年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计.docx
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年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计
年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计.txt32因为爱心，流浪的人们才能重返家园；因为爱心，疲惫的灵魂才能活力如初。
渴望爱心，如同星光渴望彼此辉映；渴望爱心，如同世纪之歌渴望永远被唱下去。
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一、设计（论文）的要求：
1、说明书包括前言，合成氨变换工段工序原理，工艺条件及工艺流
程确定，以及主要设备的选择说明，对本设计的评述。
2、计算部分计算。
3、图纸带控制点的工艺流程图。
包括物料衡算，热量衡算，有效能利用率计算，主要设备
二、设计（论文）的原始数据：
天然气成分：
以鸿化厂的实际工作数据为依据来进行。
年工作日330天,其余数据自定。
三、参考资料及说明：
《化工工艺设计手册》（上、下册）《氮肥工艺设计手册》理化数据、、《化肥企业产品能平衡》《小合成氨厂工艺技术与设计手册》《合成氨工学》、、、《化工制图》《化工原理》《化学工程》《化工设计概论》以及关于氮肥、、、的其他相关杂志。
1
目
1.
录
前言………………………………………………………………………………4
2.工艺原理…………………………………………………………………………43.4.5.6.工艺条件…………………………………………………………………………5工艺流程的确定…………………………………………………………………6主要设备的选择说明……………………………………………………………6对本设计的综述…………………………………………………………………6
第一章变换工段物料及热量衡算……………………………………………8
第一节中变物料及热量衡算………………………………………………………81．确定转化气组成…………………………………………………………………82．水汽比的确定……………………………………………………………………8
3．中变炉一段催化床层的物料衡算………………………………………………9
4．中变炉一段催化床层的热量衡算………………………………………………115．中变炉催化剂平衡曲线…………………………………………………………13
6.
最佳温度曲线的计算……………………………………………………………14
7．操作线计算……………………………………………………………………158．中间冷淋过程的物料和热量计算……………………………………………169．中变炉二段催化床层的物料衡算……………………………………………1710.中变炉二段催化床层的热量衡算……………………………………………18第二节低变炉的物料与热量计算………………………………………………19第三节废热锅炉的热量和物料计算……………………………………………24第四节主换热器的物料与热量的计算…………………………………………26第五节调温水加热器的物料与热量计算……………………………………28
第二章设备的计算………………………………………………………………291.低温变换炉计算………………………………………………………………292.中变废热锅炉…………………………………………………………………31参考文献及致谢…………………………………………………………………35
2
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：
一氧化碳变换反应式为：
CO+H2O=CO2+H2+QCO+H2=C+H2O（1-1）（1-2）
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—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
3
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。
本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取1.7MPa.1.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=TeRTeE1+ln2E2?
E1E1
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。
1．
汽气比：
水蒸汽比例一般指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，
4
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。
工艺流程确定目前的变化工艺有：
中温变换，中串低，全低及中低低4种工艺。
本设计参考四川省自贡市鸿鹤化工厂的生产工艺，选用中串低工艺。
转化气从转化炉进入废热锅炉，在废热锅炉中变换气从920℃降到330℃，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间，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到0.3%以下，再进入甲烷化工段。
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C6型催化剂，计算得低变催化剂实际用量10.59m3。
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。
对本设计评述天然气变换工段工序是合成氨生产中的第一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。
因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。
在本设计中，根据已知的天然气组成，操作条件，采用了中变串低变的工艺流程路线。
首先对中，低变进行了物料和热量衡算，在计算的基础上，根据计算结果对主要设备选型，最终完成了本设计的宗旨。
设计中一共有中温废热锅炉，中变炉，主换热器，调温水换热器，低变炉几个主要设备。
由于天然气变换工段工序是成熟工艺，参考文献资料较多，在本设计中，主要参考了《小合成氨厂工艺技术与设计手册》和《合成氨工艺学》这两本书。
由于时间有限，设计可能不完善，请各位老师指出。
谢谢！
5
第一章
第一节第一节1．确定转化气组成：
变换工段物料及热量衡算
中温变换物料衡算及热量衡算中温变换物料衡算及热量衡算物料
已知条件中变炉进口气体组成：
组分%CO29.6CO11.42H255.71N222.56CH40.38O20.33合计100
计算基准：
1吨氨计算生产1吨氨需要的变化气量：
1000/17）（×22.4/（2×22.56）=2920.31M3（标）因为在生产过程中物量可能回有消耗，因此变化气量取2962.5M3（标）年产5万吨合成氨生产能力：
日生产量：
50000/330=151.52T/d=6.31T/h要求出中变炉的变换气干组分中CO％小于2％进中变炉的变换气干组分：
组分含量，％M3（标）合CO29.64746689CO11.42563.8H255.712750.N222.561113.16.2937.5O20.33CH40.3818.76计100493
假设入中变炉气体温度为335摄氏度，取出炉与入炉的温差为30摄氏度，则出炉温度为365摄氏度。
进中变炉干气压力P中=1.75Mpa.2．水汽比的确定：
考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=1973.52m3（标）n（水）=88.1kmol因此进中变炉的变换气湿组分:
6
组分含量％M（标）koml
3
CO26.8647421.16
CO8.16563.8625.172
H239.82750.68122.798
N216.121113.949.73
O20.2416.290.727
CH40.2718.7630.838
H2O28.561973.5288.1
合计1006911.02308.53
中变炉CO的实际变换率的求取：
假定湿转化气为100mol，其中CO基含量为8.16％，要求变换气中CO含量为2％，故根据变换反应：
CO+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率为：
X％=
Ya?
Ya′×100=74％Ya（1+Ya′）
式中Ya、Ya'分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）则反应掉的CO的量为：
8.16×74％=6.04则反应后的各组分的量分别为：
H2O％=28.56％-6.04％+0.48％=23％CO％=8.16％-6.04％=2.12％H2％=39.8％+6.04％-0.48％=45.36％CO2％=6.86％+6.04％=12.9％中变炉出口的平衡常数：
K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知K=12时温度为397℃。
中变的平均温距为397℃-365℃=32℃中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。
3.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％。
因为进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：
组分含量，％M（标）koml
3
CO26.8647421.16
CO8.16563.8625.172
H239.82750.68122.798
N216.121113.949.73
O20.2416.290.727
CH40.2718.7630.838
H2O28.561973.5288.1
合计1006911.02308.53
假使O2与H2完全反应，O2完全反应掉故在一段催化床层反应掉的CO的量为：
7
60％×563.86=338.318M3（标）=15.1koml出一段催化床层的CO的量为：
563.86-338.318=225.545M（标）=10.069koml故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:
2750.68+338.318-2×16.29=3056.41M（标）=136.447koml故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：
474+338.318=812.318M3（标）=36.26koml出中变炉一段催化床层的变换气干组分：
组分含量％M（标）koml
3
3
3
CO215.54812.31836.26
CO43.1225.54510.069
H258.473056.41136.447
N221.131113.949.73
CH40.3518.760.838
合计1005226.94233.35
剩余的H2O的量为：
1973.52-338.318+2×16.29=1667.79M3（标）=74.45koml所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分：
组分含量％M（标）koml
3
CO211.78812.31836.26
CO3.27225.54510.069
H244.333056.41136.447
N216.161113.949.73
CH40.2718.760.838
H2O24.191667.7974.45
合计1006894.73307.8
对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行计算：
已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）：
组分含量％M（标）koml
3CO211.78812.31836.26
CO3.27225.54510.069
H244.333056.41136.447
N216.161113.949.73
CH40.2718.760.838
H2O24.191667.7974.45
合计1006894.73307.8
对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：
根据：
K=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）计算得K=6.6查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当K=6.6时t=445℃设平均温距为30℃，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：
445℃-30℃=415℃4．中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：
进中变炉温度：
335℃
8
出变炉一段催化床层的变换气温度为：
415℃反应放热Q：
在变化气中含有CO，H2O，O2，H2这4种物质会发生以下2种反应：
CO+H2O=CO2+H2O2+2H2=2H2O这2个反应都是放热反应。
为简化计算，拟采用统一基准焓（或称生成焓）计算。
以P=1atm，t=25℃为基准的气体的统一基准焓计算式为：
HT=△H298=Cpdt式中HT——气体在
0
（1-1）（1-2）
∫
T
在TK的统一基准焓，
298
kcal/kmol（4.1868kJ/kmol）；△H0298——该气体在25℃下的标准生成热，
kcal/kmol（4.1868kJ/kmol）；T——绝对温度，K；Cp——气体的等压比热容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/（kmol.℃）]气体等压比热容与温度的关系有以下经验式：
Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+……式中A0、A1、A2、A3……气体的特性常数将式代入式积分可得统一基准焓的计算通式：
Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4式中常数a0、a1、a2、a3、a4与气体特性常数及标准生成热的关系为：
a1=A0,a2=A1/2,a3=A3/4,a4=A3/4
a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算，不必考虑系统中反应如何进行，步骤有多少，只要计算出过程始态和末态焓差，即得出该过程的总热效果。
△H=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末式中△H——过程热效应，其值为正数时为放热，为负数时系统为吸热，kcal；（4.1868kJ）;ni始态或末态气体的千摩尔数，kmol；
9
Hi—始态温度下或末态温度下；I—气体的统一基准焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）
现将有关气体的计算常数列于下表中气体统一基准焓（通式）常数表
分子式O2H2H2ON2COCO2a01.90318×10
3
a15.80298
3
a22.15675×10
–3
a3-7.40499×104.8459×10
－7–7
a41.08808×10
–10
-2.11244×10-6.0036×10
4
7.209747.11092
-5.5584×101.2932×10
－4
-8.18957×10-5.78039×10-7.65632×10-4.14272×100.00
－11
－3
1.28506×102.03296×105.04519×10-1.135×10
－7
－11
-1.97673×10-2.83637×10-96377.88867
3
6.459036.266276.396
5.18164×108.98694×105.05×10
－3
－4
－7
－11
4
－4
－9
－11
－6
计算O2的基准焓：
根据基准焓的计算通式：
Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4在415℃时T=415+273=683K查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表：
组分Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）O26699.74228050.412H22724.22111405.77H2O-54502.665-228191.759CO-23634.754-98953.987CO2-89956.67833-376630.6208
放热：
CO+H2O=CO2+H2
（1）
△H1=（∑Hi）始-（∑Hi）末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/komlQ1=15.1×（-38079.10484）=-575121.414kJO2+2H2=2H2O
（2）
Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-368924.3632kJ气体共放热：
Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ气体吸热Q3：
根据《物理化学》知CO,H2,H2O,CO2,N2，可用公式：
Cp=a+b+CT-2来计算热容。
热容的单位为kJ/（kmol.℃）查表可得：
10
物质ab/10c/10
-3
CO28.414.1-0.46
H227.283.260.502
H2O3010.710.33
CO244.149.04-8.53
N227.874.27
-5
Cpm=∑Yi*Cp=34.06KJ/（kmol.℃）所以气体吸热Q3=34.06*307.8*（415-330）=891111.78kJ假设热损失Q4根据热量平衡的：
Q=Q3+Q4Q4=52934.965kJ5．中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.5，与公式XP=V=KPAB-CDq=U2?
4WVU=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度t300320340360380T573593613633653Xp0.90120.87370.84240.80740.7687tTXp4206930.68594407130.64164607330.5963
U?
q×100％2AW
4006730.7058
中变炉催化剂平衡曲线如下：
11
10.8转化率Xp0.6
中变炉平衡曲线
0.40.20250300320340360380400420440460温度（℃）
6.最佳温度曲线的计算由于中变炉选用C6型催化剂，最适宜温度曲线由式Te进行计算。
RTeE21+lnE2?
E1E1
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》C6型催化剂的正负反应活化能分别为E1=10000千卡/公斤分子，E2=19000千卡/公斤分子。
最适宜温度计算列于下表中：
XpTtXpTtXpTt0.90125262530.67638.2365.20.49702.6429.60.8737546.8273.80.64649.4376.40.45716.6443.60.8424564.2291.20.61660.7387.30.8074581.5308.50.586713980.7687598.8325.80.55681.6408.60.7058624.5351.50.52692.6419.6
将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：
12
10.90.8
转化率Xp
0.70.60.50.40.30.20.10253274291309326352365376387398409420430444最适宜温度线
温度（℃）
7．操作线计算有中变催化剂变换率及热平衡计算结果知：
中变炉人口气体温度中变炉出口气体温度中变炉入口CO变换率中变炉出口CO变换率335℃415℃060%
由此可作出中变炉催化剂反应的操作线如下：
706050403020100330415温度
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