毕业设计10万吨合成氨变换工段的设计.docx

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毕业设计10万吨合成氨变换工段的设计

毕业设计

（2010届）

题目年产10万吨合成氨变换工段的设计

学院化学化工学院

专业化学工程与工艺

年产10万吨合成氨变换工段的设计

摘要:

本文是关于煤炭为原料年产10万吨氨一氧化碳变换工段初步设计。

在合成氨的生产中，一氧化碳变换反应是非常重要的反应。

用煤炭制造的原料气中，含有一部分一氧化碳，这些一氧化碳不能直接做为合成氨的原料，而且对合成氨的催化剂有毒害作用，必须在催化剂的催化作用下通过变换反应加以除去。

一氧化碳变换反应既是原料气的净化过程，又是原料气的制造过程。

本设计主要包括工艺路线的确定、中温变换炉的物料衡算和热量衡算、触媒用量的计算、中温变换炉工艺计算和设备选型、换热器的物料衡算和热量衡算以及设备选型等。

最终完成了20000字的设计说明书及生产工艺流程图。

关键词：

煤炭；一氧化碳变换；中温变换炉；流程图

Abstract：

Thisarticlewasabouttheannualoutputofcoalasrawmaterialstotransformtenthousandtonsofcarbonmonoxideammoniapreliminarydesignsection.Intheproductionofammonia,transformationofcarbonmonoxidewasaveryimportantreaction.Manufacturedusingcoalfeedgaswhichcontainapartofcarbonmonoxide,carbonmonoxidecouldnotbedirectlyusedasthoseoftherawmaterialsofsyntheticammonia,butalsoacatalystforammoniapoisoningeffecttheremustbeacatalystfortransformationthroughthecatalyticreactiontoberemoved.Transformationofcarbonmonoxideisagaspurificationprocessofrawmaterials,butalsothemanufacturingprocessoffeedgas.Thedesignofthemainrouteswhichincludetheidentificationprocess,themediumvariantofthefurnacematerialbalance,heatbalance,thecalculationoftheamountofcatalyst,inthevariablefurnaceprocessofcalculationandselectionofequipment,heatexchangerofthematerialbalanceandheatbalanceaswellasequipmentselectiontypeandsoon.Intheend,the20000-wordstatementandmapproductionprocess。

Keywords:

Coal;Transformationofcarbonmonoxide;Temperatureshiftconverter;Flowchart 

第一章综述

氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产，它不仅是所有食物和肥料的重要成分，也是所有药物直接或间接的组成。

由于氨的广泛用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一。

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。

1.1氨的性质和用途

1.1.1氨的性质

氨的分子式NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。

人们在大约100cm/m氨的环境中，每天接触8H会引起慢性中毒。

物理性质：

氨极易溶于水，溶解时放出大量的热，可产生含NH315%~30%的氨水，氨水溶液是碱性，易挥发。

液氨或干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。

氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨－空气混合物的爆炸界限较窄。

氨的主要物理性质：

相对分子质量17.03沸点（0.1Mpa）/℃–33.35

蒸发热（-33.4℃）/（kJ/kg）1368.02摩尔体积（0℃,0.1Mpa）/（L/mol）22.08

熔化热（-77.7℃）（kJ/kg）333.42液体密度（-33.4℃,0.1Mpa）/（g/cm3）0.6818

气体高热值/（MJ/）m317.52临界压力/MPa11.30

临界体积/L/kg4.257标准摩尔焓HΘ（kJ/mol）–46.21

临界密度/（g/cm3）0235标准摩尔熵SΘ/（J/mol·k）192.60

化学性质：

氨在常温时非常稳定，在高温、电火花或紫外线光的作用下可分解为氮和氢，其分解速度在很大程度上与气体接触的表面性质有关。

氨是一种可燃性物质，自燃点为630℃，一般较难点燃。

氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。

常压，常温下的爆炸范围分别为15.5%~82%（氧气）。

氨易与很多物质发生反应，例如在铂催化剂作用能与氧反应生成NO。

氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐，例如

NH3+HCl→NH4Cl

NH3+HNO3→NH4NO3

2NH3+H2SO4→（NH4）2SO4

NH3+H3PO4→（NH4）H2PO4

2NH3++H3PO4→（NH4）2HPO4

氨也能与CO2反应生成氨基甲酸铵，脱水尿素。

利用氨与各种无机酸反应制取磷酸氨，硝酸铵，硫酸氨；与CO2、水反应生成碳酸氢铵。

氨能生成各种加成配位化合物，它们和水合物类似，统称氨合物或氨络物，例如对应CaCl2.6H2O和CuSO4.4H2O,也分别有CaCl2.6NH3和CuSO4.4NH3。

1.1.2氨的用途

氨在国民经济中占有重要的地位。

现在大约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生成其它化工产品的原料。

除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素，磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨，氨水以及含氮混肥和复肥为原料的。

氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。

从氨可以制取硝酸，进而再制造硝酸铵，硝化甘油，三硝基甲苯和硝基纤维素等。

在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己内酰胺、尼龙6单体、人造丝、丙烯晴、酚醛树脂和尿醛树脂等产品。

氨的其它工业用途也十分广泛，例如，作用制冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面用做生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。

1.2合成氨生产工艺简介

氨是普里斯特利在1754年将袖砂（氯化按）和石灰加热时发现的。

1913年9月9日第一个合成氨厂在德国路德维希港的BAFS联合工厂投产，产量很快就达到日产30t的设计水平。

第一次世界大战结束后，德国战败而被迫公开合成氨技术。

目前，工业生产合成氨的原料有三种:

煤、天然气和重油或轻油。

不管采用哪一种原料，合成氨生产的工序都必须经过原料气的制取（H2和N2的制取）、原料气的净化（包括CO变换，H2S、CO、CO2等脱除）、原料气精制（少量CO、CO2的脱除）、原料气压缩及合成工段，只不过是不同的生产装置、不同的生产工艺在具体的细节选择上有所不同。

以煤为原料的合成氨厂的工艺流程大体依次经过造气、除尘、脱硫、变换、二次脱硫、脱碳、精炼，最后在合成工段生产出氨。

我国是世界上煤炭资源比较丰富的国家之一，煤炭储量远大于石油、天然气储量。

因此，煤炭是我国合成氨的主要原料来源。

我国生产合成氨的原料有2/3是煤炭。

以焦炭或煤为原料合成氨的流程是采用间隙的固定层气化法生产半水煤气，经过脱碳、变换、脱除CO和CO2等净化后，可获得合格的氮氢混合气，并在催化剂及适当的温度、压力下合成氨。

1.3合成氨生产现状

1913年，在德国Oppau建成第一个工业化的合成氨装置，日产30t。

一次大战后，各国都在德国被迫公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方法。

但氨产量增长缓慢。

二战结束后，由于技术的进步，高速发展：

（1）在原料构成方面：

由以固体燃料（焦炭，煤等）为原料转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、重油）为原料来合成氨。

（2）在生产规模上：

实现了单系列全盛氨装置的大型化，现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨，而50年代以前，只有200t。

（3）在能耗上，新工艺的开发，能耗的降低。

计算机的应用实现了自动化操作控制上。

1.3.1世界合成氨生产现状

2003年全球合成氨产能为1629亿t，北美为22540k/ta，南美8560k/ta，西欧12180k/ta，东欧31320k/ta，中东和非洲1325k/ta，亚太地区750030k/ta。

近年来合成氨装置大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前世界最大单系列合成氨装置规模已达1300k/ta，该装置属于委内瑞拉的FertiNitro公司。

俄罗斯约有35套合成氨装置，合成氨平均规模为400k/ta;美国有50多套合成氨装置，合成氨平均规模300k/ta以上。

1.3.2我国合成氨生产现状

2002年，我国合成氨实际产量36750k/ta，2003年生产能力为41600k/ta，总生产能力和产量均居世界第一位，但单系列装置规模较小，合成氨装置平均规模为50kt/a。

目前我国共有合成氨装置800余套，其中300k/ta以上大型成氨生产装置34套（其中一套为400k/ta），设计总生产能力为109000k/ta，实生产能力为100000k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能力的22%。

300k/ta以上大型合成氨生产装置，除山东华鲁恒升化工股份有限公司和上海吴径化工厂为国产化技术和设备外，其余均系国外引进。

我国共有中型合成氨生产装置55套生产能力为4600k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能力的11%;我国共有小合成氨设备700多套，生产能力为28000k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能的66%。

中海石油化学有限公司在海南富岛建设的450k/ta合成氨装置，是目前国单套生产能力最大的合成氨装置。

1.4一氧化碳变换在合成氨中的意义

用不同燃料制得的合成原料气，均含有一定量的一氧化碳。

一般固体燃料制得的水煤气中含CO35%—37%，半水煤气中含CO25%—34%，天然气蒸汽转化制得的转化气中含CO较低，一般为12%—14%，一氧化碳不是合成氨生产所需要的直接原料，而且在一定条件下还会与合成氨的铁系催化剂发生反应，导致催化剂失活。

因此，在原料气使用之前，必须将一氧化碳清除。

清除一氧化碳分两步进行，第一步是大部分CO先通过变换反应:

CO+H2O（g）=CO2+H2

这样既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳而且又制得等量的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。

因此，一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。

第二步是少量残余的一氧化碳再通过其他净化方法加以脱除。

1.5变换工艺发展概况

合成氨变换工艺发展至今，先后经历中温变换、中串低