赵利民的毕业设计.docx
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赵利民的毕业设计
毕业设计
合成氨变换工段工艺设计
系别：
化学化工系
专业：
煤炭深加工与利用
姓名：
赵利民
学号：
111307153
指导教师：
池吉安
河南城建学院
2010年5月30日
河南城建学院
毕业设计（论文）
任 务 书
题目
合成氨变换工段工艺设计
系别
化学化工系
专 业
煤炭深加工与利用
班 级
1113071
学 号
111307153
学生姓名
赵利民
指导教师
池吉安
发放日期
2010年4月8日
河南城建学院专科毕业设计（论文）任务书
一、主要任务与目标：
毕业设计是学生完成全部理论教学后所进行的综合性和实践性非常强的教学环节，是学生在校运用所掌握的理论知识及各种技能，分析和解决工程实际问题（模拟）的最后综合性训练。
通过毕业设计，旨在使学生深刻认识和理解工程设计基本内容，熟练掌握化工设计的主要程序及方法，进一步锻炼和提升学生综合运用理论知识和技能的能力、收集和查阅文献资料的能力、分析和解决工程实际问题的能力、独立工作和创新能力。
为步入社会、从事专业技术工作奠定坚实的基础。
毕业设计的任务就是指（引）导学生在深刻、全面认识相关的化工单元操作的基础上，根据自己所收集的相关技术及信息资料，综合运用所学理论知识和所掌握的各种技能，通过独立思考和锐意创新，在规定的时间内完成选定的化工某单元操作的设计任务，并以设计说明书及设计图形式正确表述。
设计条件
（1）、原料：
中变炉进口气体组成：
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
合计
%
9.46
11.52
55.74
22.58
0.38
0.32
100
（2）、生产时间：
年产10万吨氨，一年350天
二、主要内容与基本要求：
1．设计的基本要求
（1）对所涉及的化工生产过程（单元操作）的原理、工艺参数、流程、影响因素及控制手段有一定的掌握。
（2）按课程设计任务书的条件和要求，根据所学理论知识和技能和积累的素材，自主的、创造性的完成设计的以下工作:
A独立抉择，选择先进的技术方案和流程；
B应快速查阅相关文献资料、收集有关数据，正确选用参数和计算公式；
C应准确而迅速地进行过程计算和主要设备的工艺设计计算；
D应准确绘制（包括CAD绘图）设计图，图表应符合有关要求。
（3）学生完成设计后，应完成一份文字简洁、语言专业规范、计算过程扼要明了、层次清晰的工艺设计说明书和正确表达设计思想和计算结果的设计图。
3.2设计内容
1明确设计任务，查阅文献资料；
2确定设计方案：
通过技术及经济筛选、对比，选定技术先进、经济效益好的设计方案；
3明确已知条件、工艺参数及计算基准；
4工艺计算部分
4.1物料衡算：
①计算基准的确定：
②计算各物理及化学过程的原料消耗及物料输出量（包括参加及不参加反应之物料、杂质等各项）；
③列出主要设备的输入及输出物料平衡表（包括物料名称、工业品组成、分子量、成品重量、比重体积等各项）；
④绘出总车间的物料平衡图（包括设备名称、原料及产品重量、产率、物料损失等各项）；
⑤计算原料消耗定额（以每吨产品为计算基准）；
4.2热量衡算（以物料衡算为基础）：
①需明确物料进入设备入口温度，列出热量衡算方程；
②计算各物理或化学变化吸收或放出的热量，特别是潜热及反应热的计算；
③对反应器须计算各物料进出口温度，及反应器内部温度；换热器计算原料及冷却（加热）介质进、出口温度；精馏塔、吸收塔等分离设备需计算出各物料进口温度、出口温度以及塔顶、塔顶温度，其他典型设备热量衡算处理方式采用类似方法。
④热量平衡，选择传热结构，计算传热面积；
⑤选择传热剂及计算传热用量。
三、计划进度：
第5周：
文献检索、方案设计
第6周：
设计工艺流程、绘制工艺流程图
第7～8周：
对一主体反应设备进行设计计算
第9～10周：
对一主体分离设备进行设计计算
第11周：
对一非主体定型设备进行选型计算
第12周：
绘制一主体设备结构图
第13周：
整理材料，撰写设计说明书
第14周:
答辩
四、主要参考文献：
1《煤化工工艺学》化学工业出版社
2《炼焦新工艺与技术》化学工业出版社
3《煤化学》化学工业出版社
4《化工容器及设备简明设计手册》化学工业出版社
5《化工工艺设计手册》化学工业出版社
6《化工设备手册》化学工业出版社
7《现代煤化工技术手册》化学工业出版社
指导教师（签名）：
年月日
教研室审核意见：
（建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。
）
教研室主任签名：
年月日
注：
任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。
成绩评定
成绩评定说明
一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，
教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。
二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办
法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。
系对专业答
辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定
成绩，并向学生公布。
三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。
四、具体评分标准和办法见《河南城建学院毕业设计（论文）工作条例》。
五、答辩小组评分包括两部分：
（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；
（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分
毕业设计（论文）成绩评定
班级姓名学号
综合成绩：
分（折合等级）
答辩小组组长签字年月日
答辩小组评定意见
一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。
二、评分（按下表要求评定）
评分项目
答辩小组评分
评阅教师评分
合计
（40分）
完成任务
情况
（5分）
毕业设计
（论文）质量
（5分）
表达情况
（5分）
回答问题
情况
（5分）
质量
（正确性、条理性、创造性、实用性）
（10分）
成果的技术水平（科学性、系统性）
（10分）
评分
答辩小组成员签字
年月日
毕业答辩说明
1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。
2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。
3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。
4、答辩中要有专人作好答辩记录。
指导教师评定意见
一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）：
签字：
年月日
二、对毕业设计（论文）评分[按下表要求综合评定]。
（1）理工科评分表
评分项目
（分值）
工作态度
与纪律
（10分）
毕业设计（论文）完成任务情况与水平
（工作量与质量）
（20分）
独立
工作能力
（10分）
基础理论和
基本技能
（10分）
创新
能力
（10分）
合计
（60分）
得分
（2）文科评分表
评分项目
（分值）
文献阅读与文献综述
（10分）
外文翻译
（10分）
论文撰写质量
（10分）
学习态度
（10分）
论证能力
与创新
（20分）
合计
（60分）
得分
指导教师签字：
年月日
摘要
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；原料气的净化与合成。
变换工段属于原料气的净化。
本设计为年产10万吨合成氨变换工段的工艺设计，本次设计所采用的工艺路线为：
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。
设计所得成果主要有设计说明书和相应的图，其图包括主设备图、带控制点的工艺流程图和物料流程图。
关键词：
合成氨、变换工段、工艺设计、工艺流程图。
Abstract
Muskisakindofimportantchemicalproducts,mainlyfortheproductionofchemicalfertilizer.Ammoniaproductionafteryearsofdevelopment,hasbecomeamaturechemicalmanufacturingprocess.Ammoniaproductionmainlyinclude:
materialsfromtheair,Gaspurificationandsynthesis.Transformrawgaspurificationunitsbelongto.
ThisdesignUSEStheprocessroutefor:
transformationmainlybytheunitsoflowprocess,whichisdevelopedinthe1980s.Theso-calledoflowflow,whichisinB109Fe-CriscatalystetcafterstringintoCo-Moiswidetemperatureshiftcatalyst.Intheprocessoflow,becauseofwidestringofcatalyst,thevariableoperatingconditionschanged.Ononehandintothesteamhasmorethangreatlyreduced,OntheotherhandtransformtheCOcontentalsosignificantlyreduced.Becausethewidthofthecatalystforchangeaftertheoperation,flexibleoperationsystem,makethetransformationsystemincreasedgreatlyfacilitatingoperation,alsoreducedtheenergyconsumption.Designresultmainlyhasthedesignspecificationandthecorrespondingfigure,thefigureincludesworkshopequipmentlayout,typicalequipmentandtakecontroloftheequipmentoftheprocessflowdiagram.
Keywords:
theshiftconversionsectionprocessdesignprocessflowdiagram
1.前言……………………………………………………………………………3
2.工艺条件………………………………………………………………………4
3.工艺流程………………………………………………………………………4
4.主要设备选择…………………………………………………………………6
5.中温变换炉
5.1中变炉一段催化床层物料衡算……………………………………………8
5.2中变炉一段催化床层热量衡算……………………………………………10
5.3中变炉催化剂平衡曲线……………………………………………………13
5.4中变炉一段最佳温度曲线…………………………………………………14
5.5中变炉一段操作线…………………………………………………………16
5.6中间冷琳过程的物料和热量计算…………………………………………17
5.7中变炉二段催化床层物料计算……………………………………………19
5.8中变炉二段催化床层热量计算……………………………………………20
5.9中变炉二段催化剂平衡曲线………………………………………………21
5.10中变炉二段最佳温度曲线………………………………………………22
5.11中变炉二段操作线………………………………………………………23
6.低温变换炉
6.1低变炉一段催化床层物料衡算……………………………………………25
6.2低变炉一段催化床层热量衡算……………………………………………26
6.3低变炉催化剂平衡曲线……………………………………………………27
6.4最佳温度曲线………………………………………………………………28
6.5操作线………………………………………………………………………29
7.热交换器…………………………………………………………………………30
8.主设备计算
8.1中变炉计算
8.1.1催化剂用量计算……………………………………………………32
8.1.2催化剂床层直径确定………………………………………………32
8.1..3壁厚计算……………………………………………………………33
8.1.4强度计算……………………………………………………………34
8.1.5封头计算……………………………………………………………34
8.2低变炉计算
8.2.1催化剂用量计算……………………………………………………35
8.2.2催化剂床层直径确定………………………………………………36
9.参考文献…………………………………………………………………………37
10.致谢……………………………………………………………………………38
1.前言
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；原料气的净化与合成。
粗原料气中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过CO变换反应，使其转化为易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。
因此，CO变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。
最后，少量的CO用液氨洗涤法，或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。
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非常重要的作用。
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B107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。
工艺原理如下：
一氧化碳变换反应式为：
CO+H2O=CO2+H2+Q
CO+H2=C+H2O
其中反应
（1）是主反应，反应
（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应
（1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。
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：
H2+O2=H2O+Q
2.工艺条件
1.压力：
压力对变换反应的平衡几乎没有影响。
但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。
单就平衡而言，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，应根据中小型氨厂的特点，特别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0.7-1.2MPa,中型氨厂为1.2~1.8Mpa。
2.温度：
变化反应是可逆放热反应。
从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即CO平衡含量增大，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。
因而存在着最佳反应温对一定催化剂及气相组成，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。
3.汽起比：
汽起比一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。
增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡变换率，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，保证催化剂中活性组分Fe3O4的稳定而不被还原，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，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，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满足低温变换的要求。
3.工艺流程
工艺流程图为;
图1
1.饱和热水塔2.热交换器3.中温变换炉4.调温水加热器5.低温变换炉6.水加热器7.热水循环塔8.软水加热器
9.冷却器
4.设备选择
中低变串联流程中，主要设备有饱和热水塔、热交换器、中温变换炉、调温水加热器、低温变换炉、水加热器、热水循环塔、软水加热器、冷却器等。
中变炉选用B109型催化剂，计算得中变催化剂实际用量（20+25）m3。
低变炉选用B302Q型催化剂，计算得低变催化剂实际用量25m3。
以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的CO浓度。
5.中温变换炉
已知原料气组成:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
合计
%
9.46
11.52
55.74
22.58
0.38
0.32
100.00
年产10万吨氨，一年350天。
计算生产1t氨需要的变换气量为v=
M3（标）
因为在生产过程中物量会有消耗，因此变化气量取2962.5M3（标）=132.25kmol
年产10万吨合成氨生产能力;
日生产量：
100000/350=285.71t/d=11.90t/h
水汽比确定：
依据经验取
=3.5
所以v水=3.5
2962.5
11.52%=1194.48M3（标）n水=53.33kmol
故入中变炉原料气组分为：
组分
CO2
CO
H2
N2
O2
CH4
H2O
合计
V/M3（标）
280.25
341.28
1651.30
669.93
11.26
9.48
1194.48
4156.98
n/kmol
12.51
15.24
73.72
29.86
0.50
0.42
53.33
185.58
r/%
6.74
8.21
39.72
16.09
0.27
0.23
28.74
100.00
中变炉co实际变换率为：
％=
×100=74.16％
式中Ya、
分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）
Ya–原料气中co含量Ya=8.21%
-中变炉出气中co含量
=2%
为方便计算，现以100kmol湿转化气计算中变炉出口变换气的组成：
反应的nCO=8.21*74.16%=6.09kmol
故反应后各组分的量分别为：
nH2O=28.74-6.09+0.54=23.19
nCO=8.21-6.09=2.12
nH2=29.72+6.09-0.54=45.27
nCO2=6.74+6.09=12.83
故出中变的变换气组成为：
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
n/kmol
12.83
2.12
45.27
16.09
0.23
23.19
99.73
r/%
12.47
2.08
44.04
15.62
0.22
25.54
100.00
中变炉出口的平衡常数：
K=
=
=10.34
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知K=10.34时温度为395℃。
中变的平均温距为395℃-365℃=30℃
中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。
5.1中变炉一段催化床层物料衡算
设CO在一段催化床层的实际变换率为60％。
因为进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：
组分
CO2
CO
H2
N2
O2
CH4
H2O
合计
V/M3（标）
280.25
341.28
1651.30
669.93
11.26
9.48
1194.48
4156.98
n/kmol
12.51
15.24
73.72
29.86
0.50
0.42
53.33
185.58
r/%
6.74
8.21
39.72
16.09
0.27
0.23
28.74
100.00
故在一段催化床层反应掉的CO的量为：
60％×15.24=9.14koml
出一段催化床层的CO的量为：
15.24-9.14=6.10kmol
H2O=53.33+2*0.5-9.14=25.19kmol
H2=73.72+9.14-2*0.5=81.86kmol
CO2=12.51+9.14=21.65kmol
出中变炉一段催化床层的变换气干组分：
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
合计
n/kmol
21.65
6.10
81.86
29.86
0.42
185.08
r/%
11.70
3.30
44.22
16.13
0.23
100.00
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