畢業(yè)設(shè)計（論文）-15萬噸合成氨一氧化碳變換工段設(shè)計.doc

目錄1.前言42.工藝原理43.工藝條件54.工藝流程的確定65.主要設(shè)備的選擇說明66.對本設(shè)計的綜述6第一章變換工段物料及熱量衡算8第一節(jié)中變物料及熱量衡算81確定轉(zhuǎn)化氣組成82水汽比的確定83中變爐一段催化床層的物料衡算94中變爐一段催化床層的熱量衡算115中變爐催化劑平衡曲線136.最佳溫度曲線的計算147操作線計算158中間冷淋過程的物料和熱量計算169中變爐二段催化床層的物料衡算1710.中變爐二段催化床層的熱量衡算18第二節(jié)低變爐的物料與熱量計算19第三節(jié)廢熱鍋爐的熱量和物料計算24第四節(jié)主換熱器的物料與熱量的計算26第五節(jié)調(diào)溫水加熱器的物料與熱量計算28第二章設(shè)備的計算291.低溫變換爐計算292.中變廢熱鍋爐31參考文獻(xiàn)及致謝35前言氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于化學(xué)肥料的生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。合成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣的制?。辉蠚獾膬艋c合成。粗原料氣中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過CO變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從80年代中期發(fā)展起來的。所謂中變串低變流程，就是在B107等Fe-Cr系催化劑之后串入Co-Mo系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中的CO含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。工藝原理：一氧化碳變換反應(yīng)式為：CO+H2O=CO2+H2+Q(1-1)CO+H2=C+H2O(1-2)其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對式反應(yīng)（11）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應(yīng)式：H2+O2=H2O+Q工藝條件1.壓力：壓力對變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為0.7-1.2MPa,中型氨廠為1.21.8Mpa。本設(shè)計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，故壓力可取1.7MPa.1.溫度：變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即CO平衡含量增大，反應(yīng)推動力變小，對反應(yīng)速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應(yīng)溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學(xué)角度推導(dǎo)的計算式為Tm=1212ln1EEEERTTee式中Tm、Te分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。1汽氣比：水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡變換率，從而有利于降低CO殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分Fe3O4的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；CO停留時間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=35，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO可達(dá)15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。工藝流程確定目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低4種工藝。本設(shè)計參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐進(jìn)入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從920降到330，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到3到5之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到0.3%以下，再進(jìn)入甲烷化工段。主要設(shè)備的選擇說明中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低變爐選用C6型催化劑，計算得低變催化劑實際用量10.59m3。以上設(shè)備的選擇主要是依據(jù)所給定的合成氨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料氣中碳氧化物的含量以及變換氣中所要求的CO濃度。對本設(shè)計評述天然氣變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因為能否正常生產(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要求。在本設(shè)計中，根據(jù)已知的天然氣組成，操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。首先對中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)計算結(jié)果對主要設(shè)備選型，最終完成了本設(shè)計的宗旨。設(shè)計中一共有中溫廢熱鍋爐，中變爐，主換熱器，調(diào)溫水換熱器，低變爐幾個主要設(shè)備。由于天然氣變換工段工序是成熟工藝，參考文獻(xiàn)資料較多，在本設(shè)計中，主要參考了小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊和合成氨工藝學(xué)這兩本書。由于時間有限，設(shè)計可能不完善，請各位老師指出。謝謝！第一章變換工段物料及熱量衡算第一節(jié)中溫變換物料衡算及熱量衡算1確定轉(zhuǎn)化氣組成：已知條件中變爐進(jìn)口氣體組成：組分CO2COH2N2CH4O2合計%9.611.4255.7122.560.380.33100計算基準(zhǔn)：1噸氨計算生產(chǎn)1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）22.4/（222.56）=2920.31M3(標(biāo))因為在生產(chǎn)過程中物量可能會有消耗，因此變化氣量取2962.5M3(標(biāo))年產(chǎn)5萬噸合成氨生產(chǎn)能力：日生產(chǎn)量：150000/330=454.55/d=18.93T/h要求出中變爐的變換氣干組分中CO小于2進(jìn)中變爐的變換氣干組分：組分CO2COH2N2O2CH4合計含量，9.611.4255.7122.560.330.38100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7634937.5假設(shè)入中變爐氣體溫度為335攝氏度，取出爐與入爐的溫差為30攝氏度，則出爐溫度為365攝氏度。進(jìn)中變爐干氣壓力中P=1.75Mpa.2水汽比的確定：考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=1973.52m3(標(biāo))n(水)=88.1kmol因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分:組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53中變爐CO的實際變換率的求?。杭俣褶D(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO基含量為8.16，要求變換氣中CO含量為2，故根據(jù)變換反應(yīng)：CO+H2OH2+CO2，則CO的實際變換率為：X=aaaaYYYY1100=74式中Ya、aY分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）則反應(yīng)掉的CO的量為：8.1674=6.04則反應(yīng)后的各組分的量分別為：H2O=28.56-6.04+0.48=23CO=8.16-6.04=2.12H2=39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86+6.04=12.9中變爐出口的平衡常數(shù)：K=（H2CO2）/（H2OCO）=12查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊可知K=12時溫度為397。中變的平均溫距為397-365=32中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。3.中變爐一段催化床層的物料衡算假設(shè)CO在一段催化床層的實際變換率為60。因為進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量，6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標(biāo))474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53假使O2與H2完全反應(yīng)，O2完全反應(yīng)掉故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：60563.86=338.318M3(標(biāo))=15.1koml出一段催化床層的CO的量為：563.86-338.318=225.545M3(標(biāo))=10.069koml故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為:2750.68+338.318-216.29=3056.41M3(標(biāo))=136.447koml故在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：474+338.318=812.318M3(標(biāo))=36.26koml出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：組分CO2COH2N2CH4合計含量15.5443.158.4721.130.35100M3(標(biāo))812.318225.5453056.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的H2O的量為：1973.52-338.318+216.29=1667.79M3(標(biāo))=74.45koml所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(標(biāo))812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進(jìn)行計算：已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）：組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(標(biāo))812