年产五万吨合成氨变换工段工艺初步.doc

四 川 理　 工 　学　 院 　　 毕　业 设 计 　　　题 　 目 年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计 系 　 　别 　 化 　学 工 程 　 与　　工 艺 专 　 业 　 无 机 化 工 0１1 　指导教师　　　 　 　　 　 　 　　教研室主任 　　　 　 　 　 　 学生姓名　 　 　　 　 　 　 接受任务日期　　　 　 ２0０5年2月28日 　　完成任务日期　　 2005年6月１日 　 四　川 理 工　学　院毕 业 论　文 任 务 书材 料 与　化 学　工 程 系 无 机　化　工　 专业 　20０1-1 班题 　 目 年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计 　起迄日期 20０５ 年　2 月 25 日起至 2005 年 6 月 1日止指 导 老 师 　　 　 　　 　 　 　教研室主任　　 　 　 　 　　 　　　 　 (签名）　 　 　系 　主 任 　 　 　 　 (签名） 　学 生 姓 名 　　 　　 　　 　 　 批 准　日 期　 　２００5 　 年 　 ２ 月 　 25 日 　 接受任务日期 20０5 　 年　 ２ 　月 　２5 日 　 　完成任务日期　 　２０05　 年　　 ６ 　 月 1　 日一、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　 包括物料衡算,热量衡算,有效能利用率计算，主要设备计算. 3、图纸 　 带控制点的工艺流程图二、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目 录1. 前言………………………………………………………………………………42. 工艺原理…………………………………………………………………………43. 工艺条件…………………………………………………………………………54. 工艺流程的确定…………………………………………………………………６5. 主要设备的选择说明……………………………………………………………66. 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……………………………………………………………………83．中变炉一段催化床层的物料衡算………………………………………………９4.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…………………………………………………………１３６. 最佳温度曲线的计算……………………………………………………………147．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07－1．2MPa，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 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!ﻬ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CＯ2ＣOH２Ｎ2CH4O２合计％9611.4255712２.560.38033100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）=2920．3１ M3(标）因为在生产过程中物量可能回有消耗,因此变化气量取２962.5　M3(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CO2COＨ２N２O２CH4合计含量，％94255．712２．560330.３８１00M3(标）474563．8６27506８11132９１8．７63４９375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=35故V（水)=1973.５2ｍ3(标) n(水)=８8．1kｍｏl因此进中变炉的变换气湿组分:组　分CO2COH2Ｎ2O2ＣH4H2Ｏ合计含量％６８68.16３９８1６.120．240．２7２8。