15万吨合成氨一氧化碳变换工段方案设计书.docx

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1、精品学习资源封面欢迎下载精品学习资源作者： PanHongliang仅供个人学习目录1.前言42.工艺原理43.工艺条件5欢迎下载精品学习资源4.工艺流程的确定65.主要设备的挑选说明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中变炉催化剂平稳曲线136.正确温度曲线的运算147操作线运算158中间冷淋过程的物料和热量运算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其次节 低变炉的物料与热量运算19第三节 废热锅炉的热量

2、和物料运算24第四节 主换热器的物料与热量的运算26第五节调温水加热器的物料与热量运算28其次章 设备的运算291. 低温变换炉运算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进展， 现已进展成为一种成熟的化工生产工艺； 合成氨的生产主要分为： 原欢迎下载精品学习资源料气的制取；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，所以必需进行净化处理，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，又是原料气造气的连续；最终，

3、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特别重要的作用；目前，变换工段主要采纳中变串低变的工艺流程，这是从80 岁月中期进展起来的；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

4、变换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q1-1CO+H2= C+H2O1-2其中反应（ 1）是主反应，反应（ 2）是副反应，为了掌握反应向生成目的产物的方向进行，工业上采纳对式反应（ 11）具有良好挑选性催化剂，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；变换过程中仍包括以下反应式：H2+O2=H2O+Q -+工艺条件 平稳而言，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，1. 压力：欢迎下载精品学习资源压力对变换反应的平稳几乎没有影响； 但是提高压力将使析

5、炭和生成甲烷等副反应易于进行； 单就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； 详细操作压力的数值， 应依据中小型氨厂的特点， 特殊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 1.21.8Mpa；本设计的原料气由小型合成氨厂自然气蒸汽转化而来，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， 温度上升， 反应速率常数增大对反应速率有利，但平稳常数随温度的上升而变小，即CO 平稳含量增大，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 而存在着正确反应温

6、对肯定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的运算式为Tm=式中 Tm、Te分别为正确反应温度及平稳温度，正确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 H2 O/CO比值或水蒸汽 / 干原料气 . 转变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调剂手段；增加水蒸汽用量，提高了CO的平稳变换率，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Fe3 O4 的稳固而不被仍原，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， 尽量削减其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例假如过高， 将造成催化剂床层

7、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）变换时相宜的水蒸气比例一般为：H2 O/CO=35，经反应后，中变气中 H2 O/CO可达 15 以上，不必再添加蒸汽即可满意低温变换的要求；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欢迎下载精品学习资源氧化碳含量降到 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

8、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；主要设备的挑选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3变炉选用 C6 型催化剂，运算得低变催化剂实际用量10.59m ；以上设备的挑选主要是依据所给定的合成氨系统的生产才能、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的 CO浓度；对本设计评述自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， 由于能否正常生产出合格的压缩气，是后面的全部工序正常运转的前提条件；因此，必需掌握肯定的工艺条件，使转化气的组成，满意的工艺生产的要求；在本设计中，依据已知的自然气组成，操作条件，采纳了中变串低变的工艺流

9、程路线；第一对中，低变进行了物料和热量衡算，在运算的基础上，依据运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；由于自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；感谢！欢迎下载精品学习资源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CO2COH 2N 2CH 4O2合计%9.611.4255.7122.560.380.33

10、100欢迎下载精品学习资源运算基准： 1 吨氨运算生产 1 吨氨需要的变化气量：（1000/17）22.4（/222.56）=2920.31 M3标欢迎下载精品学习资源由于在生产过程中物量可能会有消耗，因此变化气量取2962.5 M3标年产 5 万吨合成氨生产才能：日生产量： 150000/330=454.55/d=18.93T/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：合组 分CO2COH2N2O2CH4计含量，9.611.4255.7122.560.330.38100欢迎下载精品学习资源M 3标474563.862750.681113.916.2918.76349

11、37.5欢迎下载精品学习资源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，就出炉温度为 365 摄氏度；进中变炉干气压力 =1.75Mpa. 2水汽比的确定 ：考虑到是自然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.5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CO2COH2N2O2CH4H2 O合计欢迎下载精品学习资源含量6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3 标474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.1

12、72122.79849.730.7270.83888.1308.53中变炉 CO的实际变换率的求取：假定湿转化气为 100mol，其中 CO基含量为 8.16 ，要求变换气中 CO含量为2，故依据变换反应： CO+H2OH2+CO2，就 CO的实际变换率为： =100=74式中 Ya、分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基） 就反应掉的 CO的量为： 8.16 74 =6.04就反应后的各组分的量分别为： H2O=28.56 -6.04 +0.48 =23 CO=8.16 -6.04 =2.12 H2 =39.8 +6.04 -0.48 =45.36 CO2=6.86 +6.04 =12.9

13、 中变炉出口的平稳常数：K= （ H2 CO2） / （H2O CO） =12查小合成氨厂工艺技术与设计手册可知K=12时温度为 397；中变的平均温距为 397-365 =32中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用；3. 中变炉一段催化床层的物料衡算假设 CO在一段催化床层的实际变换率为60；由于进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：组 分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量，6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3 标474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79

14、849.730.7270.83888.1308.533假使 O2 与 H2 完全反应， O2 完全反应掉故在一段催化床层反应掉的 CO的量为：60 563.86=338.318M 标=15.1koml出一段催化床层的 CO的量为：欢迎下载精品学习资源563.86-338.318=225.545 M 3 标=10.069koml故在一段催化床层反应后剩余的H2 的量为:2750.68+338.318-2 16.29=3056.41 M 3 标=136.447koml故在一段催化床层反应后剩余的CO2 的量为：474+338.318=812.318 M 3 标=36.26koml剩余的 H2 O的

15、量为：1973.52-338.318+2 16.29=1667.79M3 标=74.45koml所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分：对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行运算：已知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干组分：组 分CO2COH2N2CH4合计含量15.5443.158.4721.130.35100M3 标812.318225.5453056.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35组 分CO2COH2N2CH4H2 O合计含量11.783.2744.3316.

16、160.2724.19100M3 标812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8组 分CO2COH2N2CH4H2 O合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3 标812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：依据： K=H2 CO2 / （H2O CO 运算得

17、K=6.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当K=6.6 时 t=445 设平均温距为 30，就出变炉一段催化床层的变换气温度为：445-30 =4154. 中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：进中变炉温度： 335出变炉一段催化床层的变换气温度为： 415反应放热 Q：在变化气中含有 CO，H2O，O2，H2 这 4 种物质会发生以下 2 种反应：欢迎下载精品学习资源CO +H2O=CO2 +H2（1-1 ）O2+ 2H2= 2 H 2O（1-2 ）这 2 个反应都是放热反应；0为简化运算，拟采纳统一基准焓（或称生成焓）运算；以P=1atm， t=25 为基准的气体的统一基准焓运算式为：HT

18、=H 298=Cpdt式中HT气体在在 TK的统一基准焓， kcal/kmol4.1868kJ/kmol；0H298 该 气 体 在25 下 的 标 准 生 成 热 ，kcal/kmol4.1868kJ/kmol；T肯定温度， K；Cp 气体 的等 压比 热容 ， kcal/（ kmol. ） 4.1868kJ/（ kmol. ） 气体等压比热容与温度的关系有以下体会式：23Cp=A0+A1 T+A2T+A3T+式中 A0、A1、A2、A3气体的特性常数将式代入式积分可得统一基准焓的运算通式：01234Ht=a +a T+aT2+a T3+a T4式中常数 a0 、a1、a2、a3、a4 与气

19、体特性常数及标准生成热的关系为：欢迎下载精品学习资源a1=A0 ,a2=A1/2,a3=A3/4,a4=A3 /40234a0=H298298.16a 1298.16a2 298.16a3298.16a4欢迎下载精品学习资源采纳气体的统一基准焓进行热量平稳运算，不必考虑系统中反应如何进行， 步骤有多少，只要运算出过程始态和末态焓差，即得出该过程的总热成效；H=（ ni Hi ）始（ ni Hi ）末式中 H过程热效应，其值为正数时为放热， 为负数时系统为吸热， kcal ；（ 4.1868kJ ）；ni -始态或末态气体的千摩尔数， kmol； Hi 始态温度下或末态温度下；I 气体的统一基准

20、焓， kcal/kmol ，（4.1868kJ/kmol ）现将有关气体的运算常数列于下表中气体统一基准焓（通式）常数表欢迎下载精品学习资源分子式a0a1a2a3a4O21.9031810 35.802982.1567510 3- 7.4049910 71.0880810 10欢迎下载精品学习资源H2- 2.1124410 3H2O-6.0036 104N2-1.97673 103CO-2.83637 104CO2-96377.88867运算 O2 的基准焓： 10 11 117.20974-5.5584 1044.8459 10 7-8.189577.110921.2932 10 31.28

21、506 10 7-5.780396.459035.18164 1042.03296 10 7-7.656326.266278.98694 1045.04519 10 9-4.142726.3965.05 10 3-1.135 10 60.00 10 11 10 11 10欢迎下载精品学习资源234依据基准焓的运算通式： Ht=a0+a1T+a2T+a3T+a4T在 415时 T=415+273=683K查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表：组分O2H2H2OCOCO2Ht（ kcal/kmol）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.67833

22、Ht （ kJ/kmol ）28050.41211405.77-228191.759-98953.987-376630.6208放热：CO +H2O=CO2+H2（1）H1= Hi 始- （ Hi ）末=-376630.6208+11405.77+98953.987+228191.759=-38079.10484kJ/komlQ1=15.1（ -38079.10484 ） =-575121.414kJ O2 + 2H 2= 2 H 2O（2）Q2= H2=（ ni Hi ）始（ ni Hi ）末=-368924.3632kJ 气体共放热： Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3

23、632=944045.7772kJ气体吸热 Q3：-2依据物理化学 知 CO, H2,H2O, CO 2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT来运算热容；热容的单位为查表可得：kJ/（kmol. ）物质COH2H2 OCO2N2a28.4127.283044.1427.874.13.2610.719.044.27-0.460.5020.33-8.53-b/10 -3c/10 -5Cpm=Yi*Cp=34.06 KJ/ （kmol. ）所以气体吸热 Q3=34.06*307.8*415-330=891111.78kJ欢迎下载精品学习资源假设热缺失 Q4依据热量平稳的：Q= Q3 +Q4 Q4

24、=52934.965 kJ欢迎下载精品学习资源5. 中变炉催化剂平稳曲线依据 H2O/CO=3.5，与公式 XP=100 V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1中变炉催化剂平稳曲线如下：6. 正确温度曲线的运算由于中变炉选用 C6 型催化剂，最相宜温度曲线由式进行运算；查小合成氨厂工艺技术与设计手册C6 型催化剂的正负反应活化能分别为E1=10000 千卡/公斤分子， E2=19000 千卡/公斤分子；最相宜温度运算列于下表中：其中 A、B、C、D 分别代表 CO、CO2、CO2 及 H2 的起始浓度t300320340360380400T5735936136336

25、53673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t253273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据

26、作图即得最相宜温度曲线如下图：7. 操作线运算有中变催化剂变换率及热平稳运算结果知：欢迎下载精品学习资源中变炉人口气体温度335中变炉出口气体温度415中变炉入口 CO变换率0中变炉出口 CO变换率60%由此可作出中变炉催化剂反应的操作线如下：8. 中间冷淋过程的物料和热量衡算： 此过程采纳水来对变换气进行降温；以知条件：变换气的流量： 307.8koml设冷淋水的流量： X kg 变换气的温度： 415 冷淋水的进口温度： 20进二段催化床层的温度： 353操作压力： 1750kp热量运算：冷淋水吸热Q1：据冷淋水的进口温度20 查化工热力学可知h1=83.96kJ/kg依据化工热力学可知T

27、/kP/kPaH/kJ/kg60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5冷淋水要升温到353，所以设在353,615K,1750kp时的焓值为 h对温度进行内查法：1600kpa 时626-600 /h-3693.2=700-626/3919.7-hh=3752.09 kJ/kg1800kpa 时626-600/h-3691.7=700-626/3918.5-hh=3750.668 kJ/kg欢迎下载精品学习资源对压力用内差法得 353， 615K， 1750Kp时的焓值 h 为：1750-1600/h-3752.09=1800-17

28、50/3750.668-hh=3751.0235 kJ/kg Q1= X 3813.244875-83.96所以 Cpm=Yi*Cp =33.92kJ/（kmol. ）Q2=308.53*33.92*415-353取热缺失为 0.04 Q2依据热量平稳： 0.96 Q2= X3751.0235-83.96 X=169.46kg=9.415koml=210.88 M 3 标所以进二段催化床层的变换气组分：水的量为： 210.88+1667.79=1878.67 M 标3变换气吸热 Q2依据表 5-1.2和表 5-1.3的运算方法得：物质COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.

29、230.756.1组 分含量CO211.432CO3.17H243.01N215.68CH40.26H2O26.44合计100M3 标812.318225.5453056.4131113.18.761878.677105.961koml36.26510.068136.4549.730.83883.87317.229. 中变炉二段催化床层的物料衡算：3设中变炉二段催化床层的转化率为0.74 （总转化率）所以在二段CO 的变化量563.86*0.74=417.26 M 标在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为：225.545- （ 563.86-417.26 ）=78.94M3 标=3.52kom

30、l欢迎下载精品学习资源出中变炉二段催化床层的 CO的量为： 225.545-78.94=146.605 M故在二段催化床层反应后剩余的CO2 的量为： 812.318+78.94=891.26M 3 标故在二段催化床层反应后剩余的H2 的量为：3056.413+78.94=3135.353M3 标3 标欢迎下载精品学习资源故在二段催化床层反应后剩余的H2O的量为： 1878.67-78.94=1799.73M 3 标对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：依据： K= （ H2 CO2 ）/ （H2O CO）运算得 K=10.6查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当K=10.6 时 t=409

31、设平均温距为 48，就出变炉一段催化床层的变换气温度为：409 -44 =36510. 中变炉二段催化床层的热量衡算：以知条件：进变炉二段催化床层的变换气温度为：353出变炉二段催化床层的变换气温度为： 365变换气反应放热 Q1:运算变换气中各组分的生成焓，原理与运算一段床层一样，平均温度为：632K,运算结果如下：所以出中变炉的湿组分：组 分含量CO212.54CO2.06H244.125N215.67CH40.26H2O25.33合计1003M 标891.26146.6053135.3531113.18.761799.737105.96koml39.7886.545139.97149.7

32、30.83880.345317.22组分H2H2OCOCO2H（t kcal/kmol ）2373.4-54949.05-24005.565-90536.421Ht （kJ/kmol）9936.95-230060.69-100506.5-379057.89放热：CO +H2O=CO2+H2（1）H1=（ Hi ）始（ Hi ）末=-38553.74846kJ/kg Q1=3.52*38553.74846=135580.683kJ/kg气体吸热 Q2：依据物理化学知 CO, H2,H2O, CO2, N 2 ，可用公式： Cp=a+b+CT-2来运算热容；热容的单位为 kJ/ （ kmol. ）

33、表 5-1.2欢迎下载精品学习资源物质COH 2H2OCO 2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-物质abcdCH417.4560.461.17-7.2运算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72组 分含 量CO212.54CO2.06H244.125N215.67CH40.26H2O25.33合计100M3 标891.26146.6053135.3531113.18.761799.737105.96koml39.7

34、886.545139.97149.730.83880.345317.2组 分含量CO216.79CO2.76H259.09N220.99CH40.35合计1003M 标891.26146.6053135.3531113.918.765305.91koml39.7886.545139.97149.720.838236.87CH4 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来运算热容：Cpm=Yi*Cp=33.61KJ/ （ kmol. ）Q2=33.61*317.22* （365-353 ）=12789.1kJ热缺失：Q3=Q1-Q2=7641.6 kJ其次节低变炉的物料与热量运算1. 已知条件：

35、进低变炉的湿组分 :2进低变炉的干组分：2低变炉的物料衡算：要将 CO降到 0.2 （湿基）以下，就 CO的实际变换率为： = 100=90.113就反应掉的 CO的量为： 146.605 90.11 =132.11 M 标=5.898 koml欢迎下载精品学习资源出低温变换炉 CO的量： 146.605-132.11=14.495 M3 标=0.64722koml欢迎下载精品学习资源出低温变换炉 H2 的量： 3135.353+132.11=3267.463 M3 标=145.869 koml欢迎下载精品学习资源3出低温变换炉 H2O的量： 1799.73-132.11=1667.62 M

36、标=74.45koml3出低温变换炉 CO2的量: 891.26 +132.11=1023.37 M 标=45.68komlM 标koml31023.3745.687105.62317.22出低变炉的干组分：对出低变炉的变换气温度进行估算：依据： K= （ H2 CO2 ）/ （H2O CO）运算得 K=141.05查小合成氨厂工艺与设计手册知当K=141.05 时 t=223 设平均温距为 20，就出变炉一段催化床层的变换气温度为：t=223-20=2033低变炉的热量衡算：以知条件：进低变炉催化床层的变换气温度为：181出低变炉催化床层的变换气温度为： 203变换气反应放热 Q1:在 203时， T=476K运算变换气中各组分的生成焓，原理与运算一段床层一样，平均温度为：476K,出低变炉的湿组分：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量14.40.245.9815.680.2623.4710014.4953267.4631113.918.761667.620.647221