【正文】 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 年產(chǎn)五萬(wàn)噸合成氨變換工段工藝初步設(shè)計(jì) 系 別 化 學(xué) 工 程 與 工 藝 專 業(yè) 無 機(jī) 化 工 011 指導(dǎo)教師 教研室主任 學(xué)生姓名 接受任務(wù)日期 2021 年 2 月 28日 完成任務(wù)日期 2021 年 6 月 1 日 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 任 務(wù) 書 材 料 與 化 學(xué) 工 程 系 無 機(jī) 化 工 專業(yè) 20211 班 題 目 年產(chǎn)五萬(wàn)噸合成氨變換工段工藝初步設(shè)計(jì) 起迄日期 2021 年 2 月 25 日起至 2021 年 6 月 1 日止 指 導(dǎo) 老 師 教研室主任 （簽名） 系 主 任 （簽名） 學(xué) 生 姓 名 批 準(zhǔn) 日 期 2021 年 2 月 25 日 接受任務(wù)日期 2021 年 2 月 25 日 完成任務(wù)日期 2021 年 6 月 1 日 一、設(shè)計(jì)（論文）的要求： 說明書 包括前言，合成氨變換工段工序原理，工藝條件及工藝流程確定，以及主要設(shè)備的選擇說明 ， 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述 。 計(jì)算部分 包括物料衡算，熱量衡算，有效能利用率計(jì)算，主要設(shè)備計(jì)算 。 圖紙 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。 二、設(shè)計(jì)（論文）的原始數(shù)據(jù)： 天然氣成分：以鴻化廠的實(shí)際工作數(shù)據(jù)為依據(jù)來進(jìn)行。 年工作日 330 天 ,其余數(shù)據(jù)自定。 三、參考資料及說明： 《 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 （上、下冊(cè)）、《氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》理化數(shù)據(jù)、《化肥企業(yè)產(chǎn)品能平衡》、《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《合成氨工學(xué)》、《化工制圖》、《化工原理》、《化學(xué)工程》、《化工設(shè)計(jì)概論》以及關(guān)于氮肥的其他相關(guān)雜志。 目 錄 1. 前言?????????????????????????????? 4 2. 工藝原理 ???????????????????????????? 4 3. 工藝條件 ???????????????????????????? 5 4. 工藝流程的確定 ????????????????????????? 6 5. 主要設(shè)備的選擇說明 ??????????????????????? 6 6. 對(duì)本設(shè)計(jì)的綜述????????????????????????? 6 第一章 變換工段物料及熱量衡算 ????????????????? 8 第一節(jié) 中變物料及熱 量衡算????????????????????? 8 1．確定 轉(zhuǎn)化氣組成 ????????????????????????? 8 2．水汽比的確定 ?????????????????????????? 8 3． 中變爐一段催化床層的物料 衡 算 ???????????????? ?? 9 4． 中變爐一段催化床層的熱量 衡 算 ???????????????? ? ? 11 5．中變爐催化劑平衡曲線 ?????????????????????? 13 6. 最佳溫度曲線的計(jì)算 ??????????????????????? 14 7．操作線計(jì)算 ?? ?????????????? ??????????1 5 8．中間冷淋過程的物 料 和熱量計(jì)算 ???????????????? ? 16 9．中變爐二段催化床層的物 料衡 算 ???????????????? ? 17 衡 算 ???????????????? ? 18 第二節(jié) 低變爐的物料與熱量計(jì)算 ????????????????? ? 19 第三節(jié) 廢熱鍋爐的熱量和物料計(jì)算???????????? ? ??? ? 24 第四節(jié) 主換熱器的物 料 與熱量的計(jì)算 ??????????????? ? 26 第五節(jié) 調(diào)溫水加熱器的物 料 與熱量計(jì)算 ?????????????? 28 第二章 設(shè)備的計(jì)算???????????????????????? 29 1. 低溫變換爐計(jì)算 ???????????????????????? 29 2. 中變廢熱鍋爐???????????????????????? ? 31 參考文獻(xiàn)及致謝???????????????????????? ? 35 前 言 氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于化學(xué)肥料的生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。合 成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣的制??；原料氣的凈化與合成。粗原料氣中常含有大量的 C，由于 CO 是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過 CO 變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的 CO2和氨合成所需要的 H2。 因此， CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的 CO 用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。 變換工段是指 CO 與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。 目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從 80 年代中期發(fā)展起來的。所謂中變串低變 流程，就是在 B107 等 FeCr 系催化劑之后串入 CoMo系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中的 CO 含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。 工藝原理： 一氧化碳變換反應(yīng)式為： CO+H2O=CO2+H2+Q (11) CO+H2 = C+H2O (12) 其中反應(yīng) （ 1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（ 2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對(duì)式反應(yīng)（ 1— 1）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生。 一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。 變換過程中還包括下列反應(yīng)式： H2+O2=H2O+Q 工藝條件 ： 壓力對(duì)變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動(dòng)力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干變換氣的摩 爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點(diǎn)，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī) 投 各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為 ,中型氨廠為 ~。本設(shè)計(jì)的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，故壓力可取 . ： 變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常 數(shù)增大對(duì)反應(yīng)速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 CO平衡含量增大，反應(yīng)推動(dòng)力變小，對(duì)反應(yīng)速 率不利，可見溫度對(duì)兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應(yīng)溫對(duì)一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為 Tm=1212ln1 EEEE RTTee?? 式中 Tm、 Te— 分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。 1． 汽氣比： 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣 .改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡變換率，從而有利于降低 CO殘余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分 Fe3O4的穩(wěn)定 而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對(duì)過程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加； CO 停留時(shí)間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時(shí)適宜的水蒸氣比例一般為： H2O/CO=3～ 5，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中 H2O/CO 可達(dá) 15 以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。 工藝流程確定 目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低 4種工藝。本設(shè)計(jì)參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。轉(zhuǎn)化氣從 轉(zhuǎn)化爐進(jìn)入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從 920℃降到 330℃，在廢熱鍋爐