年产10万吨合成氨变换工艺设计

1、专业：专业： 化学工程与工艺化学工程与工艺姓名：姓名： 白林白林指导老师：指导老师： 邓慧邓慧 2013.06.25年产十万吨合成氨变换工艺设计年产十万吨合成氨变换工艺设计内容提要内容提要 致致 谢谢 设备的计算设备的计算 变换工艺计算变换工艺计算 总总 论论 一、总一、总 论论 氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。合成氨生产经过多年的发展，现已占有重要地位。合成氨生产经过多年的发展，现已成为一种成熟的化工生产工艺。成为一种成熟的化工生产工艺。 近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是

2、合成氨设备发展的主流，技术改耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上回收和合理利用低位热能等方面上。1、氨的物化性质、氨的物化性质 氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放大量的热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨和干燥大量的热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨和干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下

3、，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。 氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具有可燃性，自然点为有可燃性，自然点为630，一般较难点燃。氨与空，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。氨的气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐 。2、合成氨的典型工艺流程介绍 合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的

4、制备、净化、压缩和合成制备、净化、压缩和合成 净化净化 一氧化碳变换过程一氧化碳变换过程 脱硫脱碳过程脱硫脱碳过程 气体精制过程气体精制过程 3、合成氨变换工艺原理 变换工序是指变换工序是指CO与与H2O(g)反应生成反应生成CO2和和H2的的过程。合成氨过程。合成氨中中需要需要H2和和N2，因此需要除去合成气中，因此需要除去合成气中的的CO。变换工段主要利用。变换工段主要利用CO变换反应式：变换反应式： CO+H2OCO2+H2 CO转化为较易被消除的转化为较易被消除的CO2并获得宝贵的并获得宝贵的H2，因，因而一氧化碳变换既是气体的净化过程，又是原料气制而一氧化碳变换既是气体的净化过程，又

5、是原料气制取的继续。最后，少量的取的继续。最后，少量的CO再通过其他净化法加以脱再通过其他净化法加以脱除。除。CO 变换可能进行的限度为变换可能进行的限度为CO 平衡变换率，平衡平衡变换率，平衡变换率随着温度的升高而降低，随变换率随着温度的升高而降低，随CO 成分的增高而增成分的增高而增高，随高，随CO2成分的增高而降低成分的增高而降低。4、设计方案的确定 一氧化碳变换工艺的流程安排应做如下考虑。若一氧化碳变换工艺的流程安排应做如下考虑。若一氧化碳体积分数较高，应采用中温变换，大多数合一氧化碳体积分数较高，应采用中温变换，大多数合成氨原料气中一氧化碳高于成氨原料气中一氧化碳高于10%，可先通过

6、中变除去，可先通过中变除去大部分一氧化碳。对一氧化碳体积分数高于大部分一氧化碳。对一氧化碳体积分数高于15%的，的，一般考虑适当分段，段间进行冷却降温，尽量靠近最一般考虑适当分段，段间进行冷却降温，尽量靠近最适宜温度操作。其次，根据原料气的温度和湿含量情适宜温度操作。其次，根据原料气的温度和湿含量情况，则考虑适当预热和增湿，合理利用余热。如允许况，则考虑适当预热和增湿，合理利用余热。如允许变换气中残余变换气中残余CO体积分数在体积分数在3%左右，只采用中变即左右，只采用中变即可。如要求在可。如要求在0.3%左右，则将中变和低变串联使用。左右，则将中变和低变串联使用。 5、工艺流程 本设计主要是

7、变换工序的工艺设计，所选流程为：本设计主要是变换工序的工艺设计，所选流程为： 选用中串低工艺。从压缩工段来的变换气进入饱和选用中串低工艺。从压缩工段来的变换气进入饱和热水塔，在饱和塔出口加入水蒸汽使汽气比达热水塔，在饱和塔出口加入水蒸汽使汽气比达3-5，以，以后后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。以下。再通过换热器将转换气的温度降到再通过换热器将转换气的温度降到180左右，进入低左右，进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降变炉将转换气中一氧化碳含量降0.3%以下，再进入脱以下，再进入脱碳碳工段。工段。原料气饱和热水塔H2O中温变换炉换热器低温变换

8、炉 变换气6、工艺参数的确定（1）压力）压力 一般小型氨厂操作压力为一般小型氨厂操作压力为0.7-1.2MPa,中型氨中型氨1.21.8Mpa。本设计压力可取。本设计压力可取1.75MPa. （2）温度）温度 变化反应是可逆放热反应变化反应是可逆放热反应。从动力学角度推导的从动力学角度推导的计算式为计算式为 Tm=1212ln1EEEERTTee式中式中Tm、Te分别为最佳反应温度及平衡温度，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。最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。二、变换工艺计算二、变换工艺计算 计算生产1吨氨需要的变换气量：（1000/17）2

9、2.4/（222.56）=2920.31m3(标)进中变炉的变换气干组分进中变炉的变换气干组分 组分组分CO2COH2N2O2CH4合计合计含量含量 9.6011.4255.7122.560.330.38100M3(标标)284.4338.31650.4668.39.7811.262962.5 取取水汽比H2O/CO=3.5 故故V V（水）（水）=3.5V=3.5VCOCO=3.5=3.5* *338.32=1184.12m338.32=1184.12m3 3( (标标) ) 因此进中变炉的变换气湿组分如下表因此进中变炉的变换气湿组分如下表 组组 分分CO2COH2N2O2CH4H2O合计合

10、计含量含量6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(标标) 284.4 338.3 1650.4 668.349.7811.26 1184.1 4146.6kmol12.77 15.1074.1929.860.440.5052.86185.72废热锅炉的热量和物料计算 进废热锅炉的温度为：进废热锅炉的温度为： 920 出废热锅炉的温度为：出废热锅炉的温度为： 330 进出设备的水温：进出设备的水温： 20 出设备的水温：出设备的水温： 330 进出设备的转化气（湿）：进出设备的转化气（湿）：168.37kmol 进出设备的水量：进出设备的水量： X kmol 物量

11、在设备里无物量的变化。物量在设备里无物量的变化。 水带入热水带入热Q1=XCpT 变换气带入热变换气带入热Q2=nCpmT 同理求得变换气带出热同理求得变换气带出热Q3；水带出热；水带出热Q4。 热量平衡：热量平衡：0.96(Q1+ Q2)= Q3+ Q4 则则X=288.305koml中变炉一段催化床层的物料衡算中变炉一段催化床层的物料衡算 假设假设CO在一段催化床层的实际变换率为在一段催化床层的实际变换率为60 求出在一段催化床层反应后剩余各组分的量求出在一段催化床层反应后剩余各组分的量 得到出中变炉一段催化床层的变换气干组分的含得到出中变炉一段催化床层的变换气干组分的含 进而求得出中变炉

12、一段催化床层变换气湿组分含进而求得出中变炉一段催化床层变换气湿组分含量量 出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量 根据：根据：Kp=（H2CO2）/（H2OCO） 计算得计算得Kp，查出对应温度，查出对应温度t中变炉一段催化床层的热量衡算 设平均温距为设平均温距为35，则出变炉一段催化床层的变，则出变炉一段催化床层的变 换气温度为：换气温度为：450-35=415 基准焓通式：基准焓通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 变换气的各个组分的基准焓列于下表变换气的各个组分的基准焓列于下表 组分组分O2H2H2OCOCO2Htkcal/km

13、ol6660.4622689.095-54547.618-23672.014-90015.276HtkJ/kmol27886.020 11258.702 -228379.967 -99109.990-376875.95反应反应CO+H2O=CO2+H2 放热放热 Q1=nCOH1 同理同理O2+2H2=2H2O 放热放热 Q2气体吸热气体吸热Q3=nCpmT根据热量平衡得根据热量平衡得：Q= Q3 +Q4 =Q1 +Q2热损失 ：Q4=32417.029 kJ同理对同理对中变炉中变炉二二段催化床层段催化床层进行计算进行计算中间冷淋过程的物料和热量衡算 已知已知：变换气的流量：变换气的流量： 1

14、85.39 koml 设冷淋水的流量：设冷淋水的流量： X kg 变换气的温度：变换气的温度： 415 冷淋水的进口温度：冷淋水的进口温度： 20 进二段催化床层的温度：进二段催化床层的温度：353冷凝水吸热冷凝水吸热Q1= X(H-h1）变换气吸热）变换气吸热Q2= nCpmT根据热量平衡：根据热量平衡：0.96 Q2= X(H-h1）X=102.397kg = 5.689 kmol= 127.44 m3(标标）主换热器的物料与热量的计算主换热器的物料与热量的计算 进出设备的变换气的量进出设备的变换气的量：190.97kmol 进出设备的水的量：进出设备的水的量： Xkmol 变换气进设备的

15、温度：变换气进设备的温度： 365 变换气出设备的温度：变换气出设备的温度： 250 水进设备的温度：水进设备的温度： 20 水出设备的温度：水出设备的温度： 90 变换气带入热变换气带入热Q1=nCpmT；水带入热；水带入热Q2=XCpT 同理求同理求变换气带出热变换气带出热Q3水带出热水带出热Q4 0.96（Q1+Q2）=Q3+Q4 X=222.56 kmol调温水加热器的物料与热量计算调温水加热器的物料与热量计算 已知条件：已知条件： 入设备的变换气温度：入设备的变换气温度： 250 出设备的变换气温度：出设备的变换气温度： 181 进设备的湿变换气的量：进设备的湿变换气的量：190.9

16、7kmol 变换气带入的热量：变换气带入的热量：Q1=3308824.816 kJ 变换气带出的热：变换气带出的热： Q2=nCpmT 热损失热损失; Q3=0.04Q1 变换气放出的热量：变换气放出的热量： Q=Q1-Q2-Q3=349332.654 kJ低变炉的物料计算 要将要将CO降到降到0.2（湿基）以下，（湿基）以下， 由由CO实际变换率为：实际变换率为：Xp= 求出低温变换炉干组分量，进而求出低变炉湿组分量求出低温变换炉干组分量，进而求出低变炉湿组分量 根据：根据：Kp=（H2CO2）/（H2OCO） 计算得计算得Kp，查出对应的温度，查出对应的温度t低变炉的热量衡算低变炉的热量衡

17、算 变换气反应放热变换气反应放热Q1=nCOH1 气体吸热气体吸热Q2=nCpmT 热损失热损失Q3=Q1-Q2aaaaYYYY1三、设备的计算设备的计算变换炉计算 催化剂用量催化剂用量Vr=T0V0 中变换炉催化剂用量中变换炉催化剂用量: V= V01+V02=19.367+16.577=35.944 m3 对于催化剂用量的计算对于催化剂用量的计算 设催化剂床层直径为设催化剂床层直径为2.5m 2.5m 催化剂床层阻力降催化剂床层阻力降: : P= P= 通过对催化剂床层阻力通过对催化剂床层阻力 、催化剂层高的计算得以验证、催化剂层高的计算得以验证 计算结果符合要求计算结果符合要求PP3 3

18、0 0KPa, ,故取催化剂直径故取催化剂直径2.5m 2.5m LEEdprGf31 . 19 . 181101 . 2主换热器的计算 水吸热为：水吸热为： Q4-Q2=572306.363 kJ 实际转热量为实际转热量为:Q= (Q4-Q2)3.79=2169041.116kJ/h 传热面积：传热面积： S=Q/(K.tm)=95.71 m2 选择固定管板式换热器选择固定管板式换热器 壳径壳径/mm 600; 管子尺寸管子尺寸/mm 252.5; 公称压强公称压强/MPa 2.5; 管长管长/m 6; 公称面积公称面积/m2 120; 管子总数管子总数 254; 管程数管程数 2; 管子排列方案管子排列方案 三角形三角形;中变废热锅炉 （1） 设备直径与列管数量确定设备直径与列