合成氨变换工段工艺初步计算设计.docx

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1、题目 年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计一、设计论文的要求：一、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，和主要设备的选择说明，对本设计的评述。二、计算部份包括物料衡算，热量衡算，有效能利用率计算，主要设备计算。3、图纸带掌握点的工艺流程图。二、设计论文的原始数据：自然气成份：以鸿化厂的实际工作数据为依据来进展。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、化工设计概论和关于氮肥的其他相关杂志。目录1. 前言42. 工

2、 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 肯 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 进 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其次节 低变炉的物料与热量计算19第三节 废热锅炉的热量和物

3、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其次章 设备的计算291. 低温变换炉计算292. 中变废热锅炉31前言4工艺条件5工艺流程确定6主要设备的选择说明6对本设计评述6第一章变换工段物料及热量衡算7第一节中温变换物料衡算及热量衡算7前言氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产通过连年的进展，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，所以必需进展净化处置，通常，先通过 CO 变换反映，使其转化为易于去除的 CO2和氨合

4、成所需要的 H 。因此，CO 变换既是原料气的净化进2程，又是原料气造气的连续。最终，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 与水蒸气反映生成二氧化碳和氢气的进程。在合成氨工艺流程中起着超级重要的作用。目前，变换工段主要承受中变串低变的工艺流程，这是从 80 年月中期进展起来的。所谓中变串低变流程，就是在 B107 等 Fe-Cr 系催化剂以后串入 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转变。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，

5、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：一氧化碳变换反映式为：CO+H O=CO +H +Q(1-1)222CO+H2= C+H O(1-2)2其中反映1是主反映，反映2是副反映，为了掌握反映向生成目的产物的方向进展，工业上承受对式反映11具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反映的发生。一氧化碳与水蒸气的反映是一个可逆的放热反映，反映热是温度的函数。变换进程中还包括以下反映式：H +O =H O+Q222工艺条件1. 压力：压力对变换反映的平衡几乎没有影响。可是提高压力将使析炭和生成 甲烷等副反映易于进展。单就平衡而言，加压并无好处。但从动力学角度， 加

6、压可提高反映速度。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，先紧缩原料气后再进展变换的能耗， 比常压变换再进展紧缩的能耗底。具体操作压力的数值，应依据中小型氨 厂的特点，特地是工艺蒸汽的压力及紧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中型氨厂为。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. 温度：转变反映是可逆放热反映。从反映动力学的角度来看，温度上升，反映速度常数增大对反映速度有利，但平衡常数随温度的上升而变小，即 CO 平衡含量增大，反映推动力变小，对反映速度不利，可见温度对二者的影响是相反的。因此存在着最正确反映温对必

7、定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为TTm=RT e1 + E-eln E2EE211式中 Tm、Te别离为最正确反映温度及平衡温度，最正确反映温度随系统组成和催化剂的不同而转变。1. 汽气比：水蒸汽比例一般指 H O/CO 比值或水蒸汽/干原料气.转变水蒸汽比例是2工业变换反映中最主要的调整手腕。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 剩余含量，加速变换反映的进展。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分 Fe O3 4的稳固而不被复原，并使析炭及生成甲烷等副反映不易发生。可是，水蒸气用量是变换进程中最主要消耗指标，尽可能削减其用量对进程的经济性具有重要

8、的意义，蒸汽比例假设是太高，将造成催化剂床层阻力增加；CO 停留时刻缩短，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： H O/CO=35，经2反映后，中变气中 H O/CO 可达 15 以上，没必要再添加蒸汽即可知足低温变2换的要求。工艺流程确定目前的转变工艺有：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，在废热锅炉出口参加水蒸汽使汽气比到达 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

9、 180左右， 进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到%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。以上设备的选择主假设依据所给定的合成氨系统的生产力量、原料气中碳氧化物的含量和变换气中所要求的 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，由于可否正常生产出合格的紧缩气，是后面的全部工序正常运转的前提条件。因此，必需掌握必定的工艺条件，使转化气的组成，知足的工艺生产的要求。在本设计中，依据的自然气组成，操作条件，承受了中变串低变的工艺流程线

10、路。第一对中，低变进展了物料和热量衡算，在计算的根底上，依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。由于时刻有限，设计可能不完善，请列位教师指出。感谢！组 分COCOHNO2CH2224H O2合计含量100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：条件中变炉入口气体组成：组分CO2COH2N2CH4O2合计%100计算基准：1 吨氨计算生产 1

11、吨氨需要的转变气量：1000/172= M3(标)由于在生产进程中物量可能回有消耗，因此转变气量取 M3(标) 年产 5 万吨合成氨生产力量：日生产量：50000/330=d=hM3(标)474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，100假设入中变炉气体温度为 335 摄氏度，掏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P =.中2. 水汽比确实定：考虑到是自然气蒸汽转化来的原料气，所以取 H2O/CO=故 V水=(标)n(水)=因此进中变炉的变换气湿组分:中变炉 CO 的实际变换率

12、的求取：假定湿转化气为 100mol，其中 CO 基含量为，要求变换气中 CO 含量为2，故依据变换反映：CO+H OH +CO ，则 CO 的实际变换率为：2X =22Y- Y (aa)100=74Y1 + Yaa式中 Ya、Y” 别离为原料及变换气中 CO 的摩尔分率湿基a则反映掉的 CO 的量为：74=则反映后的各组分的量别离为： H O=+=232CO= =H =+=2CO =+=2中变炉出口的平衡常数：K= H CO /H OCO=12222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 H O/CO

13、可用。23. 中变炉一段催化床层的物料衡算组 分含量， M3(标)COCOHNO2CH2224H O2合计100474koml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：假使 O 与 H22完全反映，O2完全反映掉M3(标)474koml故在一段催化床层反映掉的 CO 的量为：60=(标)=出一段催化床层的 CO 的量为：故在一段催化床层反映后剩余的 H2M3(标)=的量为:+= M3(标)=故在一段催化床层反映后剩余的 CO2的量为：474+= M3(标)=组 分含量COCOHNCH2224合计100M3(标)koml出中变炉一段催化床层的变换气干

14、组分：剩余的 H O 的量为：2标)=组 分含量COCOHNCH2224H O2合计100M3(标)koml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展计算：组 分含量COCOHNCH2224H O2合计100M3(标)koml出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量：对出变炉一段催化床层的变换气温度进展估算：依据：K=(H CO )/H OCO)计算得 K=222查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当 K=时 t=445设平均温距为 30，则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

15、出变炉一段催化床层的变换气温度为：415反映放热 Q：在转变气中含有CO，H O，O2，H 这 4 种物质会发生以下 2 种反映：22CO +H O=CO +H1-1222O + 2H = 2 H O1-2222这 2 个反映都是放热反映。为简化计算，拟承受统一基准焓或称生成焓计算。以 P=1atm，t=25 为基准的气体的统一基准焓计算式为：H =H0=CpdtT298式中HT气体在 T298在 TK 的统一基准焓，kcal/kmolkmol)；H0298该气体在 25下的标准生成热，kcal/kmolkmol)；T确定温度，K；Cp 气体的等压比热容，kcal/kmol.kmol. 气体等

16、压比热容与温度的关系有以下阅历式：Cp=A +A T+A T2+A T3+0123式中 A 、A 、A 、A 气体的特性常数0123将式代入式积分可得统一基准焓的计算通式：Ht=a +a T+a T2+a T3+a T401234式中常数 a 、a 、a 、a 、a 与气体特性常数及标准生成热的关系为：01234a =A ,a =A /2,a =A /4,a =A /410213343a =H0a2a a029834承受气体的统一基准焓进展热量平衡计算，没必要考虑系统中反映如何进 行，步骤有多少，只要计算出进程始态和末态焓差，即得出该进程的总热效果。H=niHi始niHi末式中H 进程热效应，

17、其值为正数时为放热，为负数时系统为吸热， kcal；;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 气体的统一基准焓，kcal/kmol，kmol现将有关气体的计算常数列于下表中分子式O2a103aa012a107a341031010气体统一基准焓通式常数表H21031041071011H2O1041031071011N21031041071011COCO21041041031091061011计算 O2的基准焓：依据基准焓的计算通式：Ht=a +a T+a T2+a T3+a T401234在 415时 T=415+273=683K查表可得变换气的各个组分

18、的基准焓列于下表：组分Htkcal/kmol HtkJ/kmolO2H2H2OCOCO2放热：CO +H O=CO +H1222H1=(Hi)始-Hi末=+=koml Q1=O + 2H = 2 H O2222Q2=H2=niHi始niHi末= 气体共放热：Q=Q1+Q2=+=气体吸热 Q3：依据物理化学知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热容。热容的单位为 kJ/kmol.物质COHH O2CON222a30b/10-3c/10-5-查表可得：Cpm=Yi*Cp= KJ/kmol. 所以气体吸热 Q3=*(415-330)=假设热损失 Q4

19、依据热量平衡的：Q= Q3 +Q4 Q4= kJ5. 中变炉催化剂平衡曲线依据 H O/CO=，与公式 X = U - q1002V=K AB-CDPP2 AWU 2 - 4WVq=U=K A+B+C+D，W=K -1PP其中 A、B、C、D 别离代表 CO、CO2、CO2 及 H2 的起始浓度t300320340360380400T573593613633653673Xpt420440460T693713733Xp中变炉催化剂平衡曲线如下：中变炉平衡曲线10.80.60.40.20250 300 320 340 360 380 400420 440460Xp率化转温度 6. 最正确温度曲线的

20、计算由于中变炉选用 C6 型催化剂，最适宜温度曲线由式1 +TeRTeE- EEln2E进展计算。211查小合成氨厂工艺技术与设计手册 C6 型催化剂的正负反映活化能别离为XpE1=10000 千卡/千克分子，E2=19000 千卡/千克分子。最适宜温度计算列于下表中：T526t253XpT671t398XpTt将以上数据作图即得最适宜温度曲线如以下图：10.90.80.70.60.50.40.30.20.10253 274 291 309 326 352 365 376 387398 409420 430 444pX率化转最适宜温度线温度7. 操作线计算有中变催化剂变换率及热平衡计算结果知：

21、 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映的操作线如下：7060Xp 50率 40化 30转 20100操作线330415温度 8. 中间冷淋进程的物料和热量衡算：此进程承受水来对变换气进展降温。以知条件：变换气的流量：设冷淋水的流量：X kg 变换气的温度：415冷淋水的入口温度：20进二段催化床层的温度：353 操作压力：1750kp热量计算：T/k600P/kPa1600H/(kJ/kg)600180070016007001800冷淋水吸热 Q1：据冷淋水的入口温度 20查化工热力学可知 h1 =k

22、g 依据化工热力学可知冷淋水要升温到 353，所以设在 353, 615K,1750kp 时的焓值为 h 对温度进展内查法：1600kpa 时(626-600 )/=(700-626)/h= kJ/kg1800kpa 时(626-600)/=(700-626)/h= kJ/kg对压力用内差法得 353，615K，1750Kp 时的焓值 h 为： (1750-1600)/=(1800-1750)/h= kJ/kgQ1= X( 变换气吸热 Q2p依据表和表的计算方式得：物质COCOHH ONCHC3122224所以 Cpm= Yi*Cp = kJ/kmol. Q2=*(415-353)取热损失为

23、Q2依据热量平衡： Q2= XX= M3(标) 所以进二段催化床层的变换气组分：水的量为：+= M3(标)组 分含量 M3(标)komlCO2COH2N2CH4H O2合计1009. 中变炉二段催化床层的物料衡算：设中变炉二段催化床层的转化率为总转化率 所以在二段 CO 的转变量*= M3(标)在中变炉二段催化床层的转化的 CO 的量为：=(标)=出中变炉二段催化床层的 CO 的量为： M3(标)故在二段催化床层反映后剩余的 CO2的量为：+= (标)故在二段催化床层反映后剩余的 H2 的量为：+= (标)故在二段催化床层反映后剩余的 H2O 的量为： (标)组 分含量 M3(标)komlCO

24、2COH2N2CH4H O2合计100所以出中变炉的湿组分：对出变炉一段催化床层的变换气温度进展估算：依据：K= H CO /H OCO222计算得 K=查小合成氨厂工艺技术与设计手册知当 K=时 t=409设平均温距为 48，则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变换气反映放热 Q1:组分Ht kcal/kmolHtkJ/kmolH2H2OCOCO2计算变换气中各组分的生成焓，原理与计算一段床层一样，平均温度为： 632K, 计算结果如下：放热

25、：CO +H O=CO +H1222H1=Hi始Hi末= kJ/kg Q1=*= kJ/kg气体吸热 Q2：依据物理化学知 CO, H2, H2O, CO2, N，可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热2容。热容的单位为 kJ/kmol.物质a b/10-3 c/10-5COH2H2O30CO2N2-表CH 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：物质abcdCH44计算结果：组分CpCOH2CO2H2ON2CH4Cpm=Yi*Cp=kmol. Q2=*365-353=热损失：Q3=Q1-Q2= kJ其次节低变炉的物料与热量计算1. 条件：组 分含 量M3(标)komlCO2C

26、OH2N2CH4H O2合计100进低变炉的湿组分:进低变炉的干组分：组 分含量CO2COH2N2CH4合计100M3(标)koml2. 低变炉的物料衡算：要将 CO降到湿基以下，则 CO 的实际变换率为：X=Y- Y (aa)100=Y1 + Yaa则反映掉的 CO 的量为：= M3(标)= koml 出低温变换炉 CO 的量： M3(标)=出低温变换炉 H2 的量： += M3(标)= koml出低温变换炉 H2O 的量：M3(标)=出低温变换炉 CO2 的量:+= M3(标)=出低变炉的湿组分：组 分COCO2H2N2CH4H O合计2组 分含量CO2COH2N2CH4合计100M3(标

27、)koml含量100M3(标)koml出低变炉的干组分：对出低变炉的变换气温度进展估算：依据：K= H CO /H OCO222计算得 K=查小合成氨厂工艺与设计手册知当 K=时 t=223设平均温距为 20，则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变换气反映放热 Q1:在 203时，T=476K计算变换气中各组分的生成焓，原理与计算一段床层一样，平均温度为： 476K, 计算结果如下：组分Htkcal/kmol HtkJ/kmolH2H2OCOCO2放热：CO

28、+H O=CO +H1222H1=Hi始Hi末= kJ/kg Q1=*= kJ/kg气体吸热 Q2：气体吸热时的平均温度：181+203/2=，T=依据物理化学知 CO, H2, H2O, CO2, N，可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热2容。物质aCOH2H2O30CO2N2b/10-3c/10-5-热容的单位为 kJ/kmol. 表CH 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：4表物质abcdCH4计算结果：组分COHCOH ONCH22224CpCpm=Yi*Cp=kmol. Q2=*203-181=热损失 Q3=Q1-Q2= kJ4. 低变炉催化剂平衡曲线依据公式

29、X = U - q 100PV=KPAB-CDU 2 - 4WVq=2 AWU=KPA+B+C+D W=KP-1其中 A、B、C、D 别离代表 CO、CO2、CO2 及 H2 的起始浓度t160180200220240260T433453473493513533Xpt280TXp553低变炉催化剂平衡曲线如下：1.21Xp 0.8率 0.6化转 0.40.20160180200220240温度 低变炉平衡曲线2602805. 最正确温度曲线的计算由于低变炉选用 B302 型催化剂。查小合成氨厂工艺技术与设计手册 B302 型催化剂的正反映活化能别离为E1=43164kJ/komlCO 转变反映

30、的逆反映活化能 E2 为： E2- E1=r*(-H)对于 CO 变换反映 r=1，则 E2=(-H) + E1H 为反映热，取其平均温度下的值，即：181+203/2=192，T=465KCO 的反映式为：CO +H O=CO +H222反映热是温度的函数，不同温度下的反映热能够用以下公式计算：H=*T+10-3*得：H= kcal/kmol= kJ/kmol E2 =+43164= kJ/kmol6. 最适宜温度曲线T由式 Tm=RT e1 + E-eln E进展计算2EE211Xp最适宜温度计算列于下表中：T402421440457475493t129148167184201220XpT

31、t510237将以上数据作图即得最适宜温度曲线如以下图：1.21Xp 0.8率 0.6化转 0.40.20 最适宜温度曲线129 148 167 184 201 220 237温度 第三节废热锅炉的热量和物料计算1. 条件：进废热锅炉的转化气组份：组份CO2COH2N2CH4O2H2O合计100M3(标)474koml进废热锅炉的温度为：925 出废热锅炉的温度为：335 进出设备的水温：20出设备的水温：335进出设备的转化气湿：进出设备的水量：X koml物量在设备里无物量的转变。2. 热量计算：（1） 入热： 水的带入热 Q1水在 20时 Cp= kJ/kmol.Q =X*20+273*

32、1=转化气的带入热 Q2：转化气在 925时 T=1193K依据物理化学知 CO, H , H O, CO , N，可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热容。2222物质a b/10-3 c/10-5COH2H2O30CO2N2-热容的单位为 kJ/kmol. 表CH 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：4物质abcdCH4表计算结果：组分CpCOH2CO2H2ON2CH4Cpm=Y *Cp=kmol.iQ =*920+273=.7kJ2（2） 出热：转化气的带出热：Q =330+273=3转化气在 335时 T=608K依据物理化学知 CO, H , H O, CO ,

33、N，可用公式：Cp=a+b+CT-2 来计算热2222容。物质a b/10-3c/10-5COH2H2O30CO2N2-热容的单位为 kJ/kmol. 表组分CpCOH2CO2H O2N2CH4计算结果：Cpm=Y *Cp=kmol.iQ =*330+273=3水的带出热 Q4:水在 335，T=603K 时的热容为：Cp= kJ/kmol. Q =X*330+273=4热损失 Q :5Q =*(Q + Q )512热量平衡：*(Q + Q )= Q + Q1234 +.7=+X=3. 水蒸汽的参加：要使 H O/CO=还要参加的水量为：2=第四节主换热器的物料与热量的计算1. 条件：进出设备

34、的变换气的量： 进出设备的水的量：Xkoml 物料的量在设备中无转变。温度：变换气进设备的温度：365 变换气出设备的温度：250 水进设备的温度：20 水出设备的温度：902. 热量计算：1 入热：变换气带入热:Q1变换气在365时依据物理化学知CO, H , H O, CO , N，可用公式：Cp=a+b+CT-2来计算热容。热容的单位为 kJ/kmol. 表2222物质COH2H2OCO2N2ab/10-3 c/10-530-CH 可用公式 Cp=a+b+cT2+dT3 来计算热容：4物质abcdCH4表计算结果：组分CpCOH2CO2H O2N2CH4Cpm=Y *Cp=kmol.iQ =*365+273=1水的带入热 Q :2水在 20时 Cp= kJ/