年产五万吨合成氨工艺Word格式文档下载.docx

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第五节调温水加热器的物料与热量计算……………………………………23

第二章设备的计算………………………………………………………………24

1.低温变换炉计算………………………………………………………………24

2.中变废热锅炉…………………………………………………………………25

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+Q（1-1）

CO+H2=C+H2O（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

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=

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，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。

第一章变换工段物料及热量衡算

第一节中温变换物料衡算及热量衡算

1．确定转化气组成：

已知条件中变炉进口气体组成：

组分

CO2

CO

H2

N2

CH4

O2

合计

%

9.6

11.42

55.71

22.56

0.38

0.33

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）

474

563.86

2750.68

1113.9

16.29

18.763

4937.5

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

=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:

H2O

含量％

6.86

8.16

39.8

16.12

0.24

0.27

28.56

1973.52

6911.02

koml

21.16

25.172

122.798

49.73

0.727

0.838

88.1

308.53

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：

％=

×

100=74％

式中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：

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：

60％×

563.86=338.318M3（标）=15.1koml

出一段催化床层的CO的量为：

563.86-338.318=225.545M3（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=3056.41M3（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：

15.54

43.1

58.47

21.13

0.35

812.318

225.545

3056.41

18.76

5226.94

36.26

10.069

136.447

233.35

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：

11.78

3.27

44.33

16.16

24.19

1667.79

6894.73

74.45