合成氨CO变换工段设计

设计任务 (4)

摘要 (5)

第一章概述 (5)

1.1目的和意义 (5)

1.2工艺原理 (7)

1.3工艺条件 (7)

1.4工艺流程确定 (8)

1.5主要设备的选择说明 (10)

第二章变化工段物料及能量衡算 (10)

2.1已知条件及计算基准 (10)

2.2中温变换炉物料及热量衡算 (10)

2.2.1水汽比的确定 (10)

2.2.2中变炉CO的实际变换率的求取 (11)

2.2.3中变炉催化剂平衡曲线 (12)

2.2.4最佳温度曲线的计算 (12)

2.2.5中变炉一段催化床层的物料及热量衡算 (13)

2.2.6中变炉二段催化床层的物料及热量衡算 (17)

2.3低温炉的物料及能量衡算 (21)

2.3.1低变炉物料计算 (22)

2.3.2出低变炉的变换气温度估算： (23)

2.3.3低变炉的热量衡算 (23)

2.3.4低变催化剂操作线计算 (25)

2.3.5低变炉催化剂平衡曲线 (25)

2.3.6最佳温度曲线的计算 (29)

2.4饱和热水塔的热量和物料衡算 (27)

2.4.1饱和塔的热量和物料衡算 (27)

2.4.2热水塔的物料和热量衡算 (29)

2.5主换热器的物料与能量的衡算 (31)

2.6中间变换器物料与热量衡算 (33)

第三章设备计算 (35)

1

3.1中温变换炉的计算 (35)

3.1.1触媒用量的计算 (35)

3.1.2第一段床层触媒用量 (35)

3.1.3 第二段床层触媒用量 (36)

3.1.4 触媒直径的计算 (38)

3.1.5中变炉进出口管径的选择 (39)

3.2低温变换炉的计算 (40)

3.2.1催化剂用量计算 (40)

3.2.2催化剂床层阻力 (41)

3.3主换热器的计算 (42)

3.3.1传热面积的计算 (42)

3.3.2设备直径与管板的确定 (43)

3.3.3传热系数的验算 (43)

3.3.4壳侧对流传热系数计算 (44)

3.3.5总传热系数核算 (46)

3.3.6其他换热器的选择 (46)

3.4泵的选择 (47)

第四章设备布置 (49)

4.1设备布置的内容 (49)

4.2设备布置的要求 (49)

4.3设备布置图 (49)

第五章环境保护与安全措施 (50)

5.1环境保护 (50)

5.1.1设计标准 (50)

5.1.2主要污染物 (50)

5.1.3三废处理 (50)

5.1.4环境管理及检测 (51)

5.2安全措施 (52)

5.2.1设计依据 (52)

5.2.2安全防护措施 (52)

2

5.2.3安全卫生管理 (52)

第六章设计体会和收获 (54)

6.1设计陈述 (54)

6.2体会和收获 (54)

符号说明 (55)

参考文献 (56)

致谢 (57)

附图 (58)

3

设计任务

1、设计项目名称：40万吨/年合成氨一氧化碳变换工段设计

2、生产方法：中串低工艺

3、生产能力：年产四十万吨合成氨日生产量为（一年连续生产330天）：

400000/330=1212.12T/d=50.51T/h

4、原料组成：半水煤气

4

摘要

变换工段工序是合成氨生产中关键的一步，其主要任务是将变换气中的一氧化碳转化为二氧化碳。

本设计采用中串低工艺流程。首先对工艺流程和工艺条件进行简单说明；然后根据工艺参数对中变炉、低变炉、饱和热水塔等主要设备进行物料、热量衡算；其次对变换炉、换热器进行总体结构设计和计算；再次进行设备布置；最后对本实验做出总结。

关键字中串低；变换工段；工艺设计

5

6 第一章 概述

1.1目的和意义

氨是重要的无机化工产品，在国民经济中占有重要地位。随着世界人口的不断增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以及其他化工产品的氨用量也在增长。在化学工业中，合成氨工业已经成为了重要的支柱产业。据统计，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。

合成氨的生产主要分为原料气的制取和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CO 2和氨合成所需要的H 2。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。

合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外，整个生产过程还需消耗较多的电力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。现在合成氨能耗约占世界能源消费总量的3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。因而能耗是衡量合成氨技术水平和经济效益的重要指标。

变换工段是指CO 与水蒸气反应生成CO 2和H 2的过程。在合成氨工艺流程中

起着非常重要的作用。在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO ，其体积分数一般为12%~40%。合成氨需要的两种组分是H 2和N 2，因此需要除去合成

气中的CO 。变换反应如下：222CO H O = CO H ++。由于CO 变换过程是强放热过

程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO 含量。第一步是高温变换，使大部分CO 转变为CO 2和H 2；第二步是低温变换，将CO 含量降至

0.3%左右。因此，CO 变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

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B106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，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。

变换过程需在高温高压使用催化剂条件下进行，因此变换工序是合成氨生产的高成本工序,其成本降低对合成氨成本的降低有重要意义。

1.2工艺原理

一氧化碳变换反应式为：

CO+H

2O=CO

2

+H

2

+Q (1-1)

CO+H

2 = C+H

2

O (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：

H 2+O

2

=H

2

O+Q

1.3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0.7-1.2MPa,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.

（2）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 …… 此处隐藏：7597字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……