合成氨变换工艺毕业设计

温州大学本科毕业设计 I 目目 录录 1 1 前言前言 1 1 1 概述 2 1 2 产品性质与用途 4 1 2 1 产品性质 4 1 2 2 产品用途 4 1 2 3 产品世界产业状况 4 2 2 项目名称 地址 承办单位及性质项目名称 地址 承办单位及性质 7 2 2 项目背景 7 2 3 项目意义 8 2 4 研究范围 8 2 5 研究结论 8 2 5 1 项目产品及生产规模 8 2 5 2 生产制度 8 2 5 3 生产工艺 8 3 3 工艺介绍工艺介绍 9 3 1 工艺简述 9 3 2 煤气风机工段 9 3 3 常压脱硫工段 9 3 4 一氧化碳变换工段 10 3 5 精脱硫工段 10 3 6 脱碳工段 11 3 7 工艺优化 热水循环 11 4 4 设备选型设备选型 11 温州大学本科毕业设计 II 4 1 煤气风机工序设备一览表 11 4 2 常压脱硫工序设备一览表 12 4 3 一氧化碳变换工序设备一览表 13 4 4 精脱硫工序设备一览表 13 4 5 脱碳工序设备一览表 14 5 5 物料衡算和热量衡算物料衡算和热量衡算 16 5 1 全流程物料简算 16 5 2 计算基准及已知条件 16 5 3 一号变换炉物料及热量衡算 17 5 4 变换炉一段催化剂层及热量衡算 17 5 5 变换炉二段催化剂层及热量衡算 19 5 6 变换炉三段物料及热量衡算 20 5 7 饱和热水塔物料及热量衡算 21 5 7 1 热水塔出水温度的估算 21 5 7 2 饱和塔物料及热量衡算 22 5 7 3 热水塔物料及热量衡算 24 5 8 水加热器的物料和热量衡算 25 6 6 列管式换热器设计列管式换热器设计 26 7 7 厂址选择厂址选择 28 8 8 公用工程设施公用工程设施 29 8 1 公用工程方案 29 8 2 给排水 29 9 9 节能节能 29 1010 环境保护环境保护 29 温州大学本科毕业设计 III 10 1 执行的环境保护法规 29 1111 劳动安全卫生劳动安全卫生 30 11 1 设计依据 30 11 2 危险化学品分类储存全预防措施 31 1212 经济概算经济概算 31 13 13 结结 论论 32 参考文献参考文献 34 附附 图图 34 致致 谢谢 35 温州大学本科毕业设计 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 CO 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 变换工段主要采用全低变的工艺流程 这是新型的反应工艺 所谓全低变流程 就是采用在三段变换中加入低变催化剂 使其反应条件温和 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 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 1 1 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 压力方面 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 温度方面 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 1 2 12 ln1 E E EE RT T e e 温州大学本科毕业设计 2 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 1 1 概述 通过近几十年的发展 合成氨变换工艺的技术水平得到了较大的提高 为合成氨的 节能降耗作出了突出贡献 合成氨变换工艺发展至今 先后经历中温变换 中串低 全 低变及中低低等四种工艺 目前 中串低变换工艺由于能耗高 已被淘汰 由齐鲁石化 公司研究院开发技推广的中低低工艺和由湖北化学研究所及湖北省化肥公司等单位开发 的全低变工艺得到了广泛的应用 变换各工艺流程的特点 中低低工艺 变换反应为放热反应 中低低工艺较好地满足了工艺设计中 高温提高反应速度 低温提高转化率 的基本原则 利用中变的高温来提高反应速度 脱除有毒杂质 如氧 等 同时由于中变催化剂价格低 节约资金 利用两段低变来提高转化率实现节能降耗 这样充分发挥了中变催化剂和低变催化剂的特点 全低变工艺 全低变工艺为一种节能新工艺 具有能耗低 在相同条件下其反应温度低 设备生 产能力大的优点 但全低变工艺催化剂活性下降快 使用寿命相对较短 基于此 一般 在一段入口前装填保护剂和抗毒催化剂 从而起到保护低变触媒的作用 这样可防止触 媒老化 使用寿命缩短 系统阻力升高较快等问题的出现 全低变工艺目前大致可以分 为喷水增湿型和调温水加热器 全低变工艺一般为三段 为一个或两个变换炉 如采用 一低变出口喷水增湿降温 一般在变换炉前设置一个预变炉 上部装填保护剂和抗毒催 化剂 夏布装填不锈钢材料 喷水在此段进行 后设置一个主反应器 变换炉 这种工艺比 较节能 几乎不需要外加蒸汽 若采用调温水加热器来调入口温度 一般不设预变炉 主 反应器为一个或两个 这种工艺由于是间接换热 不如喷水型节能 吨氨消耗蒸汽 150kg 200kg 中低低工艺与全低变工艺的比较 从目前情况来看 中低低与全低变各有利弊 中低低实现了触媒活性温度的最佳组 合 创造出能耗 阻力及操作的理想效果 而全低变则有能耗低 相同产能下设备小的 优点 但操作相对复杂 鉴于目前合成氨企业规模日大 企业的管理水平 职工的操作 水平也相应提高 故全低变工艺前景看好 2 温州大学本科毕业设计 3 全低变工艺的技术特征 1 低温变换有利于节省蒸汽 中温变换在变换气 CO 为 3 3 5 时 吨氨汽耗曾高达 1 1 5t 采用低变催化剂后 有利于 CO 变换放热反应的平衡 使吨氨汽耗得以降至 0 25t 以 下 采用全低变工艺 可在较长时间内保持这一指标 同时变换气 CO 可维持 1 1 8 2 低温变换有利于有机硫转化 低温变换对进系统气体的无机硫 H2S 浓度指标要求比较宽 松 0 03 0 3g Nm3 催化剂适应性较强 低温变换对有机硫 COS 水解转化为 H2S 也很有利 中温变换 COS 转化率约 90 95 而低温变换约 98 99 其主要原因是低变用的是钴 钼催化剂 而中变用铁铬催化剂 前者反应温度低 对 COS 具有较高的催化活性 且从一些 实验数据可以判断 低变催化剂对有机硫转化的催化活性比中变催化剂要好 全低变工艺的优点 1 换热设备的热负荷低 相关的换热设备有两类 一类是为提高入炉温度而设的主热交换器 和中间热交换器等 另一类是为回收余热而设的饱和塔 热水塔 水加热器等 采用低温 变换技术与中温变换相比 热交换设备的换热面积可缩小四倍左右 余热回收设备的能力只 需一半左右 由中串低流程改造为全低变流程 在主要设备不变 只调整或加粗部分管线的 情况下 原装置的综合生产能力可提高一倍左右 2 催化剂的性能优越 由于采用 B303Q 耐硫钴钼低变催化剂 其空速是中变催化剂的二倍 多 用量减少一半以上 床层反应温度下降 100 200 降低了床层阻力 气体体积缩小约 25 提高了有机硫的水解转化能力 在相同的工况和条件下 全低变工艺比中串低工艺有机硫转 化率可提高 5 个百分点左右 这种催化剂具有较宽的活性温区 一般为 170 480 这是能 用于全低变工艺的基本保证 它还具有良好的耐低硫 抗高硫和抗毒性能 它强度高 经 硫化后原始强度可提高 0 5 1 倍 对比中变催化剂 这种催化剂使用寿命较长 在全低变工 艺中一般可达 3 5 年 并可在较宽的汽气比条件下正常使用 采用这种催化剂从根本上解 决了中变催化剂的粉化给正常生产带来的各种问题 也杜绝了生成乙炔的反应 可减少铜液 消耗 并防止铜洗塔带液 3 生产操作条件较好 全低变工艺流程改善了变换系统的生产操作条件 降低了设备管道 材质的要求 并延长了设备 管道及管件的使用寿命 全低变工艺放宽了一次脱硫的指标 从而降低了脱硫费用 且该流程运行稳定易于操作 催化剂升温还原和硫化容易掌握 开 车起动快 增加了有效生产时间 3 温州大学本科毕业设计 4 1 2 产品性质与用途 1 2 1 产品性质 氨 Ammonia 即阿摩尼亚 或称 氨气 分子式为 NH3 是一种无色气体 有 强烈的刺激气味 物理性质 氨气通常情况下是有刺激性气味的无色气体 密度比空气小 极易溶 于水 易液化 液氨可作 制冷剂 以700 1的溶解度溶于水 摩尔质量 17 0306 密度 0 6942 熔点 77 73 沸点 33 34 在水中溶解度 89 9g 100 mL 0 偶 极距 1 42 D 化学性质 1 NH3遇 HCl 气体有白烟产生 可与氯气反应 2 氨水 混称氢氧 化铵 NH4OH 可腐蚀许多金属 一般若用铁桶装氨水 铁桶应内涂沥青 3 氨 的催化氧化是放热反应 产物是 NO 是工业制硝酸的重要反应 NH3也可以被氧化 成 N2 4 NH3能使湿润的紫色石蕊试纸变蓝 1 2 2 产品用途 NH3用于制氨水 液氨 氮肥 尿素 碳铵等 HNO3 铵盐 纯碱 广泛应用于 化工 轻工 化肥 制药 合成纤维 塑料 染料等 如生产肥料 制作氨化饲料 用 于医药行业 合成硝酸铵 合成各种染料 液态氨燃料电池 氨水制冷机 作为弱碱配 置缓冲溶液 银饰或者黄金饰品翻新 用于酒精 发酵工艺 生产 用于油墨生产 利用废 轮胎生产柴油 生产化肥硫酸铵 生产杀虫剂 铜铬催化剂的生产 生产4 甲基咪唑 钼酸铵生产 制备纳米氧化锌 TiO2 SiO2气凝胶的生产 用于稀土金属的分离 适合冬 季用乳化柴油的乳化剂 印花增稠剂 皮革涂饰等 4 1 2 3 产品世界产业状况 据统计 世界合成氨产能已超过1 76亿吨 年 主要生产能力分布情况 美国1000万 吨 年 加拿大520万吨 年 墨西哥291万吨 年 南美地区856万吨 年 其中特立尼达453万 吨 年 西欧1218万吨 年 东欧3333 4万吨 年 中东 非洲1560 2万吨 年 亚太地区8720 万吨 年 合成氨按终端用途来分 约85 90 的合成氨用作化肥 液态氨 硝酸铵 尿 素或其他衍生物 仅13 用于其他商品市场 据美国 SRI 咨询公司指出 近年来部分产能关闭使世界合成氨供需平衡得到稳固 由于美国天然气价格持续居高位使合成氨行业盈利困难 美国一些公司均关闭了产能 总部位于纽约的 J P Morgan 公司咨询师 David Silver 指出 世界合成工业已经走出困境 仍在复苏之中 由于需求强劲增长 加上产能增加很少推进复苏 另外北美产能关闭使 温州大学本科毕业设计 5 得全球合成氨开工率维持在85 以上 并使生产商有条件抬高价格 由于北美地区天然气 原料价格走高 过去5年美国有相当数量的合成氨产能被永久关闭 合成氨生产正向天然 气低价格地区转移 将集中在中东 北非和特立尼达 随着天然气价格不断上涨 欧洲 已成为世界上生产成本最高地区 相当数量的产能也正经受考验 1 3 产品的市场需求预测 由于因地球变暖而导致的气候异常现象 新兴国家内需增长 将粮食转用于生物燃 料等原因 导致全球性粮食价格高涨 在这种背景之下 用于肥料原料的氨便被视为粮 食供给中重要的战略物资 目前全球氨的生产量约为1亿5000万吨 一提到氨 人们首先想到的便是刺鼻的味道 除此之外对氨似乎并不了解 事实上 将近80 的氨被用于肥料原料 其余大约20 被用 于生产合成树脂或纤维 肥料的三大要素是氮 磷 钾 将氮用于肥料时需要对空气中 的氮气进行固化 唯一的工业生产方法便是使氮气与氢相结合生成氨 这种方法早在大 约100年前被发明 而且一直沿用至今 换言之 只有氨才能提供氮成分 氨是化学肥料 中必不可缺的原料 自不待言 肥料对农业生产而言是至关重要的 由于世界人口数量 的增加 耕地面积的减少以及新兴国家饮食文化水平的提高 为了解决粮食不足的问题 就要提高单位面积的农作物的产量 为了实现这一目的 适宜地使用肥料至关重要 在 上述背景之下 今后氨的年需求量增长比例预计将达到3 4 尤其是面临粮食危机的亚 洲 中南美以及非洲的需求量增长是毋庸置疑的 我国经济市场的逐渐复苏是市场发展的主要动力 2010年随着液氨下游市场的形式 转好 主要是非化肥行业用氨情况的好转 液氨行业是一个快速发展的阶段 目前我国 的农业用氨一年基本固定在 合成氨量 3500万吨 按我国基本的合成氨量在5000万吨 左右 其中有1500万吨要应用在非化肥行业以及化肥出口的方面 一 化肥消耗液氨的情况 作为商品氨的主要发展基石 化肥用商品氨依然是液氨 行业的基础 包括复合肥 尿素等外购氨 每年平均消耗液氨在550 600万吨之间 2007 2008年 我国的化肥出口政策呈现内紧的形式 国家一度对化肥出口征收150 的临时关 税 这在客观上大大限制了化肥企业的生产情况 也对液氨市场造成了直接的影响 一 度液氨价格降到了1500元 吨的水平 2009年底 国家取消了化肥出口的关税限制 预计2010年我国化肥出口要有一个质 的增长 这在客观上要大大带动液氨市场的快速流通 如果化肥行业的出口一经启动 液氨市场的基础会有一个稳定快速的增长 我国化肥在国际市场上价格还占一定的优势 尤其是东南亚的市场 2010年我国化 肥出口按保底的500万吨 N 折纯计算 那要带动液氨市场的300万吨左右的市场增量 温州大学本科毕业设计 6 这个增量足以改变目前主要液氨产地液氨市场的变化格局 化肥市场的变化是呈现一个周期的变化 2010年是我国经济持续转好的关键一年 国家对经济的预测以及实际的刺激经济增长的力度都是很大的 农业是我国经济发展的 基础 粮食的安全历来是我国上层领导极为重视的内容 作为和农业息息相关的化肥行 业 一直是我国重要的基础行业 3500万吨的合成氨消耗量 在2010年只会增长 二 非化肥行业消耗液氨情况 液氨行业的基础是化肥行业 液氨行业的推进剂是 非化肥行业 重点在氨基酸 谷氨酸 冶炼 制冷 小化工等行业当口 这些行业对液氨的需求是液氨行业的利润点以及增长点 这些行业受2008年以来的 金融危机的影响 2009年一直处于复苏的过程 2010是这些行业真正恢复的年份 2009 年以来国家在经济政策方面的大力度的政策刺激 在2009年底已经有了一个明显的趋势 例如2009年12月份的液氨平均价格 较8 11月份的价格 整整增加了20 液氨下游市场 的吸货量有了一个明显的提升 10 1 4 产品价格分析 2010年是液氨市场全面恢复的一年 价格有受供需形势的可能有大幅度的波动 产 量会有很大的增长 我国目前的液氨行情正恢复前些年的行情 随着我国经济形势的逐 渐好转 合成氨行业也借助经济的复苏 发生着明显的变化 2010年一月份 我国液氨价格普遍上涨 四川地区一度上涨到3000元 吨 涨幅达到 1000元左右 市场的行情随着下游化肥市场以及小化工市场的启动也逐步显示出强劲的提 升趋势 价格的变化只是一个价值规律的体现 还不能实质表现出整体市场的变化 在 价格提升的同时 液氨的产量也发生着明显的增长 下游市场对液氨的需求活跃程度日 渐增加 去年 一年的时间液氨市场都在动荡中起伏 市场的最低价格达到1500元 吨 2010 年第一季度各个方面都显示出液氨整体市场趋好的变化 4 1 5 原料采购 由于本车间的主要原料半水煤气是由造气车间转化后直接输送而来 所以我们主要 考虑催化剂的购买 就节省运输费用而言 我们选择了忂州百川催化剂有限公司 该公 司紧靠大型化工集团 巨化集团公司 专业生产变换 水解 脱硫 甲烷化等系列催化 剂 品种齐全 质量优良 价格低廉 且售后服务周到 1 5 1原材料性质 表 1 1 原料半水煤气含量 温州大学本科毕业设计 7 组成CO2COH2N2CH4H2SO2 含量 8 3329 3438 1222 571 060 270 31 原料来源是煤气化法生产的合成气即半水煤气 2 项目名称 地址 承办单位及性质 项目名称 年产 20 万吨合成氨变换车间 地址 浙江省衢州市工业区 性质 新建项目 2 1 项目编制的依据和原则 编制依据 1 教材 化工设计 中的设计指导 2 当前国家重点鼓励发展的产业 产品和技术目录 3 中华人民共和国环境保护法 4 中华人民共和国安全生产法 编制原则 1 从国内行情 企业实力出发 严格控制工程建设项目的生产规模和投资 2 设计方案要特别注意生产的安全性和可靠性 经济的合理性 严格执行项目建 设的有关规定 标准 规范 3 充分考虑环境保护和职业安全卫生要求 环保和安全卫生设施与设备装置同 步建设 同时投用 确保项目投产后污染物处理和环境保护达标 4 平面布置合理 在满足有关安全 防火的标准和规范条件下 尽可能节省用地 并考虑今后项目的发展建设要求 5 设备 仪表全部立足国内解决 以节省投资 5 2 2 项目背景 氨对地球上的生物相当重要 它是所有食物和肥料的重要成分 氨也是所有药物直 接或间接的组成 合成氨是氮肥工业的主要原料 85 90 的合成氨用于化肥生产 美 国约有30 的液氨作为氮肥直接施用 但在世界范围内 通常是将合成氨加工成下游氮 肥品种施用 氮肥的主要品种包括尿素 硝酸铵 硫酸铵及磷酸铵等 世界工业用氨量 占合成氨总消费量的10 15 工业用氨主要用于动物饲料 炸药以及聚合物产品等 由 温州大学本科毕业设计 8 于氨有广泛的用途 氨是世界上产量最多的无机化合物之一 2 3 项目意义 本项目将设计一个年产20万吨合成氨化工厂中的变换车间 该项目的成功投产将有 利于缓解国内外的氨供需矛盾 本项目采用全低温变换法 以由造气车间转化半水煤气 为原料 通过原料预处理 一氧化碳加压变换和产物的分离净化得到产物氢气和副产物二 氧化碳 且该项目的建设能有效推动地方经济发展 创造更多就业机会 达到经济效益 社会效益和环境效益相统一 2 4 研究范围 1 对产品进行市场调查和需求预测 确定本项目的生产规模和产品方案 2 综合比较生产工艺技术 确定技术先进 安全可靠 经济合理的工艺技术路线 3 根据国家有关法规 对项目的环境保护 节能 工业安全卫生 消防等内容进 行论证 4 作出项目的投资估算和财务评价 提出研究报告结论 2 5 研究结论 2 5 1 项目产品及生产规模 本项目采用一氧化碳全低温变换反应制取氢气来合成氨 充分利用了浙江省衢州市 的地理 交通 原料优势 考虑产品的市场需求 工艺技术的情况 本项目的设计生产 规模为年产 20 万吨合成氨变换工段 6 2 5 2 生产制度 本项目年工作时间 7200 小时 300 天 合成氨的生产过程属连续生产 变换工段 也属于连续生产 2 5 3 生产工艺 采用以造气车间转化的半水煤气通过一氧化碳全低温变换来制取氢气净化气后 与 氮气高温高压催化反应生产氨 温州大学本科毕业设计 9 3 工艺介绍 3 1 工艺简述 本厂是将原料半水煤气先于煤气风机工段升压 降温 除尘来克服原料带来的阻力 再通过常压脱硫 一氧化碳变换工段 精脱硫工段 二氧化碳的脱除工段 后产出含氮 气的氢气作目的产物 副产物二氧化碳气体供尿素等生产使用 回收副产物硫磺 并回 收循环使用脱硫 脱碳的副产物 3 2 煤气风机工段 工艺流程 半水煤气 进口水封 煤气柜 出口水封 风机进口总管 进口水封 风机 煤气冷却 塔 煤气总管 脱硫进口总管 主流程 煤气总管 气水分离器 煤气风机进口总管 副流程 主流程为原料气所经过的流程 本工段将原料半水煤气先于煤气风机工段升压 降温 除尘来克服原料带来的阻力 再送至压缩机进口 3 3 常压脱硫工段 湿法脱硫原理 Na2CO3 H2S NaHS NaHCO3 以 PH8 5 9 2 的稀碱液吸收 H2S 2NaHS 4NaVO3 H2O Na2V4O9 4NaOH 2S 硫氢化钠于偏钒酸钠反应析出单质硫 Na2V4O9 2Q 氧化态 2NaOH H2O 4NaVO3 2Q 还原态 氧化态栲胶氧化焦钒酸钠为偏钒酸钠 2Q 还原态 O2 2Q 氧化态 2H2O 还原态栲胶被空气中 O2氧化成氧化态 工艺流程 进口总管 脱硫塔 分离器 洗涤塔 进口水封 电除尘 半水煤气去压缩 半水煤气脱硫流程 脱硫塔 水封 富液槽 富液泵 喷射再生槽 泡沫槽 硫泡沫泵 泡沫槽 溶液加热器 贫液泵 贫液槽 熔硫釜 脱硫液流程 回收硫 温州大学本科毕业设计 10 半水煤气脱硫流程为风机工段送来的半水煤气通过逆流接触含 NaVO3 氧化态栲胶 的 Na2CO3碱液来脱去 H2S 为气相流程 脱硫液流程为吸收了 H2S 的溶液 经喷射再生槽与空气氧化使溶液再生并浮选出单 质硫 溶液循环使用 为液相流程 本工段是将从煤气风机工段来的半水煤气 脱除硫化氢 交友 粉尘制得干净的半 脱气 送至压缩工段 3 4 一氧化碳变换工段 反应原理 CO H2O CO2 H2 Q COS H2O CO2 H2S Q 半水煤气中的一氧化碳和水蒸气通过变换催化剂层时 放映生成氢气和二氧化碳 并将大部分有机硫转化为硫化氢 工艺流程 四段加压 水冷器 焦炭过滤器 饱和塔 水分离器 主热交 变换炉 一段 增淋器 变换炉二段 主热交 调温水加热器 变换炉三段 一水加 热水塔 二水加 冷却分离器 主流程 本工段是将来至压缩机三段的半水煤气与水蒸气通过 CO 全低温三段变换反应生成 二氧化碳和氢气 并除去部分硫化氢 3 5 精脱硫工段 反应原理 H2S Fe2O3 H2O S FeS FeSx 预脱塔中的反应 H2S 1 2O2 H2O S 精脱塔中的反应 工艺流程 变换气 变脱塔 塔后分离器 水冷器 预脱塔 脱碳工序 精脱塔 变脱气流程 变脱塔 再生槽 循环槽 循环泵 变脱塔 脱硫液流程 变脱气流程为预脱塔中的干法脱硫反应和精脱塔中的特种活性炭精吸附脱硫 脱硫 液流程为脱硫液流程为吸收了 H2S 的溶液 经喷射再生槽与空气氧化使溶液再生并浮选 出单质硫 溶液循环使用 为液相流程 本工段是进一步脱除变脱气中的有机无机硫 并回收硫磺 温州大学本科毕业设计 11 3 6 脱碳工段 原理是用 NHD 聚乙二醇二甲醚 高压低温时选择性物理吸收二氧化碳来 得到合格的净化气 并降压回收使用 NHD 工艺流程 预脱塔 三元换热器 变换气分离器 脱碳塔 净化器分离器 三元换 热器 精脱塔 变脱气流程 预脱塔 高闪槽 低压闪蒸槽 富液泵 气提塔 贫液泵 氨冷器 脱碳塔 高闪气分离器 低闪气分离器 送锦纶 电化 送化肥车间 脱碳液流程 变脱气流程为 NHD 的高压低温时选择性物理吸收变脱气中的 CO2 脱碳液流程为吸收了 CO2的溶液 通过高闪槽 低压闪蒸槽和气提再生塔等后 使 溶液循环使用 为液相流程 本工段是脱除二氧化碳得到净化气 回收副产物二氧化碳 7 3 7 工艺优化 热水循环 工艺流程 热水塔 热水泵 一水加 调温水加热器 水封 饱和塔 本工段是热量充分利用的体现 减少了能耗 4 设备选型 4 1 煤气风机工序设备一览表 温州大学本科毕业设计 12 表 4 1 煤气风机工序设备一览表 序号名称规格型号工作温度工作压力备注 1煤气风机D700 22 165 12 8kpaQ 700m3 min 电压 6000V 转速 2965r min 功率 450kw 2煤气柜25 0 004MPaV 10000m3直升湿式 3冷却塔E002760 0 019MPa 4煤气风机D300 4565 0 065MPaQ 18000m3 min 转速 2973r min 4 2 常压脱硫工序设备一览表 表 4 2 常压脱硫工序设备一览表 序 号 设备名称工作温度 工作压力 MPa 材质规格 1脱硫塔450 03Q235A 3500 31500Q 3600m3 h 2溶液水封450 03Q235A 800 8 6800 3贫液槽40常压Q235A 6000 8 5300 4富液槽40常压Q235A 6000 8 5300 5溶液加热器250 400 42 0 59Q235AF 21 4 m2 6泡沫槽40常压1Cr18Ni9Ti 3000 6 2825 7熔硫釜内 150 套 200 0 591Cr18Ni9Ti 900 1000 10 5 3597 8分离器450 02Q235A 4024 10 9310 9洗涤塔450 02Q235A 416 8 9378 聚丙烯鲍尔环填 料 H 1000 38 38 10洗涤塔水封450 02Q235A 616 8 3500 11电除尘器进口 水封 450 02Q235A 1420 10 4120 12电除尘器450 02Q235A 3440 10700 气量 30000N m3 h 13贫液泵400 6Q 486 m3 h H 65 4M 14富液泵401 0组合Q 900 1332 m3 h 温州大学本科毕业设计 13 4 3 一氧化碳变换工序设备一览表 4 3 一氧化碳变换工序设备一览表 序号设备名称工作温度 工作压力 MPa材质规格 1主热交管程 177 310 壳程 370 480 管程 2 05 壳程 2 05 304 1400 11424 A 510m2 2调温水加热器管程 210 370 壳程 161 190 管程 2 05 壳程 2 3 304 1000 8104 A 400m2 3一水加管程 168 191 壳程 148 153 管程 2 05 壳程 2 3 304 1000 6504 A 210m2 4二水加管程 168 191 壳程 148 153 管程 2 05 壳程 0 6 304 900 1400 9759 A 420m2 5冷却分离器管程 168 40 壳程 25 40 管程 2 05 壳程 0 3 304 204R 900 1400 12746 A 350m2 61 号变换炉4802 0516MnR 4400 16140 72 号变换炉425 2802 0516MnR 4400 15990 8饱和热水塔2002 0516MnR 2600 2800 21840 9焦炭过滤器402 0516MnR 2400 8700 10冷凝水槽101常压0Cr18Ni9Ti 2000 3230 11蒸汽分离器2302 7316MnR 800 4650 12水封1652 0516MnR 800 9954 13热水循环泵150排出压力 2 4流量 225m3 h 扬程 55m 4 4 精脱硫工序设备一览表 表 4 4 精脱硫工序设备一览表 序号名称规格型号工作温度 工作压力 MPa 材质 1变脱塔 4472 36 H 37850 装栅板填料 243 2 m3 402 0516MnR 2再生槽 5124 12 6020 10 Q235 A 温州大学本科毕业设计 14 H 6953 V 159 m3 3循环槽 6020 10 H 1025 V 175 m3 450 5Q235 A 4塔后分离器 2640 20 H 7832 16MnR 5中间槽 3016 8 H 4960 V 23m3 450 02Q235 A 6溶液循环泵Q 550 m3 h H 280m 7硫泡沫泵Q25m3 h H 32m 8过滤器 920 8 H 900450 02碳钢 9预脱塔 3660 30 19700 装脱硫剂 3 5 15 97 66 m3 40216MnR 10精脱塔 3660 30 19100 装脱硫 剂 3 5 10 92 m3 45 216MnR 11预热器 720 10 3590 F 64 8m2 壳程 158 管程 100 壳程 0 5 管程 2 16MnR 12水冷器 920 10 6244 F 240 8m2 壳程 158 管程 100 壳程 0 3 管程 2 16MnRF 4 5 脱碳工序设备一览表 表 4 5 脱碳工序设备一览表 序 号 设备名称操作温度 操作压力 MPa规格材质 1三元换热 器 脱硫气 4 18 净化气 2 30 低闪气 1 1 30 脱硫气 2 净化气 2 低闪气 0 13 板翅式铝合金 2氨冷器管内 40 8 管间 2 2 管内 0 36 管间 2 65 2400 1600 H 9846 1224m2 碳钢 3空气冷却 器 空气 60 20 气提排气 5 35 空气 0 13 气提排气 0 13 铝合金 4溶液换热热测 142 45热测 0 3不锈钢 温州大学本科毕业设计 15 器冷侧 5 120冷侧 0 7 5脱水塔水 冷器 管内 32 40 管间 100 60 管内 0 5 管间 0 12 600 3226 A 44m2 不锈钢 6变换气分 离器 18 402 2600 H 8374碳钢 7净化器分 离器 1 9 502 2000 7072碳钢 8高闪气分 离器 5 100 5 800 4635碳钢 9高闪槽5 100 4 0 6 3600 L 15140碳钢 10低闪槽3 70 02 0 2 3200 L 12908碳钢 11低闪气分 离器 2 70 15 2200 7683碳钢 12解吸气分 离器 1 5 100 12 3000 9256碳钢 13空气水分 离器 20 400 13 26 8552碳钢 14溶液过滤 器 2 100 8 700 2743碳钢 15溶液贮槽10 40常压 8450 9353碳钢 16地下槽常压 2460 3000不锈钢 17冷凝液槽600 15 800 L 2262碳钢 18二氧化碳 塔 2 102 4000 56555 装 5 层聚丙烯阶梯环 层高 7m 50 25 1 5 碳钢 不锈钢 19气提塔常温0 15 2800 4600 55928 5 层 聚丙烯阶梯环 层高 6m 碳钢 20脱水塔塔顶 70 14 塔底 100 140 下塔煮沸器 158 0 2 煮沸器 0 6 1400 13435 塔顶 A 31m2 煮沸器 A 45m2不锈钢 21贫液泵P入 0 115750m3 h H 278m 22富液泵P入 0 1591500m3 h H 82m 23贮槽泵80m3 h H 50m 温州大学本科毕业设计 16 24液下泵P入 常压30m3 h H 50m 25鼓风机P 31 4kPaQ 480 m3 h 5 物料衡算和热量衡算 5 1 全流程物料简算 表 5 1 原料半水煤气含量 组成CO2COH2N2CH4H2SO2 含量 8 3329 3438 1222 571 060 270 31 在 0 摄氏度 101 33kPa 状态下 空气密度 1 293 kg m3 CO2密度 1 976 kg m3 CO 密度 1 250 kg m3 H2密 度 0 0899 kg m3 N2密度 1 251 kg m3 H2S 密度 1 539 kg m3 O2密度 1 429 kg m3 为了每年生产 20 万吨氨 若 100 转化率时即相当于生产 35294 118 吨的氢气 则 需原料半水煤气进料体积流量为 80828 37 m3 h 原料半水煤气进料体积流量为 80828 37 m3 h 硫化氢 VH2S 80828 37 m3 h 0 27 218 2366 m3 h GH2S 80828 37m3 h 0 27 1 539 kg m3 335 8661 kg h 产生的硫磺 GS 335 8661kg h 32 34 316 11 kg h 产生的二氧化碳 VCO2 80828 37 37 67 30448 05 m3 h GCO2 80828 37 37 67 1 429 43510 26kg h 产生的氢气 VH2 80828 37 67 46 54526 8m3 h GH2 80828 37 67 46 0 0899 4901 96kg h 8 5 2 计算基准及已知条件 1 计算基准 以 1 吨氨产品为计算基准 设备能力以 25t 氨 h 为基准 2 设生产每吨氨所消耗的半水煤气量为 3300Nm3 3 半水煤气组成 干 表 5 2 半水煤气组成 温州大学本科毕业设计 17 组分CO2COH2N2CH4H2SO2合计 含量 8 3329 3438 1222 571 060 270 31100 m3 标 274 89968 221257 96744 81434 988 9110 233300 kmol12 34543 2241156 545333 2771 5680 4030 457147 581 kg543 1831210 275113 091931 75725 08113 71214 619 14 6192851 717 4 压力 进工段煤气压力为 2 0MPa 表 进工段蒸汽压力为 2 2MPa 表 5 温度 进系统半水煤气温度 35 进一段催化剂层气体温度 320 出系统变换气 干 中 CO 含量 0 9 5 3 一号变换炉物料及热量衡算 1 干变换气量及变换率的计算 设氧与氢在变换炉一段催化剂内完全燃烧生产水 即 2H2 O2 2H2O 则实际参与 CO 变换反应的半水煤气量 3300 3V氧 3300 3 10 23 3269 3m3 标 则干变换气量应为 V变 V V yCO x V 为半水煤气体积 yCO 混合气中 CO 含量 x 96 93 则 V变 3269 3 3269 3 29 34 96 93 4199 06 m3 标 CO 总变换量 3269 3 29 34 96 93 929 76 m3 标 41 51kmol 变换气中 CO 量 3269 3 29 34 929 76 29 45 m3 标 1 31kmol 温州大学本科毕业设计 18 5 4 变换炉一段催化剂层及热量衡算 1 物料衡算 选定一段出口温度为 330 温距为 25 则平衡温度 te 355 CO 在一段催化剂层转化 64 8 且 O2 在一段催化剂层与氢气反应成水 则 CO 反应量为 CO 29 34 64 8 19 01 Nm3 100Nm3干半水煤气 CO 总反应量 3300 19 01 100 627 33 Nm3 28 01kmol 则出一段催化剂层干气量 3300 627 33 3 10 23 3896 64 Nm3 表 5 3 出一段催化剂层干气的组成 组分CO2COH2N2CH4H2S合计 含量 23 158 7547 8619 110 900 23100 m3 标 902 07340 961864 93744 6535 078 963896 64 kmol40 5115 2283 8333 271 570 41174 62 kg1782 49426 20167 66931 5525 1513 793346 84 知汽 气 49 4756 100 得需总蒸汽量为 1632 695 m3 标 出一段催化剂层剩余蒸汽量 1632 695 627 33 2 10 23 1025 82Nm3 表 5 4 出一段催化剂层湿气的组成 组分CO2COH2N2CH4H2SH2O合计 含量 18 336 9337 8915 130 710 1820 84100 m3 标 902 07340 961864 93744 6535 078 961025 824922 46 kmol40 5115 2283 8333 271 570 4145 79220 41 kg1782 49426 20167 66931 5525 1513 79824 224171 06 2 热量衡算 设该气体由 220 升到 380 反应取平均温度 300 时的热效应 由变换反应的 反应热量表查得 H 38 82 103 KJ Kmol 所以 Q1 43 224 15 22 38 82 103 28 KJ Q2燃烧热 Q2 0 457 11560 5282 92kcal 9 KJ 所以 Q 入 Q1 Q2 28 9 18 KJ 在 300 个组分的平均热熔 KJ kmol 如下 CpH2 29 23 CpN2 29 68 CpCO 29 88 温州大学本科毕业设计 19 CpH2O 35 21 CpCO2 43 80 CpCH4 45 93 Cp 平均 29 23 0 3789 29 68 0 1513 29 88 0 0693 35 21 0 2084 进口压力 8 46 105Pa 冷流体为半水煤气 进口温度 160 出口温度 360 流量 4 0732Kg s 进口压力 8 78 105Pa 17 6 2 设计任务 表6 1 冷热流体成分 组分COCO2H2N2CH4O2H2O 半水煤气 V 15 435 7123 3111 430 840 4042 88 变换气 V 1 9718 3034 8510 960 820 2232 88 6 3 设计过程 温州大学本科毕业设计 27 6 3 1 确定设计方案 1 考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 所以选择带有补偿圈的固定管板式 换热器即可 2 为了减少热损失 拟将热流体变换气走管程 半水煤气走壳程 逆流流程 3 根据经验值 选择变换气的流速 U变 8m s 半换热器热损失为冷 4 流体热负荷的10 水煤气的流速 U半 10m s 6 3 2 设计计算 1 流体的物性 表 6 2 流体的物性 2 热负荷 不包括热损失 Q Q 冷 W SCpm t2 t1 1439 46kw 3 平均温度差 热流体 T1 T 2 t2 t1 t1 30 t2 30 tm t1 t2 2 30 4 传热系数 K 149 7w m 2 5 传热面积 考虑了10 的安全量 A Q K tm 377 9 m 2 18 6 3 3 选择结构方案 种类 物性um Pa S Cpm KJ Kg K m w m k m kg m3 半水煤气2 14 10 51 7670 06963 6446 变换气2 12 10 51 3640 0933 3426 温州大学本科毕业设计 28 选择两台Dg 800mm Pg 10kgf cm 2 的换热器串联使用 可满足此换热任务的要 求 换热器其它各项指标如下 公称面积 230m 2 管子排列方式 管子规格 25 2 5mm L 6m 管子总数 501 管程数 10 壳程数 10 管程流通截面积 0 1574m 2 壳程流通截面积 0 1092m 2 板间距 600mm 挡板数 9 接管规格 219 6mm 6 3 4 校核计算 1 管程压力降 P m P直 P1 P2 P3 P4 1 16Kpa 2 壳程压力降 PS P 1 P 2 P 3 16 80KPa 16 7 厂址选择 厂址选择的基本任务是根据国家 或地方 区域 的经济发展规划 工业布局和拟 建工程项目的具体情况和要求 经过考察和比选 合理的选定工业企业或工程项目的建 设地区 即大区位 确定工业企业或工程项目的具体地点 即小区位 和工业企业或 工程项目的具体坐落位置 即具体位置 目前我国主要的化工产业区均集中于长三角地区 东部地区优渥的经济条件 发达 的城市网络等等因素 加上无与伦比的资源优势 再通过比较原料来源 运输条件 优 温州大学本科毕业设计 29 惠政策 基础设施 社会效益等方面因素 本厂厂址为浙江省忂州市 20 8 公用工程设施 8 1 公用工程方案 新建项目按规划要求 使总平面布置与其适应 并考虑予留发展及施工方便 在满 足生产工艺流程 安全消防 管理及维修方便的要求下 同类型的工艺生产装置及辅助 设施 尽量结合在一起 布置有利于生产和原材料及产品运输 力求流程短捷流畅 避 免交叉 在符合有关规范要求下 布置紧凑 节约用地 力求整体协调 美观 8 2 给排水 在本项目中考虑生活和生产用水较多 所以要根据地理优势建设一个净水站 供应 生产 生活用水 排水高有污水处理站 对外排污水进行预处理 再由园区污水处理厂 综一处理 9 节能 化工企业是耗能大户 如何最大限度的节约能源 降低能耗是化工企业能否降低生 产成本 获取最大经济效益的关键所在 也是当前建设节约型社会的一项重要的研究课 题 节能措施 1 利用烟道气的热量生产蒸汽 用于工艺所需 2 凡用热设备及其管道 全部采用新型保温材料 精心设计 施工 以达到节能之目 的 3 采用节电 节能的电器设备和技术 降低动力消耗 4 加强生产管理 减少原材料和动力消耗 10 环境保护 10 1 执行的环境保护法规 水环境 地表水环境质量标准 GHZB 1 1999 1999 12 06 实施 二类地区标 准 污水综合排放标准 GB8978 1996 1998 01 01 实施 一级标准 大气环境 温州大学本科毕业设计 30 环境空气质量标准 GB3095 1996 1996 12 06 实施 三类地区标准 大气污染物 综合排放标准 GB16297 1996 1996 12 06 实施 三级标准 固体废物 生活垃 圾焚烧污染控制标准 GWKB3 2000 生活垃圾填埋污染控制标准 GB16889 1997 危险废物焚烧污染控制标准 GWKB2 1999 噪声 工业企业厂界噪声 标准 GB12348 90 1990 11 09 实施 III 类标准 22 10 2 三废处理 本厂采用少量回收 大量排放的原则 对于催化剂采用厂家回收和填埋的方案 对 于废水采用送污水厂处理 小部分由东沟排放 对于废气 则使用了高空排放 对区域 生产环境影响较大 考虑到废气中二氧化碳含量在98 以上 我们正在考虑回收方案 21 11 劳动安全卫生 11 1 设计依据 为了贯彻 安全第一 预防为主 的方针 保障化工企业劳动者在劳动过程中的安全与 健康 同时为了促进化工工业的发展 以 建设项目 工程 劳动安全卫生监察规定 中 华人民共和国劳动部令第三号 1997 年 1 月 1 日执行 为指导 按如下主要标准规范设计 化工企业安全卫生设计规定 HG20571 95 石油化工企业职业安全卫生设计规范 SH3047 93 石油化工企业卫生防护距离 SH3093 99 石油化工施工安全技术规程 SH3505 99 石油化工企业设计防火规范 GB50160 92 工业企业设计卫生标准 TJ36 79 建筑设计防火规范 GBJ16 8