合成氨变换工段工艺设计培训资料

1、吕梁学院本科毕业设计摘 要变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用本次设计为70 kt/a合成氨变换工段的工艺设计。本设计采用全低变的工艺流程.。根据有关文献资料，完成物料、热量的计算。并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算。并做出了合成氨变换工段全低变的工艺流程图和设备布置图。所得结果基本满足设计要求，工艺流程可行。关键词：合成氨；低温变换；热量衡算；物料衡算.AbstractTransform processes is one of the most important processes, and it plays a very important role in the industry of synthetic ammonia.The task is the design of shift process in 70 kt/a NH3. The low-temperature shift technology was adopted in this calculation.According to the

2、 relevant cultural heritage data, complete the calculation of material, calories. Furthermore, the size and type of the equipments were determined such as heat exchanger, shift converter, etc.Also do to synthesize an all of the ammonia transformation work segment low craft flow chart and equipments changing set out diagram.The results meet the requirements of the design task well, the craft process can go. 48摘 要IAbstractII第一章 前言11.1 变换气反应原理11.2 CO变换反应化学平衡21.3 CO低温变换催化剂51.3.1 低变催化剂的发展51.3.2 低变催化剂

3、的主要成分51.3.3 催化剂的活性降低和中毒71.4 工艺流程简述8第二章 物料衡算及热量衡算102.1设计条件102.2 CO全变换过程总蒸汽比的计算102.3第一变换炉催化剂床层物料与热量衡算112.3.1入第一变换炉催化剂床层汽气比112.3.2 CO平衡变换率及出催化剂床层气体的组成122.3.3 第一变炉热量衡算132.3.4第一变换炉催化剂层CO变换反应平衡曲线142.3.5 CO在第一变换炉催化剂床层最适宜温度152.3.6 CO在第一变换炉催化剂层变换反应操作线162.4 第二变换炉第一段催化剂层物料及热量衡算172.4.1 第二变换炉第一段催化剂层汽/气比172.4.2 第二变换炉第一段催化剂层CO的平衡转化率计算182.4.3 出口温度校核182.4.4 第二变换炉第一段催化剂热量衡算182.4.5 第二变换炉第一段催化剂床层平衡曲线计算192.4.6 CO在第二变换炉第一段催化剂层最适宜变换温度202.4.7 CO在第二变换炉第一段催化剂层变换反应操作线202.5 第二变换炉第二段催化剂床层物料及热量衡算212.5.1 第二变换炉第二段催化剂层CO的平衡转化率计

4、算222.5.2第二变换炉第二段催化剂热量衡算222.5.3平衡温距校核232.5.4第二变换炉第二段催化剂床层平衡曲线计算242.5.5 CO在第二变换炉第二段催化剂层最适宜变换温度242.5.6 CO在第二变换炉第二段催化剂层变换反应操作线252.6煤气换热器热量衡算262.7 变换气换热器热量衡算272.7.1进设备热量计算272.7.2出设备热量计算28第三章 主要设备计算293.1第一变换炉的计算293.1.1 催化剂用量计算293.1.2 催化剂床层阻力计算303.2第二变换炉的计算313.2.1 第二变换炉第一段催化剂用量计算313.2.2 第二变换炉第二段催化剂用量计算323.2.3 第二变换炉催化剂床层阻力的计算333.3煤气换热器的计算353.3.1 设备直径及管数确定363.3.2 设备规格的确定373.3.3 传热系数计算373.3.4 传热面积计算423.3.5 列管长度的计算42主要设备一览表43设计结果及总结44参考文献45致 谢46第一章 前言合成氨生产常用的原料包括：焦碳、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油。不论以固体、液体或气体为原料，所得到的合成氨原

5、料气中均含有一氧化碳。固体燃料气化所得半水煤气中的一氧化碳含量为28%30%，烃类蒸汽转化为12%13%，焦炉转化气为11%15%，重油部分氧化为44%48%。一氧化碳的清除一般分为两次。大部分一氧化碳，先通过变换反应，即在催化剂存在的条件下，一氧化碳与水蒸气作用生成氢气和二氧化碳。通过变换反应，既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时，又可制得与反应了的一氧化碳相等摩尔的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。因此，一氧化碳的变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。最后，残余的一氧化碳再通过铜氨液洗涤法、液氮洗涤法或甲烷化法等方法加以清除。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。目前，变换工序主要有“全低变”工艺和“中低变”工艺，此次设计运用的是“全低变”工艺“全低变”工艺是90年代在我国小合成氨厂开始使用的，是从“中低变”演变而来，使用低温活性较好的B302Q、B303Q等耐硫变换催化剂，各段进口温度均在200 左右。经过几年的发展，随着耐硫低温催化剂的开发利用，“全低变”的工艺和设备不断完善，操作水平也进一部提高，目前“全低变”工艺已进入成熟阶段。该工艺具有蒸汽消

6、耗低、系统阻力小、生产强度大等优点。1.1 变换气反应原理合成氨生产需要的原料气是H2和N2，而半水煤气中含有约30%左右的CO，需要将其除去。变换工段的目的就是将半水煤气中的CO除去，在本质上是原料气净化的一个过程。为了将CO除去，工业上采用的方法是:在催化剂存在的条件下，利用较为廉价的水蒸气与CO反应，生成H2和CO2。原料气中的一氧化碳与水蒸汽的变换反应可用下式表示： （1-1）此反应为可逆放热反应，反应热为40964 J/mol，当开车正常生产后，即可利用其反应热来维持过程的继续进行。在一般情况下，一氧化碳与水蒸汽直接进行反应，其变换反应的速度是很慢的，如果用催化剂催化，则可以加快反应速度，大大有利于变换反应的进行。随着一氧化碳变换反应的进行，伴随着微量的副反应发生，主要有如下几种：（1）甲烷的生成 (1-2) （1-3） （1-4）（2）一氧化碳的分解反应 （1-5）（3）有机硫的转化反应 （1-6） （1-7） （1-8）1.2 CO变换反应化学平衡一氧化碳和水蒸汽的变换反应系可逆反应。 其平衡常数为： （1-9）式中：yi各组分的摩尔分数r 气体的逸度系数KpCO的平衡常

7、数由于小合成氨厂的变换反应多在压力2.0 MPa，温度为180250 条件下进行的，其逸度系数接近于1，即： （1-10）则式（1-9）可简化为： （1-11）式中，Pi-各组分的分压由于变换反应是一个放热反应，考虑平衡常数是温度的函数，且随温度的升高而降低。平衡常数与温度关系的表达式很多，数值各不相同，这是由于恒压热容等基础热平衡数据不同所致。本设计可采用下面的公式计算1。 （1-12）式中，T温度，K （1-13）在变换范围内，平衡常数也可用下面简化式计算： （1-14）式（1-14）在低温下计算出的Kp与式（1-12）及（1-13）相差较大，温度越高误差越小。CO变换反应的化学平衡的影响因素：a. 温度温度对变换反应的影响较大：温度升高，反应速度加快。从化学平衡来看，降低反应温度，增加蒸汽用量，有利于反应向生成氢气和二氧化碳的方向进行，可以提高CO平衡转化率。在变换反应的初期，反应物浓度高，提高反应温度，可加快正反应；在变换反应的后一阶段，二氧化碳和氢气的浓度增加，逆反应速度加快，因此，须设法降低反应温度，使逆反应速度减慢，这样可以得到较高的变换率。但降低温度也减慢了反应速度，降

8、低了催化剂的生产能力，应综合考虑。对于一氧化碳含量较高的半水煤气，开始反应时，为了加快反应速度，一般要在较高的温度下进行，而在反应的后一阶段，为了使反应比较完全，就必须使温度降低一些，工业上采取的两段中温变换就是根据这一概念设计确定的。对于一氧化碳含量在2%4%的中温变换气体，只需要在230 左右，用低温变换催化剂进行低温变换。此外，反应温度与催化剂的活性有很大的关系，一般工业用的变换催化剂低于某一温度反应便不能正常进行，而高于某一温度也会损坏催化剂，因此一氧化碳变换反应必须在催化剂的适用温度范围内选择合理的工艺条件。b. 压力一氧化碳变换反应前后气体的分子数相同，若为理想气体，压力对于反应的平衡没有影响。目前的工业操作条件下：压力4.0 MPa气压下，温度为200500 时，压力对于变换反应没有显著的影响。但是在较高压力下，反应物浓度增加，分子间的有效碰撞次数增加，可以加快变换反应速度，提高催化剂的生产能力。且各种气体与理想气体有一定的偏差，必须根据各气体组分的逸度计算KP，因此压力对CO的变换反应有一定的影响。c. 蒸汽添加量一氧化碳变换反应为可逆反应，增加蒸汽量可使反应向正方向移动。因此，工业上一般均采用加入一定的过量水蒸气的方法来提高一氧化碳的变换率。实际上，当使用半水煤气为原料，使用中温铁铬催化剂的工艺流程中，一般采用H2O（汽）/CO（气）=(34)/1；在使用铁镁催化剂的工艺流程中，一般采用H2O（汽）/CO（气）=(35)/1。d. 二氧化碳浓度从一氧化碳变换反应的方程式来看，如果出去生成的

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