气带出热 蒸汽带出热 热水带出热设出热水塔热水的焓为 热损失设 合计 热平衡 即热水塔排水温度为99.3。1.2.3进饱和塔水温核算调温水加热器供热 663173kJ 水加热器供热 894643kJ 水吸收热 进塔热水的焓 与所设的饱和塔热水进口温度一致。2饱和热水塔设备计算2.1饱和塔计算已知条件塔型；填料塔，采用50瓷矩鞍环 半水煤气组成组分CO2COH2N2CH4O2%8.09029.44439.26121.5331.2820.390平均操作压力 0.88MPa气体出塔温度 113进水温度 116.1出水温度 98.6进塔干气流量 3123.99m（标）/h干半水煤气平均分子质量 18.95 进塔干气质量流量 进塔气体湿含量 出塔气体湿含量进塔水流量 91674kg/h出口热水流量 2.1.1饱和塔塔径计算 由于塔出口温度最高，湿含量最大，计算塔径时以塔顶条件进行计算。要求填料阻力0.147kPa。空塔速度计算 对于拉西环填料计算比较合适，但对矩鞍环由于目前对其特性研究尚不完全，固用第八章中（第一版）通用关联图8-2-27计算饱和塔的泛点速度。 图的横坐标为 图的纵坐标为式中 液体流量，kg/h； 气体流量，kg/h； 液体密度，kg/m； 气体密度，kg/m； 空塔速度，m/s; 重力加速度，9.81m/s2;； 液体粘度 ，mPa.s 填料因子， 液体校正系数，即水的重度与液体重度之比，各数据如下； 操作状态下出塔气体体积 水的粘度水在116.1，5c瓷矩鞍环 则 由图查得 塔径计算 为了与热水塔直径一致取塔径为1.8 （见热水塔计算）。2.1.2理论塔板数计算（a） 平衡曲线计算见小合成氨厂工艺技术与设计手册(上册)第760页 （b）操作线计算进塔气体的焓 35时干半水煤气比热容为0.370kcal/（kg.）35时蒸汽压及蒸汽的焓分别为出塔水温出塔气体的焓，气体在113的蒸汽分压及蒸汽的焓分别为干半水煤气在113时的比热容进水温度 以为一点（A）为另一点（B），联接两点的直线即为饱和塔操作线。2.1.3实际塔板数计算 利用平衡曲线表中数据。在i-t图中画出平衡线和操作线，并在平衡线及操作线间作梯级，由此得饱和塔的理论塔板数为3块。2.1.4 填料塔高度计算 （a）理论板当量一种新型填料 由于踏板当量高度还未见到合适的计算公式， 根据资料推荐意见，矩鞍形填料的高度可取相应条件下拉西环与鲍尔环高度的中值。鲍尔环推荐的等板高度（H，E,T,P）为700-750mm，考虑到饱和塔直径较大，气液分布不如小塔或实验条件，取等板高度1.5m。（b）填料总高度 实取5m2.2热水塔计算已知条件 塔型；填料塔50瓷矩鞍环低变气组成组分CO2COH2N2CH428.411.252.3916.991.01平均操作压力 0.824MPa入塔气体温度 107出塔气体温度 99.6入塔温度 98.6出塔水温 99.3入塔干气量 178.184.167=742.48kmol=13884kg/h入塔蒸汽量 25.784.16718=1934kg/h变换气平均分子量 18.7进口气中湿含量 出口气中湿含量 进水流量 213564.167=89240kg/h出水流量 （21356 +23）4.167=89086kg/h2.2.1热水塔径计算 因热水进口温度最高，湿含量最大，塔径按进口条件计算。设塔内填料阻力0.147Pa空塔速度计算由 关联式计算塔径，上式各符号同饱和塔计算式中含义。各有关数据如下； 操作状态下入口气量 水的粘度水在99时 50瓷矩鞍环 水的 则 由文献【1】图11-1-4查得时得 即即空塔速率为0.372m/s气体流量 实际取塔径1.8m2.2.2理论塔板数平衡线计算见小合成氨厂工艺技术与设计手册(上册)第763页2.2.3操作线计算进塔气体的焓107时干气的热容107蒸汽的焓及蒸汽压为 排水温度 出塔气体的焓变换气在99.6时的比热容蒸汽在99.6时的焓及饱和蒸汽压分别为进水温度 以为一点（c），以为另一点（D），连接这两点的直线即为热水塔的操作线，并作梯级得理论塔板1块 由热量及理论塔板数计算表明，对于中变串低变工艺流程，因蒸汽比很低，饱和热水塔的热水循环量不宜过大，过大不利于热水塔回收变换气的热量，适宜循环水量可按（4.6.1.4）中的范围进行计算。（热水塔填料高度计算略） 热水塔的阻力计算同饱和塔（此处略）。参考资料1 姜圣阶，合成氨工学M；北京和平里，石油化学工业出版社1976年3月第一版2 周大军,揭嘉化工工艺制图M ；北京，化工工学出版社，2005年8月第一版3 廖传华，顾国亮等.工业化学过程与计算M.北京:化学工业出版社.2005-64杨春开.小合成氨厂生产操作问答M.北京: 化学工业出版社. 19985 雷仲存.工业脱硫技术M.北京:化学工业出版社.20