年产十万吨合成氨变换工艺设计

专业：化学工程与工艺姓名：白林指导老师：邓慧2013.06.25,年产十万吨合成氨变换工艺设计,内容提要,致谢,设备的计算,变换工艺计算,总论,一、总论,氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。合成氨生产经过多年的发展，现已成为一种成熟的化工生产工艺。近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。,1、氨的物化性质,氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放大量的热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨和干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具有可燃性，自然点为630，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐。,2、合成氨的典型工艺流程介绍,合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的制备、净化、压缩和合成,3、合成氨变换工艺原理,变换工序是指CO与H2O(g)反应生成CO2和H2的过程。合成氨中需要H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换工段主要利用CO变换反应式：CO+H2OCO2+H2CO转化为较易被消除的CO2并获得宝贵的H2，因而一氧化碳变换既是气体的净化过程，又是原料气制取的继续。最后，少量的CO再通过其他净化法加以脱除。CO变换可能进行的限度为CO平衡变换率，平衡变换率随着温度的升高而降低，随CO成分的增高而增高，随CO2成分的增高而降低。,4、设计方案的确定,一氧化碳变换工艺的流程安排应做如下考虑。若一氧化碳体积分数较高，应采用中温变换，大多数合成氨原料气中一氧化碳高于10%，可先通过中变除去大部分一氧化碳。对一氧化碳体积分数高于15%的，一般考虑适当分段，段间进行冷却降温，尽量靠近最适宜温度操作。其次，根据原料气的温度和湿含量情况，则考虑适当预热和增湿，合理利用余热。如允许变换气中残余CO体积分数在3%左右，只采用中变即可。如要求在0.3%左右，则将中变和低变串联使用。,5、工艺流程,本设计主要是变换工序的工艺设计，所选流程为：选用中串低工艺。从压缩工段来的变换气进入饱和热水塔，在饱和塔出口加入水蒸汽使汽气比达3-5，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0.3%以下，再进入脱碳工段。,6、工艺参数的确定,（1）压力一般小型氨厂操作压力为0.7-1.2MPa,中型氨1.21.8Mpa。本设计压力可取1.75MPa.（2）温度变化反应是可逆放热反应。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。,二、变换工艺计算,计算生产1吨氨需要的变换气量：（1000/17）22.4/（222.56）=2920.31m3(标)进中变炉的变换气干组分,取水汽比H2O/CO=3.5故V（水）=3.5VCO=3.5*338.32=1184.12m3(标)因此进中变炉的变换气湿组分如下表,废热锅炉的热量和物料计算进废热锅炉的温度为：920出废热锅炉的温度为：330进出设备的水温：20出设备的水温：330进出设备的转化气（湿）：168.37kmol进出设备的水量：Xkmol物量在设备里无物量的变化。水带入热Q1=XCpT变换气带入热Q2=nCpmT同理求得变换气带出热Q3；水带出热Q4。热量平衡：0.96(Q1+Q2)=Q3+Q4则X=288.305koml,中变炉一段催化床层的物料衡算假设CO在一段催化床层的实际变换率为60求出在一段催化床层反应后剩余各组分的量得到出中变炉一段催化床层的变换气干组分的含进而求得出中变炉一段催化床层变换气湿组分含量出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量根据：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）计算得Kp，查出对应温度t,中变炉一段催化床层的热量衡算设平均温距为35，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：450-35=415基准焓通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4变换气的各个组分的基准焓列于下表,反应CO+H2O=CO2+H2放热Q1=nCOH1同理O2+2H2=2H2O放热Q2气体吸热Q3=nCpmT根据热量平衡得：Q=Q3+Q4=Q1+Q2热损失：Q4=32417.029kJ同理对中变炉二段催化床层进行计算,中间冷淋过程的物料和热量衡算已知：变换气的流量：185.39koml设冷淋水的流量：Xkg变换气的温度：415冷淋水的进口温度：20进二段催化床层的温度：353冷凝水吸热Q1=X(H-h1）变换气吸热Q2=nCpmT根据热量平衡：0.96Q2=X(H-h1）X=102.397kg=5.689kmol=127.44m3(标）,主换热器的物料与热量的计算进出设备的变换气的量：190.97kmol进出设备的水的量：Xkmol变换气进设备的温度：365变换气出设备的温度：250水进设备的温度：20水出设备的温度：90变换气带入热Q1=nCpmT；水带入热Q2=XCpT同理求变换气带出热Q3水带出热Q40.96（Q1+Q2）=Q3+Q4X=222.56kmol,调温水加热器的物料与热量计算已知条件：入设备的变换气温度：250出设备的变换气温度：181进设备的湿变换气的量：190.97kmol变换气带入的热量：Q1=3308824.816kJ变换气带出的热：Q2=nCpmT热损失;Q3=0.04Q1变换气放出的热量：Q=Q1-Q2-Q3=349332.654kJ,低变炉的物料计算要将CO降到0.2（湿基）以下，由CO实际变换率为：Xp=求出低温变换炉干组分量，进而求出低变炉湿组分量根据：Kp=（H2CO2）/（H2OCO）计算得Kp，查出对应的温度t低变炉的热量衡算变换气反应放热Q1=nCOH1气体吸热Q2=nCpmT热损失Q3=Q1-Q2,三、设备的计算,变换炉计算催化剂用量Vr=T0V0中变换炉催化剂用量:V=V01+V02=19.367+16.577=35.944m3对于催化剂用量的计算设催化剂床层直径为2.5m催化剂床层阻力降:P=通过对催化剂床层阻力、催化剂层高的计算得以验证计算结果符合要求P30KPa,故取催化剂直径2.5m,主换热器的计算水吸热为：Q4-Q2=572306.363kJ实际转热量为:Q=(Q4-Q2)3.79=2169041.116kJ/h传热面积：S=Q/(K.tm)=95.71m2选择固定管板式换热器壳径/mm600;管子尺寸/mm252.5;公称压强/MPa2.5;管长/m6;公称面积/m2120;管子总数254;管程数2;管子排列方案三角形;,中变废热锅炉（1）设备直径与列管数量确定为使设备结构紧凑,减少热量损失,提高单位面积换热能力,拟采用252小列管,单程结构,并使热气体走管内,冷气体走管程.（2）设备规格选定中变废热锅炉内径取1000mm,列管252,管间35mm,管壁与壳壁净距不小于15mm。共排390根温水调节器规格400，换热面积为25m2，管子排列方式为三角形排列，材料为碳钢。,四、致谢,本设