合成氨变换工段

1、30kt/a 合成氨变换工段工艺初步设计 摘 要 变换工段是指一氧化碳与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程；一氧化碳 变换既是原料气的净化过程,又是原料气制备的连续；目前,变换工段主要接受 中变串低变的工艺流程；本设计针对中低温串联变换流程进行设计,对流程中各 个设备进行物料,能料衡算,以及设备选型,并绘制了带把握点的流程图； b5E2RGbCAP 关键词： 合成氨 ,变换,工艺设计,设备选型 I / 57 第 1 页,共 57 页30kt/a Retention Of Ammonia Synthesis Process Preliminary Designp1EanqFDPwAbstactT

2、ransform section refers to the reactions that produce carbon dioxide carbon monoxide and hydrogen and water vapor in the process. Carbon monoxide transformation is the gas material purification process, and the preparation of gas material to continue. At present, the transformation mainly by grow st

3、ring sections of variable process low. This design of low-temperature series transformation process of process design, materials, each device can material calculation, and the equipment selection, and plotted take control in the flow chart and variable furnace equipment assembly drawing.DXDiTa9E3d K

4、eywords：ammonia, transformation, processdesign,equipmentchoicReTCrpUDGiTII / 57 第 2 页,共 57 页目 录 摘要 ABSTRACT 1 绪论 2 1.1 前言 2 1.2 氨的性质和用途 2 1.2.1 氨的物理性质 2氨的化学性质 2氨的用途 2变换工艺原理 3工艺条件 3压力 3温度 41.4.3 汽气比 4 工艺流程确定 455工艺流程简图 流程工序简述 5主要设备的选择说明 2 物料与热量衡算 6已知条件 67105PCzVD7HxA 中变炉的物料与热量衡算 7水气比的确定 72.2.2 中变炉 CO

5、的实际变换率的求取 中变炉的物料衡算 7对出中变炉的变换气的温度进行估算 中变炉的热量衡算 10 中变炉催化剂平稳曲线 11 正确温度曲线的运算 12 中变催化剂操作线的运算 13 低变炉的物料与热量衡算 14 III / 57 第 3 页,共 57 页2.3.1 低变炉 CO 的实际变换率的求取 14 2.3.2. 低变炉的物料衡算 14 对出低变炉的变换气温度进行估算 17jLBHrnAILg 低变炉的热量衡算 17 低变炉平稳曲线,最适宜温度曲线及操作线运算 18 废热锅炉的热量和物料衡算 20 物料衡算 20 热量衡算 21 水蒸汽的加入 22 主换器的物料与热量的衡算 22 物料衡算

6、 22 热量运算 23 调温水加热器的物料与热量衡算 24 3 设备的运算 26 中变炉的运算 26 触媒用量的运算 26 中变催化床层触媒用量 26 触媒直径的运算 28 中变炉工艺运算汇总 29 中变炉壁厚的运算 30 封头的选择 30 3.1.7 群座 31 地脚螺栓 32 3.1.9 人孔 32 3.1.10 排气孔 32 3.1.11 接管 33 引出通道管 33 3.1.13 法兰 33 3.1.14 筋板 34 中变炉材料与零部件一览表 36 34 低温变换炉运算 34 已知条件 34 催化剂用量运算 35 催化剂床层直径运算 IV / 57 第 4 页,共 57 页封头的选择

7、38 塔高的运算 38 主换热器的运算 38 3.3 .1 已知条件 38 3.3 .2 设备直径与列管数量确定 39 传热系数的验算 . 40 壳侧对流传热系数运算 . 43 总传热系数核算 . 44 传热面积的核算 . 44 4 汇总 46 物料汇总表 46 热量汇总表 47 主要设备一览表 49 5 设计评述 50 参考文献 51 致谢 52 V / 57 第 5 页,共 57 页1 绪论 前言 中国合成氨是在 20 世纪 30 岁月开头的,合成氨生产经过多年的进展,现已 进展成为一种成熟的化工生产工艺；合成氨生产的原料气过程包括造气,净化, 以及压缩和合成；各种方法制取的原料气都含有

8、毒物,所以必需进行净化处理；通常,先经过 CO,而 CO 是合成氨催化剂的 CO 变换反应,使 CO 转化为易于 清除的 CO2 和氨合成所需要的 H2；因此, CO 变换既是原料气制造的连续,又是 净化的过程；最终剩下的少量的 加以脱除； xHAQX74J0X CO 用液氨洗涤法,或是低温变换串联甲烷化法 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 流程中起着特殊重要的作用； 目前,变换工段主要接受中变串低变的工艺流程,这是从 80 岁月中期进展 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

9、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； LDAYtRyKfE 氨的性质和用途 氨分子式 NH 3,相对分子量为 ；氨分子为三角锥型分子,是极性分子, 在标准状态下是无色气体,比空气轻,具有特殊的刺激性臭味；人们在大于 100cm /m 3 3氨的环境中,每天接触 8h 会引起慢性中毒； Zzz6ZB2Ltk 氨的物理性质 1,色,味,态：无色,刺激性气味 2,密度：比空气轻, 0, 时为 3

10、 , 溶 解 性 ： 极 易 溶 于 水 1:700 ） , 溶 解 时 放 出 大 量 的 热 , 可 生 成 含 NH 315%30%的氨水,氨水溶液是碱性,易挥发； dvzfvkwMI1 4,沸点： ）,易液化 和 13.5%82%2SO4 NH 3 + H3PO4 NH 4H2PO3 2NH3 + H3PO4NH42HPO3 氨也能和 CO2 反应生成氨基甲酸氨,脱水生成尿素；利用氨与各种无机酸反 应制取磷酸铵,硝酸铵,硫酸铵；与 CO2 和水反应生成碳酸氢氨； SixE2yXPq5 氨能生成各种加成配位化合物,它们和水合物类似,通称氨合物或氨络物, 例如对应 CaCl2.6H2O 和

11、 CuSO4.4H2O,也分别有 CaCl2.6NH3 和 CuSO4.4NH3 ； 6ewMyirQFL 氨的用途 氨在国民经济中占有重要位置；氨是最为重要的基础化工产品之一 ,其产量居 各种化工产品的首位；同时也是能源消耗的大户 产合成氨； kavU42VRUs ,世界上大约有 10%的能源用于生 现在约有 80%的氨用来制造化学肥料,其余作为生产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,硝酸铵,磷酸 铵,硫酸铵,氯化铵,氨水以及各种含氮混肥和复肥,都是以氨为原料的； y6v3ALoS89 氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料；从氨可以制得硝酸,

12、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,就以氨,硝酸和尿素等作为氮源,生产己内酰胺,尼龙 6 单体,己二胺,人 造丝,丙烯氰,酚醛树脂和脲醛树脂等产品； M2ub6vSTnP 氨的其它工业用途也特殊广泛,例如,用作制冰,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作 生产磺胺类药物,维生素,蛋氨酸和其它氨基酸等等； 0YujCfmUCw 2 / 57 第 7 页,共 57 页变换工艺原理： 一氧化碳变换反应式为： CO+H2= C+H2O 1-2 CO+H2 O=CO2+H2+Q 1-1 其中反应 1）是主反应

13、,反应 2）是副反应,为了把握反应向生成目的产物 的方向进行,工业上接受对式反应 1 1）具有良好选择性催化剂,进而抑制其 它副反应的发生； eUts8ZQVRd 有氧存在时,变换过程中仍包括以下反应式： H2 + O2 = H2O +Q 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；每 反应 1%体积,湿基）的 CO,可使气体温度上升 1112,生产上对于变换反 应进行的程度常用变换率 1 来表示： sQsAEJkW5T 变换率 =Vco- Vco）/ Vco100+ Vco ） 100% 上式中 Vco 转化气 CO 体积百分数, Vco变换气中 CO 体积百分数 从制氢

14、和净化的角度考虑,最终变换率越高越好,假如气体中 CO 含量高, 在甲烷化过程中消耗大量的氢；一个体积的 CO 需要水消耗三个体积的氢而生成 甲烷, CH4 在合成氨中是惰性气体,它会降低合成的有效压力,增大驰放气量和 冷冻量的消耗,所以要求有较高的变换率；一般将低变出口气 CO）浓度降至 0.3%左右即可； GMsIasNXkA 工艺条件 综合对反应热力学,动力学及催化剂的争辩并考虑工艺的其它特点,变换过 程工艺条件综述如下； 压力 压力对变换反应的平稳几乎没有影响；但是提高压力将使析炭和生成甲烷等 副反应易于进行；单就平稳而言加压并无好处；但从动力学角度,加压可提高反 应速率；从能量消耗上

15、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,应依据中小型氨厂的特点,特殊是工艺蒸汽的压力 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 1.2MPa,中 型氨厂为 ,以自然气为原料的大型氨厂变换压力由蒸汽转化的压力 准备 3 ；本设计的原料气由小型合成氨厂自然气蒸汽转化而来,故压力可取 3 / 57 第 8 页,共 57 页； TIrRGchYzg 温度 变化反应是可逆放热反应；从反应动力学的角度来看,温度上升,反应速率 常数增大对反应速率有利,但平稳常数随温度的上升而变小,即

16、 CO 平稳含量增 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 存在着正确反应温对确定催化剂及气相组成,从动力学角度推导的运算式 3 为 7EqZcWLZNX Tm= Te ln E2 E1 RTe 1E2 E1 式中 Tm, Te分别为正确反应温度及平稳温度,正确反应温度随系统组成和催 化剂的不同而变化； 汽气比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料气 摩尔比） .转变水蒸汽比 例是工业变换反应中最主要的调剂手段；增加水蒸汽用量,提高了 CO 的平稳变 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

17、活性组分 Fe3O4 的稳固而不被仍原,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,尽量削减其 用量对过程的经济性具有重要的意义,水蒸汽比例过高,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=3 5,经反应后,中变气中 H2O/CO 可达 15 以 上,不必再添加蒸汽即可中意低温变换的要求 3 ；lzq7IGf02E 工艺流程确定 工艺流程设计的依据,第一是原料气中 CO 含量； CO 含量高就接受中 高） 温变换；目前的变化工艺有：中温变换,中串低,全低及中低低 4

18、 种工艺；本设 计是以自然气蒸汽转化法制氨, CO 含量是 12.6%,由于原料气中 CO 含量较低, 选用中串低工艺,即中变催化剂只需配置一段 入低变炉； zvpgeqJ1hk 3 ；而后变化气经主换器冷却后进 4 / 57 第 9 页,共 57 页工艺流程简图 51转化 水蒸 2气 气 3变换气 4图 1-5-1 一氧化碳中低温串联变换流程示意图 1-废热锅炉； 流程工序简述 2-中变炉； 3-主换热器； 4- 调温水加热器； 5-低变炉 由二段转化炉来的转化气,经转化气废热锅炉换热,在废热锅炉中变换气从 910降到 310,在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到 3 到 5 之间,并且调

19、温至 300 370后进入中温变换炉,转化气中的 CO 和 H2O 在 350 450和铁 催化剂的作用下,反应生成 CO2 和 H2 ,使 CO3 干基）以下,在降温至 200 250后,进入低温变换炉,在此温度和铜催化剂的作用下,进一步进行 CO 的变换反应,是低变出口气体中 CO ,再进入甲烷化工段； NrpoJac3v1 主要设备的选择说明 中低变串联流程中,主要设备有中变炉,低变炉,废热锅炉,换热器等；低 变炉选用 B302Q 型催化剂；以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生 产才能,原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的 CO 浓度； 1nowfTG4KI 5 / 57

20、 第 10 页,共 57 页2 物料与热量衡算 自然气成分：原始数据 表 中变炉进口干气含量 CO 基准： 1tNH 3/h Ar CH 4 合计 组 分 CO 2 H 2 N2 含 量, 100 年工作日 330 天,其余数据自定； 已知条件： 中变炉进口干气含量如表 所示 运算基准： 1 吨氨 运算生产 1 吨氨需要的变换气量： 1000/17）22.4/2 0.2354）由于在生产过程中物料可能会有缺失,因此变换气量取 3 Nm 3年产 30 千吨合成氨生产才能 一年连续生产 330 天）： 日生产量： 要求出中变炉的变换气干组分中 CO小于 3； 进中变炉的变换气干组分： 表 中变炉进

21、口干气体组成 CO 基准： 1tNH 3/h Ar CH 4 合计 组 分 CO 2 H2 N 2 含量, 100 3 Nm kmol 假设进中变炉的变换气温度为 315,取变化气出炉与入炉的温差为 65,出炉的变 换气温度为 380；进中变炉干气压力 P 中=1.75MPa.fjnFLDa5Zo 6 / 57 中变炉的物料与热量衡算 水气比的确定： 考虑到是自然气蒸汽转化来的原料气,所以取 H2 1故 VltfnNhnE6e5因此进中变炉的变换气湿组分 表 中变炉入口湿气组成 CO H2 基准： 1tNH 3/h Ar CH 4 H 2O 合计 组 分 CO2 N2 含 量, 100 3Nm

22、 kmol 中变炉 CO 的实际变换率的求取： 要求变换气中 CO 含量为 3,故依据变换反应： CO+H2OH2+CO2, 就 CO 的实际变换率公式 1 为： Ya Ya Xp= 100% Ya 1 Ya 式中 Y , 分别为原料及变换气中 CO 的摩尔分率 100/100+3）12.4 100%=73.60%中变炉的物料衡算 已知： 进中变炉的变换气湿组分 如表 所示 CO 的实际变换率为 73.60%. 就反应掉的 CO 的量为： Nm3出中变炉的 CO 的量为： Nm 37 / 57 第 12 页,共 57 页就反应后出中变炉的各组分的量分别为： 3 H2 : Nm CO2: Nm

23、3故出中变炉的变换气干组分的量： V 总干） 3Nm 3HbmVN777sL故出中变炉的变换气干组分中 CO 的含量： CO 3） 100%=3.00% 同理得： CO283） 100%=16.61% H253） 100%=58.21% N263）100%=21.57% Ar3） 100%=0.20% CH433）100%=0.41% 所以出中变炉的变换气干组分： 表 2.2.2 中变炉出口干气组成 基准： 1tNH 3/h 组 分 CO 2 CO H2 N 2 Ar CH 4 合计 含量, 100 3 Nm kmol 剩余的 H2O 的量为： Nm 3故出中变炉的变换气湿组分的体积： V 总

24、湿）=V 总 干） +V水）= 38 / 57 第 13 页,共 57 页故出中变炉的变换气湿组分中 H2O 的含量 H2O7）100%=23.90% 故出中变炉的变换气湿组分中 CO2 的含量 CO287） 4 同理可得： CO7）8 H257）0 N267） 2 CH437）1 4116.267）100%=0.15%所以出中变炉的变换气湿组分的含量 ）： 组 分 CO 2 CO 表 2.2.3 中变炉出口湿气组成基准： 1tNH 3/h H2O 合计 H2 N 2 Ar CH 4 含量, 100 3 Nm Kmol 设备 kmol/ h 表 中变炉物料衡算汇总表基准： 3/h 出口气体组成

25、 V% 中变炉 物料 入口气体组成 组分 Nm3 /h V% kmol/h 3 Nm /h CO 2 CO H2 N2 Ar CH 4 H 2O 合计 100 100 9 / 57 第 14 页,共 57 页对出中变炉的变换气的温度进行估算： 已知出中变炉的变换气湿组分的含量 ）如表 所示 中变炉出口的平稳常数 1 ： Kp=H 2CO2） /H2OCO）运算 0 4） 08） 得 Kp 查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当 Kp=10.3 时 t=415 设平稳温距为 35,就出中变炉的变换气温度为： 415 -35 =380 中变炉的热量衡算 已知条件：进中变炉催化床层的变换气温度： 315

26、 出中变炉催化床层的变换气温度： 380 入热： 反应放热 Q：在变换气中含有 H2 , CO, CO2,H2O,这四种物质会发生以下反应： CO+ H2O= H2+ CO2 该反应是放热反应 . 反应取 H 2O 组分 H 2 CO 2 Ht 9646 -100810 -379492 -230425 CO +H2O=CO2+H2 1） H1= H）始Hi） 末 =-379492 +9646+100810+230425 =-38611kJ/kmol Q1-38611） 就气体反应共放热： 10 / 57 第 15 页,共 57 页Q=Q1 气体吸热 Q2 变换气在 时各组分的比热容,由小合成氨

27、厂工艺技术与设计手册 P429 - P435 查得,热容的单位为 kJ/kmol K）查物理化学教程得 Ar 的热容为 21 .02 kJ/kmol K） CH 4 Ar 表 时的比热容 单位 kJ/kmol K ）物质 CO CO 2 H 2 H 2O N2 Cp 所以平均热容： Cpm= YiCp00.4430+37.4+30.80. kJ/假设热缺失 Q3+C+D q= U24WV V=K PAB-CD W=K P-1 其中 A, B, C,D 分别代表 CO, H2O,CO2 及 H2 的起始浓度 例：运算 380时 CO 的平稳变化率； 解： 查文献小合成氨厂工艺技术与设计手册 P4

28、31 , 380时 KP ,而 CO,H2O, 11 / 57 第 16 页,共 57 页CO2 及 H2 的起始浓度如表 所示, 6）3）3q= 24XP= 2运算结果列于下表： 表 2.2.7 各温度下的平稳转化率 T/ 300 320 340 360 380 400 420 440 T/K 573 593 613 633 653 673 693 713 Xp 中变炉催化剂平稳曲线如图 2.2.1. 正确温度曲线的运算 由于中变炉选用 B109 型催化剂, 最适宜温度曲线由式 3 Tm Te ln E2 E1 进行运算； RTe 1E2 E1 1 或者由式 Tm lg E2 E1 C AX

29、p 1986 AXp D A AXp B AXp 查文献小合成氨厂工艺技术与设计手册 P734 ,可知 B109 型催化剂的正反应活化能 分别为 E1=16046kcal/kmol=67156kJ/kmol, CO 变换的逆反应活化能 E2 为： mZkklkzaaP E2E1=r-HR 对于变换反应 r=1,就 E2=-HR+ E1HR为反应热,取其平均温度下的值,即 330+380） ,由前面的运算可 知： -HR=H1=38611kJ/kmol12 / 57 第 17 页,共 57 页E2=67156+38611=105767 kJ/kmol 最适宜温度运算结果列于下表中： 表 最适宜温

30、度 Xp Tm, K tm, 将以上数据作图即得最适宜温度曲线如图 2.2.1. 中变催化剂操作线的运算 由中变炉催化剂变换率及热平稳运算结果知： 中变炉入口气体温度 315 中变炉出口气体温度 380 中变炉入口 CO 变换率 0 中变炉出口 CO 变换率 73.60% 由此可作出中变炉催化剂反应的操作线见图 ； . 图 中变炉工艺条件运算图 13 / 57 第 18 页,共 57 页低变炉的物料与热量衡算 低变气进口物料及组成 同中变炉出口 已知条件： 进低变炉的湿组分： 组 分 CO 2 表 低变炉进口湿气组成 Ar 基准： 1tNH 3/h 合计 CO H 2 N2 CH 4 H2O

31、含 量, 100 3 Nm kmol 所以进低变炉催化床层的变换气干组分： 组 分 CO 2 表 低变炉进口干气组成基准： 1tNH 3/h CH 4 合计 CO H2 N 2 Ar 含量, 100 3 Nm kmol 低变炉 CO 的实际变换率的求取： 要将 CO降到 湿基）以下,就 CO 的实际变换率 3 为： X p= Ya Ya Ya 1 Ya 8 0.3） 100/2.28 100+0.3） 100%=86.58% 2.3.2.低变炉的物料衡算 反应掉的 CO 的量为： 8Nm3出低温变换炉 CO 的量： 14 / 57 第 19 页,共 57 页 Nm 3 kmol 出低温变换炉

32、H2 的量： Nm 3出低温变换炉 H2O 的量： 3 kmol 出低温变换炉 CO2 的量 : 3 Nm kmol 出低变炉催化床层的变换气干组分的体积： V 总干）NmAVktR43bpw3 kmol 故出低变炉催化床层的变换气干组分中 CO 的含量： CO 1） 100%=0.39%同理得： CO261） 100%=18.72% H231） 100%=59.27% N261）51）100%=0.20% CH401）100%=0.39%出低变炉的干组分： 表 低变炉出口干气组成 基准： 1tNH 3/h 组 分 CO 2 CO H 2 N2 Ar CH 4 合计 含量 100 3 Nm K

33、mol 出低变炉催化床层的变换气湿组分的体积： 15 / 57 第 20 页,共 57 页V 总湿）=V 总 = 3故出低变炉催化床层的变换气湿组分中 CO 的含量： CO 7） 100%=0.31%同理： CO267）100%=14.62% H2 37）100%=46.28% N2 67）7） 100%=0.15% CH4 07）100%=0.31% H2O 7）100%=21.92%所以出低变炉的湿组分： 表 低变炉出口湿气组成 基准： 1tNH 3 /h 组 分 CO 2 CO H2 N 2 Ar CH 4 H 2O 合计 含量 100 Nm3 Kmol 表 低变炉物料衡算汇总表 基准：

34、 3/h 低变炉 物料 kmol/h 入口气体组成 V% kmol/h 出口气体组成 V% 组分 Nm 3/h 3 Nm /h CO 2 CO H 2 N 2 Ar CH 4 H2O 合计 100 100 16 / 57 第 21 页,共 57 页对出低变炉的变换气温度进行估算： 依据： Kp=H 2CO2） /H2OCO） 运算 8 2） 2 1） 得 查小合成氨厂工艺技术与设计手册可知, Kp=99.57 时 t=241 设平均温距为 20,就出低变炉催化床层的变换气温度为： t=241 20=221 低变炉的热量衡算 已知条件：进低变炉催化床层的变换气温度为： 197 出低变炉催化床层的

35、变换气温度为： 221 变换气反应放热 Q1: 反应取 组分 H 2 H2O CO CO 2 Hi 5376 -235696 -105235 -386211 放热： CO +H2O=CO2+H2 1） H1= H）始Hi） 末 =-105235）+5376=39904kJ/kmol 所以： Q1239904气体吸热 Q2： 气体吸热时的平均温度： 197+221）/2=209, T=482K 变换气在 205时各组分的比热容,由小合成氨厂工艺技术与设计手册 P429 - P435 查得,并列于下表；热容的单位为 kJ/kmol K）查得 Ar 的热容为 21 .0 kJ/kmol K） 表 2

36、.3.7 205时的比热容 单位： kJ/kmol K ） 物质 CO CO 2 H 2 H 2O N2 CH 4 Ar 17 / 57 第 22 页,共 57 页Cp 所以得： Cpm=YiCp4233 45.72MiJTy0dTT =32.70kJ/kmol K）故： Q20221-197） 热缺失 ： Q3=Q1-Q2 kJ 低变炉平稳曲线,最适宜温度曲线及操作线运算 1）低变炉催化剂平稳曲线 依据公式 1 X P= U q2 AW 100 V=K PAB-CD q= U24WV U=K PA+B ）+C+D） W=K P-1 其中 A, B, C,D 分别代表 CO, H2O,CO2

37、及 H2 的起始浓度 表 各温度下的平稳转化率 t/ 140 160 180 200 220 240 260 280 T/K 413 433 453 473 493 513 533 553 Xp 低变炉催化剂平稳曲线如图 2.3.1. 对于 CO 变换反应 r=1,就 E2=-H + E1 H 为反应热,取其平均温度下的值,即： 197+221）/2=209, T=482K 由小合成氨厂工艺技术与设计手册表 生成焓,列于下表： uEh0U1Yfmh 4-2-1表 4-2-4 查得 H2 ,CO,CO2, H2O 的 表 时的生成焓 单位： kmol ） CO 2 组分 H 2 H2O CO -

38、105206 -386169 Hi 5405 -235662 放热： CO +H2O=CO2+H2 1） H1= H）始- 5405+ -386169=39904kJ/kmol E2 =39904+43338=83242kJ/kmol 最适宜温度曲线由式 3 Tm= Te ln E2 进行运算 RTe 1E2 E1 E1 1 或者由式 T m lg E2 E1 C 1986 AXp AXp D A AXp B AXp 最适宜温度运算结果列于下表中： 表 最适宜温度 Xp Tm/K t m/ 将以上数据作图即得最适宜温度曲线如图 ； 3）低变催化剂操作线运算 19 / 57 第 24 页,共 5

39、7 页由低变催化剂变换率及热平稳运算结果知： 低变炉入口气体温度 197 低变炉出口气体温度 221 低变炉入口 CO 变换率 73.60% 低变炉出口 CO 变换率 86.58% 低变催化剂操作线见图 ； 图 低变炉工艺条件运算图 废热锅炉的热量和物料衡算 物料衡算 已知条件： 进废热锅炉的转化气组份： 表 2.4.1 进废热锅炉的转化气组成 基准： 1tNH 3/h 组 分 CO2 CO H2 N 2 Ar CH 4 H 2O 合计 含量, 100 3Nm kmol 20 / 57 第 25 页,共 57 页进废热锅炉的温度为： 910 出废热锅炉的温度为： 310 进出设备的水温： 20

40、 出设备的水温： 310 进出设备的转化气 湿）： kmol 进出设备的水量： X kmol 在设备里无物料的变化； 热量衡算： （ 1） 入热： 水的带入热 Q1 水在 20时 kJ/kmol K） 所以： Q1=X20+273）转化气的带入热 Q2： 转化气在 910时 T=1183K, 变换气在 910时各组分的比热容,由小合成氨厂工艺技术与设计手册 P429 - P435 查得,并列于下表；热容的单位为 kJ/kmol K）查得 Ar 的热容为 21 .03kJ/kmol K） 表 2.4.2 910时的比热容 单位： kJ/kmol K ）组分 CO H 2 CO2 H 2O N2

41、CH 4 Ar Cp 故 Cpm=YiCp00000.0 7IAg9qLsgBX=36.197kJ/kmol K） 所以： Q27910+273） 2）出热： 21 / 57 第 26 页,共 57 页转化气的带出热 Q3： 转化气在 310时 T=583K 变换气在 310时各组分的比热容,由小合成氨厂工艺技术与设计手册 P429 - P435 查得,并列于下表；热容的单位为 kJ/kmol K）查得 Ar 的热容为 21 .03kJ/kmol K） 表 0时的比热容 kJ/kmol K ） 组分 CO H 2 CO2 H2O N 2 CH 4 Ar Cp 所以： Cpm=YiCp00000

42、 0.0017WwghWvVhPE =32.694kJ/kmol K） 因此： Q34310+273） 水的带出热 Q4: 水在 310, T=583K 时的热容为： kJ/ 热量平稳： Q1+ Q2= Q3+ Q45） 0asfpsfpi4k水蒸汽的加入 要使 H2仍要加入的水量为： 0） kmol322 / 57 第 27 页,共 57 页主换器的物料与热量的衡算 物料衡算 已知条件： 进出设备的变换气的量： kmol 进出设备的水的量： X kmol 物料的量在设备中无变化； 温度： 变换气进设备的温度： 380 变换气出设备的温度： 260 水进设备的温度： 20 水出设备的温度： 9

43、0 热量运算： （ 1） 入热： 变换气带入热 :Q1 变换气在 380时各组分的比热容,由小合成氨厂工艺技术与设计手册 P429 - P435 查得,并列于下表；热容的单位为 kJ/kmol K）查得 Ar 的热容为 21 .0kJ/kmol K） 表 时的比热容 单位 kJ/kmol K） 组分 CO H2 CO2 H2O N 2 CH 4 Ar Cp 故： Cpm=YiCpooeyYZTjj1 =34.228kJ/kmol K） 所以： Q12380+273） 水的带入热 Q2: 水在 20时 kJ/出热： 变换气在 260时各组分的比热容,由小合成氨厂工艺技术与设计手册 P429 -

44、P435 查得,并列于下表；热容的单位为 kJ/kmol K）查得 Ar 的热容为 21 .01kJ/kmol K） 就运算结果得： 表 2.6.2 260时的比热容 单位 kJ/kmol K ） 组分 CO H2 CO 2 H 2O N2 CH 4 Ar Cp 故： Cpm=YiCpBkeGuInkxI =33.172kJ/kmol K） 所以得： Q32533水的带出热 Q4: 水在 90时 kJ/热缺失 Q5:取 依据热量平稳： 0.96= 调温水加热器的物料与热量衡算 以知条件： 入设备的变换气温度： 260 出设备的变换气温度： 197 24 / 57 第 29 页,共 57 页进设

45、备的湿变换气的量： 变换气带入的热量： Q1 变换气带出的热 Q2： 变换气在 197时各组分的比热容,由小合成氨厂工艺技术与设计手册 P429 - P435 查得,并列于下表；热容的单位为 kJ/kmol K）查得 Ar 的热容为 21 .03kJ/kmol K） 表 2.7.1 197时的比热容 单位： J/kmol K ）组分 CO H2 CO2 H 2O N2 CH 4 Ar Cp 故 Cpm=YiCpPgdO0sRlMo =32.515kJ/+C+D ； V=K PAB-CD ； q= U24WV Kp 反应平稳常数； k 反应速度常数； n 变换的 CO 的量,摩尔分率； 其中 A

46、, B, C,D 分别代表 CO, H2O,CO2 及 H2 的起始浓度 中变催化床层触媒用量 运算基准： 已知条件： 中变催化床层变换气进口温度为： 315； 26 / 57 第 31 页,共 57 页中变催化床层变换气出口温度为： 380 平均温度为： 315+380） 进中变炉催化剂干气量： m 3 /h 出中变炉催化剂湿气量： m 3 /h 由 3000 吨型 合成 氨厂 工艺 和 设 备运算 得到在 时反应速度 常数 k=3600, 加压时取校正系数： ,就： k=36002.8=10080. 进中变炉变换气中 N2%=16.42% 就： V 0=379017） 2）6Nm 3/h

47、出中温变换炉的变换气中 CO%=2.28% 出中变炉的变换气湿组分的含量 +0.0628+0.37930.3793q= 24T 0Kp k q ln 2Wn Uqln UqUqUqT0 10080 ln 23ln 2所以： V=T 0V 01 m 备用系数取： 所以： m 327 / 57 第 32 页,共 57 页就中温变换炉触媒用量 : V= 3B109 型触媒堆重度 空 速 233 干 气 /h m 触 媒 说 明 空 速 合 适 B109h8c52WOngM 干空速在 8001500h ） 触媒直径的运算 ； 气体在操作状态下的重度 , 公斤/M 3； dp 颗粒直径 ,M； L 触媒

48、床高度 ,M ； E=0.378+0.308 dp/ Dt Dt 触媒层直径 ,M； 上 式 适 用 于 6.4 粒 度 的 催 化 剂 , 对 于 B109 催 化 剂 外 型 尺 寸 为 979mm,所以可用上式求取；将催化剂的粒度折算成相当于同体积的球体直 径 v4bdyGious 就: dp 所以 : 0.01G： G= 24 kg/m h2催化床层的高度 L: L= 24中变炉催化剂床层阻力降 : P = 2.1 10 8f G 1E L8（） 1. 1 0.01 13dp 3 E = 2.1 10 （） 2运算结果 kPa,符合要求,中变炉催化剂床层直径 可用 . 中变炉工艺运算汇

49、总 1）,催化剂体积为 3,床层直径为 ,填料高度为 ； 29 / 57 第 34 页,共 57 页2）,干空速 -1 ； 3）, 催化剂床层阻力降为 a； 中变炉壁厚的运算 1）,已知条件 PC 1.1 1.75 ,温度为 350 450,压力为中压,介质属于 易 燃 易 爆 的 物 质 , 查 化 工 设 备 机 械 基 础 P310 , 所 以 选 用 15CrMoRJ0bm4qMpJ9 2）,确定参数 t PC 1.925MPa, Di 2800mm, 由6 附录 9,表 16 查得： 118MPa ； 由6 P93 表 49 查得： C1 ,钢板厚度：全部厚度； 由6 P92 表 4

50、8 查得：针对 GB6654-96, = 接受双面焊对接接头, 100%无损耗检测） C2 = 1mm 所以 C = C1 C2 3）,运算厚度 由6 P86 式45）查得： S PC Di 2118 2800 t 2 - PC 由6 P95 图 4 2 得： 在考虑腐蚀裕度 C2 ,于是由 6 P86 式4-6a）,得到中变炉得设计壁厚为： Sd C2 1 故 Sd mm 圆整后取 Sn 26mm ,复验 Sn 6% 26 6% ,故最终取 C1 ,该塔体可以用厚度为 26mm 的 15CrMoR 钢板制造； 4）,校核 由6 P96 查得式 T,所以水压试验强度足够； 所以该塔是一个直径为

51、 2800mm,壁厚为 26mm 的 15CrMoR 制成； 封头的选择 1）封头分为椭圆形封头,碟形封头等几种,本设计选用椭圆形的封头,由公称 30 / 57 第 35 页,共 57 页直径 Dg=2800mm,查 8 P331 ,表 2-7-1 查得： XVauA9grYP 公称直径 表 封头的尺寸 JB1154-73 ） 容积 曲面高度 直边高度 内表面积 Dgmm ） h1 mm） h2mm ） Fm 2） Vm 3） 2800 700 50 800mm,故其厚度取 16mm；bR9C6TJscw 塔的高度： HH 1 h1 h2 2L2 L/ 2 L h/ 耐 =3500700502

52、260023002600 300=9000mm 其中： H 1 裙座高度 , mm= 35 公2 / 米 ） Z M h1 封头短半轴高度 , , mmh2 封头直边高度 , mmL / 开人孔的空间距离 ; h 进气管高出塔的高度 ,mm由9 P479 表 3-2-25 查得： 表 3.1.2 裙座尺寸 q0 斤 S 环 mm） 塔径 Dgmm ） SC mm） 31 / 57 第 36 页,共 57 页2800 12 27 由9 P327 表 3-2-8 查得： 基础环内径： Dbi 2800 216 （0.2 ） 10 3=2532mm 基础环内径： Dbo 2800 216 （0.2

53、） 103=3132mm 圆整： D bi =2600mm； Dbo =3130mm,基础环厚度,考虑到腐蚀裕度取 18mm,群 2W 环 10 cm 2） 座高度取 ,地脚螺栓直径去 M27. pN9LBDdtrd 表 裙座基座尺寸 群座直径 D1 D2 D0 2 F 环 10 mm ） mm ） mm） mm） cm 2 ） 2800 3130 3000 2600 地脚螺栓 由9 P466 表 3-2-21 查得： d4 d2 表 螺栓尺寸 M27 ） hf l 3 Sa Sc 34 40 26 12 300 L+50 人孔 接受 A 型人孔,由 7 P473 查得： 表 人孔尺寸 群座直

54、径 mm ） 数量 个） Dmm ） Mmm ） Hmm ） 1800 D 3400 2450 200 900 排气孔 由7 P473 表 8-13 查得： 表 排气孔尺寸 32 / 57 第 37 页,共 57 页群座直径 排气孔直径 数量 孔中心离切线距离 mm） mm ） 个） Hmm ） 1800 D 3400 10844230 接管 由公式： PV = nRT 得, V1 = nP0 T1V0 P1T0 ,就： 中变炉入口流速： V 101.33 273 315 0.540 m 3 / s 1750 273 3600 4V 而 v 2, 查 9 金 属 设 备 P5 3 1, 如 中

55、 变 炉 入 口 管 选 用 的 内 管 尺 寸 为 R 2196mm, v 214.34m / s 4内管 mm ） 外管 mm） 表 入口接管尺寸 cmm ） H 2mm ） mm） amm） bmm ） 2196273825 210 95 200 8同理： 中变炉出口流速： 查9 金属设备 V 273 380 0.600 m 3 / s 1750 273 3600 P531 ,如中变炉出口管选用的内管尺寸为 2196mm, v 215.94m / s 4表 出口接管尺寸 内管 mm ） 外管 mm） amm） bmm ） cmm ） H 2mm ） mm） 2196273825 210

56、95 200 8引出通道管 由9 P466 和 P474 查得： 表 引出通道管尺寸 33 / 57 第 38 页,共 57 页Dgmm ） d3S3mm） Emm） Dmm ） Lmm ） Hmm ） 200 3798350 300 150 1600 法兰 由于原料气为易燃易爆的气体,由 6 P149 查得该接受榫槽面平焊法兰； 由8 P387 查得： 表 榫槽面法兰尺寸 HG5011 58）单位： mm） Dg dH S DD1 D2 D3 D4 D5 200 219 6360 310 278 239 259 238 续上 D6 bb3 b4 f f1=f2 hd质量 260 32 10

57、11 392 25 筋板 由9 P329 查得： LD1-Sz 筋其中 D1 ：基础环外径 3130mm； Z ：地脚螺栓个数 12； S 筋 ：螺栓座筋板厚度,取 3 .14 3130 就： L -20 1212mm； =799mm 中变炉材料与零部件一览表 表 材料与零部件一览表 名称 标准号 数量 备注 裙座 J04-0091 12800 2=450 人孔 封头 JB1154-73 2 26 接管 HG20595-97 22196 34 / 57 第 39 页,共 57 页法兰 HG5011-58 2Pg25Dg200 引出管 1510 排气孔 4100 塔体 1 26 低温变换炉运算

58、已知条件： 平均操作压力 0.83Mpa. 气体进口温度 197 气体出口温度 221 平均温度 197+221） /2=209 气体流量 干） m 3/h 湿气流量 m 3 /h 进低变炉催化剂气体 干）组分 组 分 CO 2 表 进低变炉催化剂气体 干）组分 CH 4 合计 CO H2 N 2 Ar 含量, 100 3 Nm kmol 入口湿气中水蒸气含量 入催化剂蒸汽比 R= 入口湿气中干气总量 R= 983 .824 催化剂用量运算 依据低变催化剂的选用原就,选 B302Q 型国产低变催化剂； 用 B302Q 型国产低变催化剂进行运算 V =T 0V 0 V 0 的求取：进低变炉变换气

59、中 N2%=21.57% 就： V0=+0.4430+0.12640.1264q= 24低变炉出口干气中 CO 含量： CO%=0.31% n=2.28%-0.31%=1.97% 由 3000 吨型合成氨厂工艺和设备运算得到在 309时反应速度常数 k=3571, 加压时取校正系数： 2.8,就： k=35712.8=10000.DJ8T7nHuGT故 T Kp k q 2Wn ln 2Wn Uqln Uqln UqUqT0 10000 ln 22所以： V=T 0V 04 m 3在接受中变串低变流程中,低变催化剂条件较好,故可以不考虑催化剂备用系数 1 ； 催化剂床层直径运算 设计要求催化剂

60、层总阻力 6.86KPa催化剂床层阻力 气体平均分子量 M= YiMi =44 28 2 28 180QF81D7bvUA气体在进入低变催化剂层中的重度 209 273 830 3 kg/m 273 式中： 209 为气体的平均温度值 气体质量流量 G= 24h32催化剂层高 L24所以： P= 10 8（） 1 .9 130.004 （） 37 / 57 第 42 页,共 57 页2运算结果符合要求 P,故取催化剂直径 封头的选择 1）封头分为椭圆形封头,碟形封头等几种,本设计选用椭圆形的封头,由公称 直径 Dg=3200mm,查 8 P331 ,表 2-7-1 查得： 4B7a9QFw9h