15万吨合成氨一氧化碳变换工段设计.doc

1、目 录1. 前言42. 工艺原理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中变炉催化剂平衡曲线136. 最佳温度曲线的计算147操作线计算158中间冷淋过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第二节 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

2、算28第二章 设备的计算291. 低温变换炉计算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发展，现已发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。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

3、成氨工艺流程中起着非常重要的作用。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：一氧化碳变换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q (1-1) CO+H2 = C+H2O (1-2) 其中反应（1）是主反应，反应（2）是副反应，

4、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（11）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+Q 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

5、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天然气蒸汽转化而来，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对一定催化剂及气相组成，从动力学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 汽气比：水蒸汽比例一般指H2O/CO比值

6、或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比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，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Fe3O4的稳定而不被还原，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，余热回收设备附和加重等，所以，中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：H2O/CO=35，经反应后，中变气中H2O/CO可达15以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求。工艺流程确定目前的

7、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10.59m3。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

8、碳氧化物的含量以及变换气中所要求的CO浓度。对本设计评述天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，因为能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。在本设计中，根据已知的天然气组成，操作条件，采用了中变串低变的工艺流程路线。首先对中，低变进行了物料和热量衡算，在计算的基础上，根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。 由于天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

9、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。谢谢！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CO2COH2N2CH4O2合计%9.611.4255.7122.560.380.33100计算基准：1吨氨计算生产1吨氨需要的变化气量：（1000/17）22.4/（222.56）=2920.31 M3(标)因为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5万吨合成氨生产能力：日生产量：150000/330=454.55/d=18.93T/h要求出中变炉的变换气

10、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，9.611.4255.7122.560.330.38100M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7634937.5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，则出炉温度为365摄氏度。进中变炉干气压力=1.75Mpa.2水汽比的确定：考虑到是天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CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量6.868.1639.8

11、16.120.240.2728.56100M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53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，故根据变换反应：CO+H2OH2+CO2，则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）则反应掉的CO的量为：8.1674=6.04则反应后的各组分的量分别为： H2O=28.56-6.04+0.48=23C

12、O=8.16 -6.04=2.12H2 =39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86+6.04=12.9中变炉出口的平衡常数：K= （H2CO2）/（H2OCO）=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。因为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

13、.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53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：60563.86=338.318M3(标)=15.1koml出一段催化床层的CO的量为：563.86-338.318=225.545 M3(标)=10.069koml故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:2750.68+338.318-216.29=3056.41 M3(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

14、.318 M3(标)=36.26koml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剩余的H2O的量为：1973.52-338.318+216.29=1667.79M3(标)=74.45koml所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)81

15、2.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行计算：已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（）：组 分CO2COH2N2CH4H2O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

16、：根据：K=(H2CO2)/（H2OCO)计算得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，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 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：CO +H2O=CO2+H2 （1-1）O2 + 2H2= 2 H2O （1-2）这2个反应都是放热反应。为简化计算，拟采用统一基准焓（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：HT=H0298

17、=Cpdt 式中 HT 气体在在TK的统一基准焓，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；H0298 该气体在25下的标准生成热，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；T绝对温度，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经验式：Cp=A0+A1T+A2T2+A3T3+ 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计算通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4 式中常数a0、a1、a2、a3、a4与气体特性常数及标准生成热的关系为： a1=A0, a2=A1/2

18、, a3=A3/4, a4=A3/4a0=H0298298.16a1298.162a2298.163a3298.164a4采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算，不必考虑系统中反应如何进行，步骤有多少，只要计算出过程始态和末态焓差，即得出该过程的总热效果。H=（niHi）始（niHi）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 气体的统一基准焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）现将有关气体的计算常数列于下表中 气体统一基准焓（通式）常数表分子式 a

19、0 a1 a2 a3 a4O21.90318103 5.802982.15675103-7.404991071.088081010H2-2.112441037.20974-5.55841044.8459107-8.189571011H2O-6.00361047.110921.29321031.28506107-5.780391011N2-1.976731036.459035.181641042.03296107-7.656321011CO-2.836371046.266278.986941045.04519109-4.142721011CO2-96377.888676.3965.05103-1

20、.1351060.00计算O2的基准焓：根据基准焓的计算通式：Ht=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4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）6699.7422724.221-54502.665-23634.754-89956.67833Ht（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+

21、228191.759 =-38079.10484kJ/komlQ1=15.1（-38079.10484）=-575121.414kJ O2 + 2H2= 2 H2O （2）Q2=H2=（niHi）始（niHi）末=-368924.3632kJ气体共放热：Q=Q1+Q2=575121.414+368924.3632=944045.7772kJ气体吸热Q3：根据物理化学知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.）查表可得：物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.26

22、10.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-Cpm=Yi*Cp=34.06 KJ/（kmol.）所以气体吸热Q3=34.06*307.8*(415-330)=891111.78kJ假设热损失Q4根据热量平衡的： Q= Q3 +Q4Q4=52934.965 kJ5中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.5，与公式XP=100V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度t300 320 340 360 380400T573593613633653673Xp0.90120.8737

23、0.84240.80740.76870.7058t 420 440 460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：6.最佳温度曲线的计算由于中变炉选用C6型催化剂，最适宜温度曲线由式 进行计算。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。最适宜温度计算列于下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t253273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670

24、.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：7操作线计算 有中变催化剂变换率及热平衡计算结果知： 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：此过程采用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

25、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热量计算： 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根据化工热力学可知T/kP/kPaH/(kJ/kg)60016003693.260018003691.770016003919.770018003918.5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-h) h=3752.09 kJ/kg1800kpa时(626-60

26、0)/(h-3691.7)=(700-626)/(3918.5-h) h=3750.668 kJ/kg对压力用内差法得353，615K，1750Kp时的焓值h为：(1750-1600)/(h-3752.09)=(1800-1750)/(3750.668-h)h=3751.0235 kJ/kgQ1= X( 3813.244875-83.96)变换气吸热Q2根据表5-1.2和表5-1.3的计算方法得：物质COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以Cpm= Yi*Cp =33.92 kJ/（kmol.）Q2=308.53*33.92*(415-353)取热损失

27、为0.04 Q2根据热量平衡：0.96 Q2= X(3751.0235-83.96) X=169.46kg=9.415koml=210.88 M3(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 M3(标)组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量11.4323.1743.0115.680.2626.44100M3(标)812.318225.5453056.4131113.918.761878.677105.61koml36.26510.068136.4549.730.83883.87317.229中变炉二段催化床层的物料衡算：设中变炉二段催化床层

28、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 M3(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)=3.52koml出中变炉二段催化床层的CO的量为：225.545-78.94=146.605 M3(标)故在二段催化床层反应后剩余的CO2的量为：812.318+78.94= 891.26M3(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)故在二段催化床层反应后剩余的H2O的量为：1878.67-78.94= 1799.73M3(

29、标)所以出中变炉的湿组分：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(标)891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算：根据：K= （H2CO2）/（H2OCO）计算得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

30、：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: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：组分H2H2OCOCO2Ht（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 =-38553.74846 kJ/kgQ1=3.52*38553.74846=135580.683 kJ/kg气体吸热Q2

31、：根据物理化学知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.）表5-1.2物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3来计算热容：物质abcdCH417.4560.461.17-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp 28.56 29.25 47.3 36.78 30.31 53.72Cpm=Yi*Cp=33.61KJ/（kmol.

32、）Q2=33.61*317.22*（365-353）=12789.1kJ热损失：Q3=Q1-Q2=7641.6 kJ第二节 低变炉的物料与热量计算1.已知条件：进低变炉的湿组分:组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量12.542.0644.12515.670.2625.33100M3(标)891.26146.6053135.3531113.918.761799.737105.6koml39.7886.545139.97149.730.83880.345317.22进低变炉的干组分：组 分CO2COH2N2CH4合计含量16.792.7659.0920.990.35100M3(标)891.

33、26146.6053135.3531113.918.765305.91koml39.7886.545139.97149.720.838236.872低变炉的物料衡算：要将CO降到0.2（湿基）以下，则CO的实际变换率为：=100=90.11则反应掉的CO的量为：146.60590.11=132.11 M3(标)=5.898 koml出低温变换炉CO的量：146.605-132.11=14.495 M3(标)=0.64722koml出低温变换炉H2的量： 3135.353+132.11=3267.463 M3(标)=145.869 koml出低温变换炉H2O的量：1799.73-132.11=1

34、667.62 M3(标)=74.45koml出低温变换炉CO2的量: 891.26 +132.11=1023.37 M3(标)=45.68koml出低变炉的湿组分：组 分CO2COH2N2CH4H2O合计含量14.40.245.9815.680.2623.47100M3(标)1023.3714.4953267.4631113.918.761667.627105.62koml45.680.64722145.86949.720.83874.45317.22出低变炉的干组分：组 分CO2COH2N2CH4合计含量18.820.2760.0820.480.35100M3(标)1023.3714.495

35、3267.4631113.918.765437.99koml45.680.64722145.86949.720.838242.767对出低变炉的变换气温度进行估算：根据：K= （H2CO2）/（H2OCO）计算得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，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变换气反应放热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

36、如下：组分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）1241.516-56347.304-25178.916-92311.594Ht（kJ/kmol）5197.977-2359149.084-105419.084-386490.181放热： CO +H2O=CO2+H2 （1）H1=（Hi）始（Hi）末 =-39958.286 kJ/kgQ1=5.898*39958.286=235687.29 kJ/kg气体吸热Q2：气体吸热时的平均温度：（181+203）/2=191.5，T=464.5K根据物理化学知CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式：Cp=a+b+CT-2来计算热容

37、。热容的单位为kJ/（kmol.）表5-1.2物质COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10-34.13.2610.719.044.27c/10-5-0.460.5020.33-8.53-CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3来计算热容：表5-1.3物质abcdCH417.4560.461.17-7.2计算结果：组分COH2CO2H2ON2CH4Cp30.1 29.0344.3935.1329.8545.05Cpm=Yi*Cp=32.86kJ/（kmol.）Q2=33.61*317.22*（203-181）=230669.84kJ热损失Q3=Q1-Q2=

38、235687.29-230669.84=5017.45 kJ4低变炉催化剂平衡曲线根据公式XP=100V=KPAB-CDq=U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度t160180200220240260T433453473493513533Xp0.97690.96230.93890.91210.87320.8229t280T553Xp0.76低变炉催化剂平衡曲线如下：5.最佳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型催化剂的正反应活化能分别为E1=43164kJ/komlCO变化反应的逆反应活化能E2为：E2- E1=r*(-H)对于CO变换反应r=1，则E2=(-H) + E1H为反应热