合成氨厂CO变换工艺设计说明书.doc

毕业设计说明书 I 68t 氨氨/d 合成氨厂合成氨厂 CO 变换工艺设计变换工艺设计 摘摘 要要 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； 原料气的净化与氨合成。 一氧化碳变换是指一氧化碳与水蒸气反应生产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。在合成氨生产中，原料气中的一氧化碳都来源于含 碳氢物质，如煤、天然气、油等。半水煤气则是以煤为原料制得的含有氢气和一氧化 碳等多种气体的混合物。一氧化碳会使催化剂中毒，而合成氨工艺中所需的氢气则是 一氧化碳和水反应制得。因此在氨合成过程中必须进行一氧化碳变换。这样不但去除 了一氧化碳同时产生了合成氨的原料气氢气。 本次设计的主要任务是设计完成合成氨过程中净化车间一氧化碳多段变换的工艺 流程。本次设计采用中变串低变的工艺流程，在本流程中使用宽变催化剂可使操作条 件有较大变化。它使入炉煤气的蒸汽比有较大幅度的降低，而且使一氧化碳含量降低。 正是由于选用宽温催化剂，使得反应条件得以大大改进。选用该流程的目的是为了让 原料气净化程度高，流程简单，操作方便，稳定性好，催化剂使用时间长。 设计说明书包括三部分：工艺设计说明、变换工段的工艺计算及主要设备的工艺 计算。另外，附有四张设计图纸：一张管道及仪表流程图，一张平面布置图，一张物 料流程图及一张设备一览表。 关键词关键词：半水煤气、CO 变换、催化剂 毕业设计说明书 II The CO Transform Process Design Of 68t ammonia/d Synthetic Ammonia plant Abstract Ammonia is an important chemical product, mainly for the production of chemical fertilizers. The production of synthetic ammonia has developed into a mature chemical production process through years of development. It is mainly divided into: the preparation of the raw gas; the purification of the raw gas and a the synthesis of mmonia. The transformation of carbon monoxide refers to the production of carbon monoxide and hydrogen response with carbon dioxide and water. It plays a very important role in the synthetic ammonia process. In the production of synthetic ammonia the carbon monoxide is containing comes from hydrocarbon, such as coal, oil and gas, etc. Semi- water gas is made for the raw coal and a mixture of gases including hydrogen and carbon monoxide. Carbon monoxide will make catalyst poisoned in the process , but hydrogen is made for the reaction of water and carbon monoxide. Therefore in the ammonia synthetic process must have the transformation of carbon monoxide. In addition to this , it also products the hydrogen gas which is the materal gas of synthetic ammonia. The main task of the design is to complete the transformation of carbon monoxide which is a part of the purification workshop of ammonia synthetic process . This design use the process of low temperature combined middle temperature, and the use of the wide temperature shift catalyst can make a significant changes in the operating conditions. It makes the ratio of steam into the furnace gas reduced significantly, and reduce the level of carbon monoxide. The reaction conditions can be improved greatly because of the selection of the wide temperature catalyst. The choice of using the process is to let the raw gas have a high degree purification, have a simple process , easy to operate, stability is good, catalyst have a long use time. The design specification includes three components: the design specifications of the process, the process calculation of the transform section and the process calculation of 毕业设计说明书 III main equipment. In addition, four design drawings is accompanied: a piping and instrumentation diagrams, a layout plan, a material flow chart and an equipment list. Keywords: Semi-water gas, CO shift, catalyst 毕业设计说明书 IV 目 录 摘 要.I Abstract .II 前 言.1 第一章 一氧化碳变换的工艺说明.2 1.1 设计依据 .2 1.2 原料动力学消耗定额和消耗量 .2 1.3 一氧化碳变换原理.3 1.4 一氧化碳变换催化剂.3 1.4.1 铁-铬系一氧化碳中温变换催化剂.4 1.4.2 一氧化碳宽温耐硫变换催化剂.5 1.5 工艺流程说明.5 1.6 设备选型及布置.9 1.6.1 设备选型的基本要求.9 1.6.2 设备布置说明.9 1.7 三废治理说明.10 1.8 本工段各种工艺操作指标 .11 第二章 一氧化碳变换工艺计算.12 2.1 设计条件.12 2.2 中温变换炉物料及热量计算.13 2.2.1 干变换气量及变换率的计算.13 2.2.2 总蒸汽比（汽/气）的计算.14 2.2.3 中变炉一段催化剂层物料及热量衡算.15 2.2.4 中变炉二段催化剂层物料及热量计算.21 2.3 低温变换炉物料及热量计算.25 2.3.1 物料计算.25 2.3.2 热量衡算.26 毕业设计说明书 V 2.3.3 平衡曲线、最适宜温度曲线及操作线计算.27 2.4 饱和热水塔出口温度的估算.28 2.4.1 水加热器出口变换气温度计算.28 2.4.2 热水塔出口排水温度.28 2.4.3 饱和塔出口半水煤气温度.29 2.5 中间换热器物料及热量计算.30 2.5.1 蒸汽过热段.30 2.5.2 半水煤气换热器.31 2.6 主热交换器物料及热量横算.32 2.6.1 已知条件.32 2.6.2 进设备半水煤气温度计算.33 2.6.3 出热交换器的变换气温度计算.34 2.7 调温水加热器中变换气放出的热量计算.35 2.8 水加热器中低变气放出热量计算.36 2.9 饱和热水塔物料及热量计算.37 2.9.1 饱和塔物料及热量计算.37 2.9.2 热水塔物料及热量计算.40 2.9.3 进饱和塔水温核算.42 第三章 典型设备计算.43 3.1 中温变换炉计算.43 3.1.1 已知条件.43 3.1.2 催化剂用量计算.44 3.1.3 催化剂床层直径的确定.45 3.2 低温变换炉计算.47 3.2.1 已知条件.47 3.2.2 催化剂用量计算.48 3.2.3 催化剂床层直径的确定.48 3.3 饱和热水塔计算.49 3.3.1 饱和塔计算.49 毕业设计说明书 VI 3.3.2 热水塔计算.54 参考文献.60 附录 1.61 附录 2.62 附录 3.63 附录 4.64 致谢.65 毕业设计说明书 1 前前 言言 合成氨是化学工业的重要组成部分，在国民经济中有相当重要的位置。氨是氮肥 生产的主要原料，可生产尿素，硫酸铵，碳酸氢铵等。对农业生产有重要意义。氨也 是化学工业的主要原料。硝酸、纯碱及各种含氨的无机盐以及制冷工业中的制冷剂， 有机工业中间体，磺胺药物，聚纤维，氨基塑料，冷却剂等都需要氨、氨的衍生物及 化合物。也用于国防工业中生产三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等各种硝化炸药； 导弹、火箭的助推剂和氧化剂等。 以煤为原料生产的半水煤气中含有硫化物，经一氧化碳变换后，含有大量的二氧 化碳和少量的一氧化碳，这些都会使氨合成催化剂中毒。因此，在氨合成之前必须进 行原料气的净化。 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 B109 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。 毕业设计说明书 2 第一章第一章 一氧化碳变换的工艺说明一氧化碳变换的工艺说明 1.1 设计依据设计依据 内蒙古科技大学化学与化工学院下达的毕业设计任务书。 1.2 原料动力学消耗定额和消耗量原料动力学消耗定额和消耗量 表 1.1 原料消耗定额和消耗量表 名称 规格 单位 消耗定额 消耗量 备注 半水煤气 27% 3800 10765 年工作日 320 天CO 3 Nm 3 3 Nm /tNH 3 Nm /h 表 1.2 动力消耗定额及消耗量表 序号 名称 规格 使用情况 消耗量 备注 1 水 化学软水 中变冷激 171.3/t 年工作日 320kg 3 NH 天 补充热水塔 675.85/tkg 3 NH 2 蒸汽 饱和蒸汽 补加蒸汽 430.524/tkg 3 NH 1.3 一氧化碳变换原理一氧化碳变换原理 采用固体、液体或气体为原料所制得的合成氨原料气中均含有一氧化碳，其体积 分数为 1240。一氧化碳不是合成氨的直接原料，而且能使氨合成催化剂中毒，% 因此，在送往合成工序之前，必须将一氧化碳脱除。 一氧化碳变换反应式为： 222 COH OCOHQ 式 1-1 22 COHCH O 式 1-2 其中反应（1-1）是主反应，反应（1-2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物 的方向进行，工业上采用对反应式（1-1）具有良好选择性的催化剂，进而抑制其它副 反应的发生。 毕业设计说明书 3 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： 222 HOH OQ 式 1-3 CO 的变换反应是一个可逆放热反应。从化学反应平衡角度来讲，提高压力对化学 平衡没影响，但有利于提高反应速度。降低反应温度和增加反应物中水蒸气量均有利 于反应向生成和的方向进行。平衡常数随温度的升高而降低，因此，降低温度 2 CO 2 H 有利于变换反应向右进行，在同一气体组成和汽气比的条件下，选择适宜的温度，使 它既有利于 CO 平衡变换率的提高，又能使反应速度加快，以达到最佳反应效果及最 合理的催化剂用量。 同时，在变换反应过程中，提高反应气中水蒸汽的含量，也有利于提高 CO 的变 换率。汽气比对反应速率的影响，一般在汽气比较低时反应速率随汽气比的增加而上 升较快，而后随着汽气比的不断上升逐渐缓慢下来。 1.4 一氧化碳变换催化剂一氧化碳变换催化剂 一氧化碳与水蒸气作用生成二氧化碳和氢气，是典型的气固相催化反应。为了提 高一氧化碳反应的速度，防止或减少副反应，许多国家研究并生产了大量的变换催化 剂。按照主要化学组分来区分这些催化剂，可分为铁-铬系、铜-锌系和钴-钼系催化剂。 1.4.1 铁铁-铬系一氧化碳中温变换催化剂铬系一氧化碳中温变换催化剂 20 世纪初开始用变换反应制取氢时，所用催化剂的主要组分为铁和铬的氧化CO 物，通常称为铁-铬系变换催化剂，即中温变换催化剂。CO 中温变换催化剂的组分是以氧化铁为主，氧化铬为主要助剂的铁-铬系催化剂。为 提高催化剂的性能，一些型号的催化剂中还添加了、或等助剂。 2 K OCaOMgO 23 Al O 中变催化剂中不具有催化活性，必须在有水蒸气存在的条件下用或还原成 23 Fe O 2 HCO 才具有较高的活性。其还原过程为： 34 Fe O 232342 3Fe O +H2Fe O +H O 23342 3Fe O +CO2Fe O +CO 毕业设计说明书 4 2中变催化剂的操作条件 (1)温度 温度升高能加快反应速度，但平衡常数则变小，反之则相反。我国绝大 多数中变催化剂的操作温度范围均在 300500，超出此范围则转化率及使用效CO 果受到影响。因此，中变催化剂的操作温度通常应遵循如下原则：只要能稳定达到指 标最终出口变换气低于或等于某一浓度，催化剂的操作温度（通常指进口温度CO 或操作温度）应尽可能在较低温度下操作，不轻易提高。 (2)压力 变换反应是等分子可逆反应，压力对其化学平衡没有影响。工业设CO 计中，常压变换时中变催化剂的干气空速取 300500。而压力为 1.02.0时， -1 hMPa 空速达 8001500。由此可见压力对催化剂的活性有显著影响，由于加压下反应速 -1 h 度加快，变换催化剂的用量少于同规模下常压变换的用量。随操作压力提高，中变催 化剂空速相应增大。 (3)汽气比 汽气比是指入变换炉水蒸气与干气中的体积比，但设计中常用水CO 蒸 气与干气的体积比作为汽气比。根据工厂实际操作经验，最适宜汽气比以计 2 H O/CO 为 35。 2中变催化剂的优点 在 350450时具有较高的活性；机械强度较高，不宜粉碎；对的毒害不如 2 H S 铜-锌系催化剂那样敏感，即使中毒，也很易再生；耐热性能较好；对分解和生成CO 甲烷的副反应具阻抑作用；使用寿命一般可达 34 年。 1.4.2 一氧化碳宽温耐硫变换催化剂一氧化碳宽温耐硫变换催化剂 钴-钼系宽温变换催化剂于 20 世纪 70 年代初问世，我国于 1985 年开始在合成氨 厂使用此类催化剂。钴钼系宽温变换催化剂有两大类：钴-钼-钾系和钴-钼-镁系。其中 钴-钼-钾系广泛使用于以煤或重油为原料，变换压力低于 3.0的合成氨厂。MPa 宽变催化剂同其他类型的化肥催化剂一样，出厂产品为氧化态，需要经过硫化方 可使用。硫化剂一般， （因沸点低、易燃烧、不宜运输，目前有的厂用泡沫硫 2 CS 2 CS 和固体硫化剂代替进行宽变催化剂的硫化）： 2 CS 2224 CS +4H2H S+CH O322O22 M O +2H S+HM S +3H O 毕业设计说明书 5 O2O2 C O+H SC S+H O 一般来说，钴-钼催化剂的优点有：能耐很高浓度的硫化氢，故特别适用于重油部 分氧化法和以煤为原料的流程；活性温度较铁-铬催化剂低，而且机械强度较高；不产 生甲烷化反应，能在 0.753.5、温度 200400的范围内操作；在使用过程中，MPa 如在催化剂上有高分子等化合物沉积时，可以用空气与惰性气，或空气与水蒸气混合 进行燃烧再生，重新硫化使用。 所以，对于以重油或煤为原料的合成氨厂，可选用耐硫变换催化剂。 1.5 工艺流程说明工艺流程说明 工艺流程设计的依据是原料中的 CO 含量，CO 含量高于 10则应采用中温变换， 因为中温催化剂操作温度范围较宽，而且价廉易得。大多数合成氨原料气中的 CO 均 高于 10%，故应通过中温变除去大部分 CO，根据系统反应的绝热温升，为使催化剂在 允许的活性温度范围内操作，对 CO 含量高于 15%者，一般应考虑将反应器分为二段 或三段。其次，根据进入系统的原料气温度及湿含量，当温度及水蒸气含量低，则应 考虑气体的预热及增湿，合理利用余热。第三是将 CO 变换与脱除残余 CO 的方法结合 考虑。如脱除方法允许残余 CO 含量较高，则仅采用中变即可；一氧化碳含量要求达 到 3-5以下可将中变与低变串联，以降低变换气中一氧化碳含量。 在此设计中，原料气中 CO 含量为 27%，残余 CO 含量为 1.52%，故在设计中采用 中变串低变的工艺流程。 由本设计工艺的要求，采用中变与低变串联的加压变换（见图 1） ，以降低变换气 中 CO 的含量。现对本流程简述如下： 半水煤气经脱硫后由压缩机加压至 0.95MPa（绝）进入油分离器除去半水煤气中 的煤焦油等杂质，送入饱和塔下部，与自上而下的热水逆流接触，进行热量和物质的 传递，原料气被加热，并被水蒸气饱和从塔顶出来，与从中间换热器出来的水蒸气混 合，补加部分蒸汽，温度达 265，然后进入汽水分离器分离掉夹带的水滴。再依次进 入主热交换器、中间换热器，与反应后的变换气换热，温度达 300左右，进入中温变 换炉一段进行 CO 变换反应，继而进入中间换热器过热段与水蒸气换热，经过增湿进 入中变炉下段进行反应，使出炉变换气中 CO 含量（干基）降至 7.0%以下。在两段催 化剂层中间加有增湿装置，以增加变换气的湿含量，并降低变换气的温度。出中变炉 的变换气依次进入主热交换器，调温水加热器，降温后，进入低温变换炉。发生反应， 毕业设计说明书 6 使出炉变换气中 CO 含量在 1.52%以下。离开低温变换炉后，低变气进入水加热器加热 由热水泵来的水，温度降至 107，进入热水塔，在塔内变换气与自上而下的热水逆流 接触，气体温度降至 98，再依次进入热水循环塔进行冷激、软水加热器、变换气水 冷却器设备，使变换气温度降至 35至常温送碳化或脱碳工段。 系统中的热水在饱和热水塔、水加热器、调温水加热器中循环，定期排污及加水， 保持循环水的质量和水平衡。 毕业设计说明书 7 毕业设计说明书 8 毕业设计说明书 9 1.6 设备选型及布置设备选型及布置 化工设备是化工生产的重要物质基础，对工程项目投产后的生产能力、操作稳定 性、可靠性以及产品质量等都将起重要作用。因此，对设备的选择和设计计算要充分 考虑工艺上的要求；尽量选用先进设备并力求投资少、用量少；要运行可靠操作安全； 便于连续化和自动化生产；要能创造良好的工作环境和无污染以便于购置和容易制造 等。 1.6.1 设备选型的基本要求设备选型的基本要求 1技术经济指标 （1）选用价格低廉,制造容易,结构简单的设备； （2）选用管理费用低的设备,比降低产品成本； （3）设备应能适应生产流程需要,且具有高效率。 2设备结构上的要求 （1）必须符合化工机械设备规范要求； （2）密封性要好； （3）防腐性能好,使用年限长； （4）便于操作检查。 1.6.2 设备布置说明设备布置说明 1遵循生产工艺流程的自然顺序的原则，确保工艺流程路线最短； 2对常联系的设备应尽量靠近，以方便操作； 3布置设备时尽量创造良好的环境，给操作人员留有必要操作空间和安全距离， 留有必要设备的检修空间； 4对重型设备或易震动设备应布置在厂房的地表层； 5布置设备要尽量利用工艺特点，让物料自动压送，一般升降设备布置在最高层， 主要设备及反应器等布置在中层，贮槽设备布置在最底层； 6本工段设备布置均采用露天成列布置，塔间中心距均以 6m 为准，设备布置利 用工艺特点，让物料自动压送，节省能量，油分离器布置在最高层，冷凝液贮槽布置 在最低层，其余设备布置在中层； 7厂房布置以 62.46m 型布置，分两层设计，泵房布置在靠近设备的一侧， 泵与泵、泵与墙间距不小于 1.0m，并且成排布置。 毕业设计说明书 10 1.7 三废治理说明三废治理说明 三废是指在生产过程中产生的“废气、废渣、废液” ，产生的废气中，无毒的气体 可以放空，有用气体可以回收利用；对有毒气体，则必须把有毒成分转化为无毒成分 放空；废渣一般集中放置，统一回收管理；废液放入废液池中，回收有效成分以便利 用。 化工设计必须全面贯彻“全面规划，合理布局，化害为利，保护环境，造福人民” 的总方针。合理有效利用各种资源和能源，防止污染物和其他有害物质，保护人类的 生存环境。 毕业设计说明书 11 1.8 本工段各种工艺操作指标本工段各种工艺操作指标 表 1.3 一氧化碳多段变换工段各工艺指标 序号指标名称指标 1半水煤气进设备温度 35 半水煤气出设备温度 35 2中温变换炉一段出口 420 中温变换炉二段出口 360 低温变换炉出口 232 3进系统热水温度 61 4变换率 中温变换炉一段出口60.0 中温变换炉二段出口75.93 低温变换炉出口93.02 5变换气中一氧化碳含量（干基） 出中温变换炉一氧化碳含量（干基）5.45 出低温变换炉一氧化碳含量（干基）1.52 7进工段蒸汽压力（） MPa1.1MPa 毕业设计说明书 12 半水煤气工段压力（）MPa0.95MPa 第二章第二章 一氧化碳变换工艺计算一氧化碳变换工艺计算 2.1 设计条件设计条件 已知条件及计算基准表 (1)半水煤气 表 2.1 半水煤气组分（干） 组分CO 2 CO 2 H 2 N 4 CH 2 O合计 %27114020.31.30.4100 3 Nm1026.010418.0061519.997771.41149.39215.2103800 kmol45.80418.66167.85734.4382.2050.679169.643 (2)压力 进工段煤气压力 0.95（绝）MPa 蒸汽压力 1.1（绝）MPa 压力损失:每相邻两设备之间的压降=0.01PMPa (3)温度 进变换工序的半水煤气温度 35 出变换工序的半水煤气温度 35 精炼来循环水温度 61 进中变换炉一段催化剂气体温度 300 进低变催化剂层气体温度 185 毕业设计说明书 13 (4)要求 出中变炉变换气(干基)（5.007.00）CO 出低变炉变换气(干基)1.52CO (5)计算基准 以 1 吨氨为计算基准,则消耗半水煤气的量为 3800 3 Nm 设备处理能力以 3.833 氨为基准th (6)催化剂型号 中温变换炉 铁铬系催化剂 109B 低温变换炉 钴钼系催化剂 302BQ 2.2 中温变换炉物料及热量计算中温变换炉物料及热量计算 2.2.1 干变换气量及变换率的计算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成水，由 + 2 2H= 2 2H O 2 O 知，实际参加 CO 变换反应的半水煤气量为 22 OH VVVV 实 式中： 2 2 3 O 3 H Nm Nm V V 为混合气中的氧气量， 为参加反应的氢气的量， 3 44303V3800 15.2 33754.4 NmV 氧实 则干变换气量为 CO VVV yx 变 式中： 3 Nm CO% co V y 半水煤气体积， 混合气中含量， 由资料1式(4-3-5)知 CO 总变换率为 () 100 100% (100) COCO COCO VV X VV 式中： 毕业设计说明书 14 CO% CO% co co V V 变换前煤气中体积， 变换气中体积， 其中 : 00 3800 27 100%27.33% 3754.4 COco Vy 由设计任务书知出低变炉变换气（干）中 CO V 1.52%,故取 CO V =1.52% CO 的总变换率为 (27.0 1.52) 100 100%93.02% (100 1.52) 27.33 X 则 3 3800 (1 93.02% 27.33%)4766.05NmV 变 CO 变换总量为 3 3754.4 27.33% 93.02%954.46Nm42.61kmol 最终变换气中 CO 量为 3 3754.4 27.33%954.4671.62 Nm3.197kmol 2.2.2 总蒸汽比（汽总蒸汽比（汽/ /气）的计算气）的计算 设低温变换炉出口变换气温度为 230，平衡温距取 24，平衡温度为 254， CO变换反应式 CO + 2 H O 2 CO + 2 H 设 a b c d 则 a=27.0；c=11.0；d=40.0 CO反应量 33 CO27.0 93.02%25.115Nm /100Nm干半水煤气 由资料1，表（4-2-6）查得 254时，=81.671 p K 22 2 2 2 (CO)(CO2 O ) 81.671 (CO)(CO2 O ) COH p COH O PP cd K PPab 将 a, c, d, 值代入上式 毕业设计说明书 15 1125.1154025.1152 0.4 81.671 27.3325.11525.1152 0.4 Kp b 解得 b=39.40 即汽气比为 39.40/100 上式中 2 O为煤气中氧的浓度 需总蒸汽量（包括喷的冷凝水量） 3 169.644 0.394066.84kmol1497.21Nm 2.2.3 中变炉一段催化剂层物料及热量衡算中变炉一段催化剂层物料及热量衡算 1入炉蒸汽比（汽/气）计算 设 CO 在一段催化剂层转化 60%，且 O2在一段催化剂层与氢气完全燃烧而生成水， 则 CO 反应量为 33 CO60Nm /100Nm 干半水煤气 CO 总反应量 3 16.2 3800615.627.482 100 Nmkmol 设气体出一段催化剂层温度为 420，平衡温距取 28，出口气平衡温度为 448， 由资料1表（4-2-6）得 448时 7.5862 p K 22 2 2 2 (CO)(CO2 O ) 7.5862 (CO)(CO2 O ) COH p COH O PP cd K PPab 将 a、c、d 及 O2等代入式，得 11 16.240 16.22 0.4 7.5862 27 16.216.22 0.