万吨每合成氨宽温变换工艺设计.docx

1、四川理工学院毕业设计 CO+H2= C+H 2O (1-2其中反应 (1-1是主反应，反应 (1-2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+Q1.2 变换工艺流程确定目前变换工艺流程有：中温变换，中串低，全低及中低低4 种工艺。中温变换流程的特点是：采用低温高活性的中变催化剂，降低了工艺上对过量蒸汽的要求。采用段间喷水冷凝降温，减少了系统的热负荷和阻力，减少外供蒸汽量。合成与变换，铜洗构成第二换热网络，

2、合理利用热能。中温变换串低温变换流程的特点：采用铁铬系中温变换催化剂后串铜锌系低温变换催化剂。由于铜锌催化剂对硫敏感，所以以煤或重油为原料制取的原料气在进行中温变换后，一般要经过湿法脱硫、一次脱碳、氧化锌脱硫后，才能进行低温变换，最后还要二次脱碳，流程长、设备多、能耗大。中低低流程的特点是: 在一段铁铬系中温变换催化剂后直接串两段钴钼系耐硫变换催化剂，利用中温变换的高温6/55来提高反应速率，脱除有毒杂质，利用两段低温变换提高变换率，实现节能降耗。全低变换流程的特点是：变换炉入口温度及床层内的热点温度均比中变炉低，使变换系统在较低的温度范围内操作，有利于提高CO 平衡变换率，在满足出口变换气中

3、 CO 含量的前提下，可降低入炉蒸汽量，使全低变流程比中变及中变串低变流程蒸汽消耗降低。催化剂用量减少一半，使床层阻力下降。考虑到全低变流程的优点，所以本设计选用全低工艺流程。此流程为：转化气首先进入饱和热水塔，在饱和热水塔中转化气被增湿。在进变换炉前加入蒸汽使H2O/CO 达到 3.5，再进入变炉炉将转换气中一氧化碳含量降到 1.5%。再通过换热器将变换气的温度降到 127。1.3 变换工艺参数的确定1.3.1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

4、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低。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 1.2-1.8MPa1 。本设计为小型氨厂故压力可取0.8MPa。1.3.2温度变换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度。对一定催化剂及气相组成，从动力学

5、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。1.3.3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7/55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。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，余热回收设备负荷加重等后果。1.4主要设备的选择说明全低变流程中，主要设备有变换炉、饱和热水塔、换热器等。催化剂选用 B302Q

6、 型催化剂，并确定其用量。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。8/552. 变换工段物料及热量衡算2.1 变换炉物料衡算及热量衡算2.1.1已知转化气组成已知变换炉进口气体组成：表 2-1变换炉进口气体组成组分COCO2H2H2SO2合计含量 %30.21154.14.50.21002.1.2本设计的计算基准本设计中物料衡算以3原料气为计算基准，热量衡算以 25为计算100 Nm基准，则入变换炉气体的干基组成为：表 2-2变换炉进口气体干基组成组分COCO2H 2H 2SO2合计Nm 330.21154.14.50.2100

7、%30.21154.14.50.21002.1.3工艺条件的确定根据参考文献 1 确定变换工艺条件如下 ：入口 Ti =170，操作压力 P=0.8MPa, 水气比 H2O/CO=3.52.1.4. 变换炉催化床层的物料衡算因水气比H2O/CO=3.5，则V(H 2O=105.7Nm3则入变换炉气体的湿基组成为：表 2-3变换炉进口气体湿基组成组分COCO2H 2H 2SO2H 2O合计Nm 330.21154.14.50.2105.7205.79/55%14.685.3526.302.190.1051.38100本设计要求出催化剂床层的 CO干基含量为 1.5% 所以 CO 的实际变换率为：

8、=93.63%则反应了的 CO 量为：30.2 93.63%=28.28 Nm3则反应后的变换气组成为：V(H 2=54.1+28.28-0.4=81.98 Nm3V(H 2O=105.7-28.28+0.4=77.82 Nm3V(CO=30.2-28.28=1.92 Nm3V(CO 2=11+28.28=39.28 Nm3V(H 2S=4.5 Nm3所以，出变换炉的干基组成为：表 2-4出变换炉变换气干基组成组分COCO2H2H2S合计Nm 31.9239.2881.984.5127.68%1.5030.7664.213.53100出变换炉的湿基组成为：表 2-5 出变换炉变换气湿基组成组分

9、COCO2H 2H2SH2O合计31.9239.2881.984.577.82205.5Nm%0.9319.1139.892.2037.87100所以，平衡常数K 为：K=10/55=21.64查 2 得， Te=346设平衡温距为13，则出口温度为To=3332.1.5变换炉催化床层的热量衡算取进出口的平均温度T 平=(170+333 =252进行计算为：混合气体的热容为：CO:Cp=4.1868 (6.48+0.1566 0.01 T-0.02387 0.00001 T2H2:Cp=4.1868 (6.424+0.1039 0.01 T-0.007804 0.00001 T2 H2O: C

10、p=4.1868 (6.97+0.3464 0.01 T-0.04833 0.00001 T2 CO2: Cp=4.1868 (18.036-0.00004474 T-158.08/T1/2H2S:Cp=4.1868 (7.07+0.3128 0.01 T+0.1364 0.00001 T2 O2: Cp=28.17+6.297 0.001 T-0.7494 0.000001 T2查2 得，CO 变换反应放热 Q1 为：Q1=28.28/22.4 (6548-384294+103950+234172-50025.3kJH2 燃烧放热 Q2 为：Q2=0.4/22.4 (-234172-0.2/

11、22.4 6866-0.4/22.4 6548=-4359.8kJ 所以，总放热量 Q 为：Q=Q1+Q2=-54385.18kJ由上可计算各组分热容如下表：表 2-6平均温度下变换气的热容组分COCO2H2H2SH2OCp(kJ/kmol 30.3046.5329.0938.0536.24%0.9319.1139.892.2037.87Cpm=0.0093 30.30+0.3989 29.09+0.3787 36.24+0.1911 46.53+0.022 38.05=35.34kJ/(kmol 假设热损失 Q4 为 3%，则Q4=3%Q=1631.56kJ气体吸热量 Q3 为：Q3=205

12、.5/22.4 Cpmt11/55由热量衡算有，Q=Q4+Q3带入数据的： t=163所以，出口温度To=(170+163=333从而上述温距假设合理。2.1.6变换炉催化剂平衡曲线根据 H，与公式X P=2O/CO=3.5100%V=K PAB-CDq=U=K P(A+B+(C+D,W=K P-12其中 A、B、C、D 分别代表 CO、H2O、CO2 及 H2的起始浓度。U=K P(A+B+(C+D=458.24 (14.68+51.38+(5.35+26.30=30302.98V=K PAB-CD=458.24 14.68 51.38-5.35 26.30=345490.66W=K P-1

13、=458.24-1=457.24q=16922.82X P=0.9967其它温度下的计算结果如下：表 2-7变换炉中温度与平衡转化率之间的关系12/55t/KpWVUqXp170458.24457.24345490.6630302.9816922.820.9967190286.34285.34215833.6518947.2710613.910.9947210186.34185.34140407.8112341.276943.650.9919230125.69124.6994662.038334.734717.420.988125087.5086.5065856.905811.903315.3

14、70.983027062.6561.6547113.584170.312402.760.976529046.0045.0034555.183070.411790.950.968431034.5533.5525918.922314.021369.810.958633026.4725.4719824.511780.261072.200.946935020.6620.6615442.271396.45857.730.933337016.3915.3912221.591114.37699.610.91792.1.7最佳温度曲线的计算变换炉中选用B302Q 型催化剂最适宜温度曲线由式Tm=进行计算。其中

15、A、B、C、D 分别代表 CO、2 、CO2 及 H2 的起始浓度 2，H O查 2 得 B302Q 型催化剂的正负反应活化能分别为E1=43164kJ/kmol，E2=E1+r(- HR,其中r=1, HR=- 10000- 0.291 T+2.8450.001 T2-0.97030.000001T3。带入相关数据有 , E2=53456.4 kJ/kmol最适宜温度计算列于下表中：表 2-8 最适宜温度与平衡转换率之间关系Xp0.99670.99470.99190.98810.98300.9765T/K428449468488507527t/ 155176196215234254Xp0.9

16、6840.95860.94690.93330.9179T/K546566585604627t/2732933123313542.1.8操作线计算由中变催化剂变换率及热平衡计算结果知：变换炉入口气体温度170变换炉出口气体温度33313/55变换炉入口 CO 变换率0%变换炉出口 CO 变换率 93.63%所以，操作线为：T=174.09x+170图2-1CO变换过程的T-X图3. 辅助设备物料及热量计算3.1 饱和塔的物料与热量衡算1. 饱和塔的物料衡算14/55已知条件温度进塔原料气温度35出塔原料气温度113进塔热水温度116压力进饱和塔的气体压力0.9MPa物料量进塔干原料气量14804

17、.74Nm3/h入塔水量35000kg/h物料衡算取饱和塔出口气中蒸汽的饱和度为93% ， 113时的饱和蒸汽压P(H2O=160kPa3所以，出饱和塔原料气中带出的蒸汽量为：G=Nm3/h=2932.57 Nm3/h2. 饱和塔的热量衡算入热气体带入热 Q135原料气的比热容为 ：表 3-1 35 原料气的比热容组分CCH2HO2OO22SCp/kJ/(kmol 29.37.28.34.30.0343180901%30.1154.4.50.221Cpm=(0.30229.03+0.11 37.43+0.541 28.18+0.045 34.09+0.002 30.01kJ/(kmol =29

18、.73 kJ/(kmol Q1=14804.74/22.4 29.73 (35-25kJ5116的水带入热 Q2 为：15/55Q2=350004.187 (116-25kJ7合计：Q=Q1+Q2=1.354 107kJ/h出热113的干原料气带出热Q3 为：113原料气的比热容为：表 3-2 113 原料气的比热容 2组分CCHH2SO2H2OO22OCp/kJ/(kmol 29.39.628.334.7530.230.1266546干气百分含量 %30.1154.14.50.202Cpm=(0.30229.26+0.11 39.66+0.541 28.35+0.045 34.75+0.00

19、2 30.24kJ/(kmol =30.16 kJ/(kmol Q3=2932.57/22.4 30.16 (113-25kJ6水蒸气带出热 Q4 为：Q4=2932.57/22.4 33.91 (113-25kJ5塔底排水量为：(35000-2932.57/22.4 18kg=32643kg/h所以，塔底水带出热Q5 为：Q5=(32643H-104.80kJ/h假设热损失 Q6=0.34%Q=46036 kJ/h由热平衡，有：Q=Q3+ Q4+ Q5+ Q6带入数据得， H=452.48kJ/kg查3 得， t=10816/553.2 热水塔物料与热量衡算已知压力气体出塔压力0.7MPa温

20、度变换气入口温度147变换气出口温度127物料量入塔变换气量30419.44Nm3/ha. 物料衡算塔内蒸汽冷凝量为：设气体出热水塔的温度为 127，在 127时的蒸汽压 PH2O=0.25MPa变换气带出蒸汽量G=0.25/(0.7-0.25 18899.60 Nm3=10499.78 Nm3/h3所 以 ， 塔 内 蒸 汽 冷 凝 量 为 ： (11519.84-10499.78Nm =1020.06Nm3/h塔顶进水量为：设饱和热水塔的排污由饱和塔底排出，排污量为总循环量的0.5%，排污量为： 350000.5%=175kg/h所以，塔顶进水量为： 32643-175=32468 kg/

21、h外界向系统补水为： 35000-32468-1020.06/22.4 18=1712.31 kg/hb. 热量衡算入热气体带入热 Q1 为：147变换气的比热容为表 3-3147变换气的比热容组分CCH2HHOO22S2OCp/kJ/(kmol 29.40.28.35.34.3651420413干气百分含量 %1.530.64.3.5007621317/55Cpm=(0.015 29.36+0.3076 40.51+0.6421 28.42+0.0353 35.04kJ/(kmol =32.39kJ/(kmol Q1=18899.60/22.4 32.39 (147-25kJ/h6147的水

22、蒸汽带入热Q2 为：Q2=11519.84/22.4 34.13 (147-25kJ/h6塔顶水带入热 Q3 为：Q3=324684.183 (108-25kJ/h7补充水带入热 Q429.40.28.34.32.3002378720干气百分含量 %1.530.64.3.50076213Cpm=(0.015 29.30+0.3076 40.02+0.6421 28.37+0.0353 34.87kJ/(kmol =32.20 kJ/(kmol Q5=18899.60/22.4 32.20 (127-25kJ/h6127的水蒸汽带入热Q2 为：Q6=10499.78/22.4 34.00 (12

23、7-25kJ6热损失 Q7 为： Q7=0.2%Q=33480 kJ/h出热水塔热水带出热Q8 为： Q8=35000(H-104.8018/55由热平衡 Q= Q5+ Q6+ Q7+ Q8 得，H=456.50 kJ/h查 3 得， t=1093.3. 第一换热器的热量衡算已知温度水入口温度109水出口温度116变换气出口温度147物料量入换热器干气量30419.44Nm3/h入换热器的水量35000kg/h109的水带入的热Q109为：Q109=350004.184 (109-25kJ/h7116的水带出的热Q116为：Q116=350004.187 (116-25kJ/h7147的变换气

24、带出的热Q147 为： 由上计算可知）Q147=5.475 106kJ/h由热平衡有， Qx- Q147= Q116- Q109得， Qx=6.515 106kJ/h由计算可得，入第一换热器的原料气温度为：1693.4. 废热锅炉的热量衡算已知温度水入口温度 25水蒸汽出口温度100变换气入口温度317变换气出口温度169物料量入废热锅炉的变换气量 30419.44Nm3/h 169的变换气带出的热 Q169 为： 29.44.28.36.35.2284027654干气百分含量 %1.530.64.3.50076213Cpm=(0.015 29.84+0.3076 40.02+0.6421 2

25、8.76+0.0353 36.54kJ/(kmol =33.75kJ/(kmol Q1=18899.60/22.4 33.75 (317-25kJ/h6317的水蒸汽带入热Q2 为：Q2=11519.84/22.4 35.22 (317-25kJ=5.289 106kJ/hQ317=Q1+Q2=1.360 107 kJ/h25的水带入的热Q25 为：Q25=0100的水蒸汽带出的热Q100 为： +m 2676.95 kJ/h由热平衡有 ，Q100- Q25= Q317- Q169得， m=1984.32kg/h3.5. 第二换热器的热量衡算已知温度变换气入口温度333变换气出口温度317原料

26、气出口温度170物料量入换热器变换气量 30419.44Nm3/h入换热器的原料气量30449.89Nm3/h20/55333的变换气带入的热Q333 为：333变换气的比热容为：表 3-6 333 变换气的比热容组分CCH2HHOO22S2OCp/kJ/(kmol 29.44.28.36.35.8930806932干气百分含量 %1.530.64.3.50076213Cpm=(0.01529.89+0.3076 44.30+0.6421 28.80+0.0353 36.69kJ/(kmol =33.86 kJ/(kmol Q1=18899.60/22.4 33.86 (333-25kJ/h6

27、333的水蒸汽带入热Q2 为：Q2=11519.84/22.4 35.32 (333-25kJ/h67Q333=Q1+Q2=1.439 10 kJ/h317的变换气带入的热Q317 为:( 由上计算可知 Q317=1.360 107kJ/h170的原料气带出的热量Q170为：170原料气的比热容为：表 3-7 170原料气的比热容组分CCOH 2H 2O2H 2OO2SCp/kJ/(kmol 29.30.4034.284341.0828.4635.25干气百分含量 %30.114.50.20254.1Cpm=(0.30229.43+0.11 41.08+0.541 28.46+0.045 35

28、.25+0.002 30.40kJ/(kmol 21/55=30.45kJ/(kmol Q1=14804.74/22.4 30.45 (170-25kJ/h6Q2=15645.15/22.4 34.28 (170-25kJ/h=3.472 106kJ/hQ170=Q1+Q2=6.390 106kJ/h设入口原料气带入的热Qx 为：由热量衡算有，Q170-Qx= Q333- Q317得，Qx=5.600 106kJ/h出饱和塔的气体带入的热为：2.145 106kJ/h所以，补充蒸汽带入热为：(5.600-2.145 106KJ=3.455 106kJ/h补充蒸汽量为： (15645.15-29

29、32.57Nm3=12712.58 Nm3/h所以补充蒸汽的规格为：202， 0.8Mpa 的过热蒸汽。则混合后的温度为： 148。3.6 物料汇总表进饱和热水塔的原料气组成：表 3-8进饱和热水塔的原料气组成组分COCO2H 2H 2SO2合计含量 %30.21154.14.50.2100出饱和热水塔的原料气组成：表 3-9 出饱和热水塔的原料气组成组分COCO2H 2H 2SO2H 2O合计Nm 330.21154.14.50.219.8119.8%25.219.1845.163.760.1716.52100变换炉进口气体组成 ：表 3-10变换炉进口气体组成组分COCO2H 2H 2SO

30、2H 2O合计Nm 330.21154.14.50.2105.7205.722/55%14.685.3526.302.190.1051.38100变换炉出口气体组成：表 3-11 变换炉出口气体组成组分COCO2H 2H2SH 2O合计Nm 31.9239.2881.984.577.82205.5%0.9319.1139.892.2037.87100废热锅炉，第二换热器的进出口变换气组成与变换炉出口组成相同。第一换热气器进口变换气组成：表 3-12 第一换热气器进口变换气组成组分COCO2H 2H2SH 2O合计Nm 31.9239.2881.984.577.82205.5%0.9319.11

31、39.892.2037.87100第一换热器出口变换气组成：表 3-13第一换热器出口变换气组成组分COCO2H 2H2SH 2O合计Nm 31.9239.2881.984.570.92198.6%0.9619.7841.282.2735.711003.7 热量汇总表以 25为计算基准 :表 3-14变换炉催化剂床层热量平衡表反应放热 /kJ气体吸热 /kJ热量损失 /kJ54385.1852753.621631.56表 3-15饱和塔热量平衡表23/55带入热 /kJ带出热 /kJ原料气1.965 1051.754106水1.334 1071.135107水蒸气3.907 105热损失合计1

32、.354 1071.349107表 3-16热水塔热量平衡表带入热 /kJ带出热 /kJ变换干气3.334 1062.771106水1.127 1071.231107水蒸气2.141 1061.626106热损失合计1.675 1071.671107表 3-17第一换热器热量平衡表带入热 /kJ带出热 /kJ变换气6.515 1065.475106水1.230 1071.334107合计1.882 1071.882107表 3-18 废热锅炉热量平衡表带入热 /kJ带出热 /kJ转换气1.360 1076.515106水07.085 106合计1.360 1071.360107表 3-19 第二换热器热量平衡表热损失 /kJ46036热损失 /kJ33480热损失 /kJ热损失 /kJ24/55带入热 /kJ带出热 /kJ热损失 /kJ原料气5.3971066.187106变换器1.4391071.360710合计1.9791071.9791074. 设备计算4.1. 变