年產(chǎn)10萬(wàn)噸合成氨變換工藝設(shè)計(jì)

專業(yè)：化學(xué)工程與工藝姓名：白林指導(dǎo)老師：鄧慧2013.06.25年產(chǎn)十萬(wàn)噸合成氨變換工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容提要

致謝

設(shè)備的計(jì)算

變換工藝計(jì)算

總論

一、總論

氨是重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。

近年來(lái)合成氨工業(yè)發(fā)展很快，大型化、低能耗、清潔生產(chǎn)均是合成氨設(shè)備發(fā)展的主流，技術(shù)改進(jìn)主要方向是開(kāi)發(fā)性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開(kāi)發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等方面上。1、氨的物化性質(zhì)

氨的主要物理性質(zhì)有：極易溶于水，溶解時(shí)放大量的熱。氨水溶液呈堿性，易揮發(fā)。液氨和干燥的氨氣對(duì)大部分物質(zhì)沒(méi)有腐蝕性，但在有水的條件下，對(duì)銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。

氨的化學(xué)性質(zhì)有：在常溫下相當(dāng)穩(wěn)定，在高溫、電火花或紫外光的作用下可分解為氮和氫。具有可燃性，自然點(diǎn)為630℃，一般較難點(diǎn)燃。氨與空氣或氧的混合物在一定范圍內(nèi)能夠發(fā)生爆炸。氨的性質(zhì)比較活潑，能與各種無(wú)機(jī)酸反應(yīng)生成鹽。2、合成氨的典型工藝流程介紹

合成氨的生產(chǎn)過(guò)程包括三個(gè)主要步驟：原料氣的制備、凈化、壓縮和合成凈化

一氧化碳變換過(guò)程

脫硫脫碳過(guò)程氣體精制過(guò)程

3、合成氨變換工藝原理

變換工序是指CO與H2O(g)反應(yīng)生成CO2和H2的過(guò)程。合成氨中需要H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換工段主要利用CO變換反應(yīng)式：

CO+H2O→CO2+H2

CO轉(zhuǎn)化為較易被消除的CO2并獲得寶貴的H2，因而一氧化碳變換既是氣體的凈化過(guò)程，又是原料氣制取的繼續(xù)。最后，少量的CO再通過(guò)其他凈化法加以脫除。CO變換可能進(jìn)行的限度為CO平衡變換率，平衡變換率隨著溫度的升高而降低，隨CO成分的增高而增高，隨CO2成分的增高而降低。4、設(shè)計(jì)方案的確定

一氧化碳變換工藝的流程安排應(yīng)做如下考慮。若一氧化碳體積分?jǐn)?shù)較高，應(yīng)采用中溫變換，大多數(shù)合成氨原料氣中一氧化碳高于10%，可先通過(guò)中變除去大部分一氧化碳。對(duì)一氧化碳體積分?jǐn)?shù)高于15%的，一般考慮適當(dāng)分段，段間進(jìn)行冷卻降溫，盡量靠近最適宜溫度操作。其次，根據(jù)原料氣的溫度和濕含量情況，則考慮適當(dāng)預(yù)熱和增濕，合理利用余熱。如允許變換氣中殘余CO體積分?jǐn)?shù)在3%左右，只采用中變即可。如要求在0.3%左右，則將中變和低變串聯(lián)使用。

5、工藝流程

本設(shè)計(jì)主要是變換工序的工藝設(shè)計(jì)，所選流程為：

選用中串低工藝。從壓縮工段來(lái)的變換氣進(jìn)入飽和熱水塔，在飽和塔出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)3-5，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(guò)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0.3%以下，再進(jìn)入脫碳工段。原料氣飽和熱水塔H2O中溫變換爐換熱器低溫變換爐

變換氣6、工藝參數(shù)的確定（1）壓力

一般小型氨廠操作壓力為0.7-1.2MPa,中型氨1.2–1.8Mpa。本設(shè)計(jì)壓力可取1.75MPa.

（2）溫度

變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為

Tm=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。二、變換工藝計(jì)算

計(jì)算生產(chǎn)1噸氨需要的變換氣量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31m3(標(biāo))進(jìn)中變爐的變換氣干組分

取水汽比H2O/CO=3.5

故V（水）=3.5VCO=3.5*338.32=1184.12m3(標(biāo))

因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分如下表廢熱鍋爐的熱量和物料計(jì)算

進(jìn)廢熱鍋爐的溫度為：

920℃出廢熱鍋爐的溫度為：

330℃進(jìn)出設(shè)備的水溫：

20℃出設(shè)備的水溫：

330℃進(jìn)出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣（濕）：168.37kmol進(jìn)出設(shè)備的水量：

Xkmol物量在設(shè)備里無(wú)物量的變化。

水帶入熱Q1=XCpT變換氣帶入熱Q2=nCpmT同理求得變換氣帶出熱Q3；水帶出熱Q4。熱量平衡：0.96×(Q1+Q2)=Q3+Q4

則X=288.305koml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(shí)際變換率為60％求出在一段催化床層反應(yīng)后剩余各組分的量得到出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的含進(jìn)而求得出中變爐一段催化床層變換氣濕組分含量出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量根據(jù)：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）計(jì)算得Kp，查出對(duì)應(yīng)溫度t中變爐一段催化床層的熱量衡算

設(shè)平均溫距為35℃，則出變爐一段催化床層的變

換氣溫度為：450℃-35℃=415℃

基準(zhǔn)焓通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4

變換氣的各個(gè)組分的基準(zhǔn)焓列于下表反應(yīng)CO+H2O=CO2+H2放熱Q1=nC