【正文】 1 2020屆化學(xué)與材料工程系 《化工工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書》 課題名稱 年產(chǎn) 8 萬噸小合成氨廠中 溫變換工段工藝設(shè)計(jì) 類型 化工工藝設(shè)計(jì) 導(dǎo)師 職稱 課題來源 課題 內(nèi)容 變換工段在合成氨生產(chǎn)起的作用既是氣體凈化工序，又是原料氣的再制造工序，經(jīng)過變換工段后的氣體中的 CO 含量大幅度下降，符合進(jìn)入甲烷化或者銅洗工段氣質(zhì)要求。 要求： 1. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 2. 系統(tǒng)物料、能量合算 3. 系統(tǒng)主要設(shè)備能力及觸媒裝填量核算 4. 該工段設(shè)備多，工藝計(jì)算復(fù)雜，分變換爐能力及觸媒裝填量核算、系統(tǒng)熱量核算和系 統(tǒng)水循環(huán)設(shè)備及能力核算 課題進(jìn)度 按化工設(shè)計(jì)要求進(jìn)度進(jìn)行 基本條件要求 1. 入工序氣體流量： 33000Nm3/h（ 干基 ） 壓力： 溫度： 40℃ 2. 入 口 氣 體 組 分 ： CO%=% CO2%=% H2%=% N2%=18% CH4%=% O2%=%(體積比 ) 3. 出口氣體組分： CO%=4%（體積比） 2 變換工藝設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目 年產(chǎn) 8 萬噸小合成氨廠中 溫 變換工段工藝設(shè)計(jì) 課題來源 年產(chǎn) 8 萬噸小型合成氨廠變換工段 變換工段化學(xué)工藝設(shè)計(jì)標(biāo) 準(zhǔn) 變換工段在合成氨生產(chǎn)起的作用既是氣體凈化工序，又是原料氣的再制造工序，經(jīng)過變換工段后的氣體中的 CO 含量大幅度下降，符合進(jìn)入甲烷化或者銅洗工段氣質(zhì)要求。 要求 ： 1. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 2. 系統(tǒng)物料、能量衡算 3. 系統(tǒng)主要設(shè)備能力及觸媒裝填量核算 4. 該工段設(shè)備多，工藝計(jì)算復(fù)雜，分變換爐能力及觸媒裝填量核算、系統(tǒng)熱量核算和系統(tǒng)水循環(huán)設(shè)備及能力核算。 變換工段化學(xué)工藝設(shè)計(jì)主要技術(shù)資料 1. 變換技術(shù)方案 CO2 變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)， 從化學(xué)平衡來看，降低反應(yīng)溫度，增加水蒸汽用量，有利于 上述可逆反應(yīng)向生成 CO2 和 H2 的方向移動(dòng)，提高平衡變換率。但是水蒸氣增加到一定值后，變換率增加幅度會(huì)變小 。溫度對(duì)變換反應(yīng)的速度影響較大，而且對(duì)正逆反應(yīng)速度的影響不一樣。溫度升高，放熱反應(yīng)即上述反應(yīng)速度增加得慢，逆反應(yīng)（吸熱反應(yīng)）速度增加得快。因此，當(dāng)變化反應(yīng)開始時(shí)，反應(yīng)物濃度大，提高溫度，可加快變換反應(yīng)，在反應(yīng)的后一階段，二氧化碳和氫的濃度增加，逆反應(yīng)速度加快，因此，需降低反應(yīng)溫度，使逆反應(yīng)速度減慢，這樣可得到較高的變化率。 但降溫必須與反應(yīng)速度和催化劑的性能一并考慮，反應(yīng)溫度必須在催化劑的使用范圍內(nèi)選擇。 在 本設(shè)計(jì)中 我們選擇 三段中溫 變化工藝流程 。 2. 工藝流程 含 % CO、溫度為 40℃ 的 半水煤氣 ，加壓到 ，經(jīng)熱水洗滌塔 除 去氣體中的油污、雜質(zhì)，進(jìn)入飽和塔下部與上部噴淋下來的 120～ 140℃ 的 熱水 逆流接觸，氣體被加熱而又同時(shí)增濕。然后在混合器中與一定比例的 300～ 350℃ 過熱蒸汽混合，25%～ 30%的氣體不經(jīng)熱交換 器，作為冷激氣體。其他則經(jīng)熱交換器進(jìn)一步預(yù)熱到320℃ 進(jìn)入變換爐。進(jìn)第一段催化反應(yīng)后溫度升高到 460～ 500℃ ，冷激后依次通過二、三段，氣體離開變換爐的溫度為 400～ 410℃ ， CO 變換 率達(dá) 90%，殘余 CO 含量為 3%左右。變換氣經(jīng)熱交換器加熱原料氣，再經(jīng)第一熱水加熱器加熱熱水，然后進(jìn)入熱水塔進(jìn)一步冷卻、減濕，溫度降到 100～ 110℃ 。 為了進(jìn)一步回收余熱，氣體 3 進(jìn)入第二熱水加熱器（即鍋爐給水預(yù)熱器），溫度降到 70～ 80℃ ，最后經(jīng)冷凝塔冷卻到常溫返回壓縮機(jī)加壓。 變換工段化學(xué)工藝設(shè)計(jì)原則 1. 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨 2. 如工序氣體流量： 33000Nm3/h， （干基）壓力： ， 溫度： 40℃ 3. 入口氣體成分： CO%=%， CO2%=%， H2%=%， N2%=18%， CH4%=%，O2%=%（ 體積比） 4. 出口氣體成分： CO%=%（體積比） 教研室意見 該設(shè)計(jì)符合化工工藝設(shè)計(jì)要求，同意接受此設(shè)計(jì)！ 4 第 1章 引言 氨在國民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用 合成氨工業(yè)使基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)之一。其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位。氨本身是重要的氮素肥料，除石灰石氮外，其它氮素肥料都是先合成氨，然后再加工成各種銨鹽或尿素。將氨氧化制成硝酸，不僅可用來制造肥料，亦是重要的化工原料，可制成各種炸藥。氨、尿素和硝酸又是氨基樹脂、聚酰胺樹脂、硝化纖維素等高分子化合物的原料。以其 為原 料可制得塑料、合成纖維、油漆、感光材料等產(chǎn)品。作為生產(chǎn)氨的原料 CO+H2 合成氣，可進(jìn)行綜合利用，以聯(lián)產(chǎn)甲醇及羰基合成甲酸、醋酸、醋酐等一系列化工產(chǎn)品。以做到物盡其用，減少排放對(duì)環(huán)境的污染，提高企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。已成為當(dāng)今合成氨工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。國際上對(duì)合成氨的需求，隨著人口的增長而對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)的需求和環(huán)境綠化面積的擴(kuò)大而不斷增加。 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)： 1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá) 。預(yù)計(jì) 2020 年產(chǎn)量達(dá) 。其化肥用氮分別占氮產(chǎn)量的 %和 %。我國 2020 年合成氨產(chǎn)量已達(dá) 35Mt，專家 預(yù)測 2020 年將增至 45Mt。即今后 10 年間將增加到現(xiàn)在的 倍。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長的爐要走。未來我國合成氨氮肥的實(shí)物產(chǎn)量將會(huì)超過是由和鋼鐵。合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。 合成氨生產(chǎn)的新進(jìn)展 世界需求氮肥（折氮量） 2020 年 1112108t 增加到 2020 年 1250108。 2020 年前，全世界有約 65106t/a 合成氨能力投產(chǎn)。沙特阿拉伯化肥公司興建的世界最大單系列合成氨已于 2020 年投產(chǎn) ， 該裝置能力為 3000t/d（約 1106t/a）。 我國氮肥工業(yè)經(jīng)過多年的技 術(shù)進(jìn)步和技術(shù)改造 ， 現(xiàn)已成為全球最大的氮肥生產(chǎn)國和尿素生產(chǎn)國。從召開的全國化工行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)場交流會(huì)上獲悉 ， 我國 2020 年共生產(chǎn)合成氨 ， 生產(chǎn)氮肥 (折純氮 )， 其中尿素 (實(shí)物量 ) ， 已成為全球最 大 的氮肥生產(chǎn)國和最大的尿素生產(chǎn)國 ， 并實(shí)現(xiàn)了氮肥的自給。我國現(xiàn)有氮肥生產(chǎn)企業(yè) 564家 ， 不僅數(shù)量多 ， 分布也比較廣。近年來 ， 在中央和各級(jí)地方政府的關(guān)心和支持下 ， 我國氮肥行業(yè)認(rèn)真落實(shí)國家資源節(jié)約、綜合利用和環(huán)境保護(hù)的方針政策 ， 積極推進(jìn)清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì) ， 大幅度減少污染物的排放 ， 為行業(yè)的發(fā)展打下了一定基礎(chǔ)。一些先進(jìn)企業(yè)現(xiàn)在生產(chǎn)每噸合成氨的排水量 ， 已從過去的 50至 60噸降到 3至 5噸 ， 噸氨電耗降幅也達(dá) 60千瓦時(shí)左右。據(jù)中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)化工防治污染技術(shù)協(xié)會(huì)介紹 ， 我國氮肥工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平與市場競爭力雖然有了很大提高 ， 但是氮肥工業(yè)仍然是我國耗能和用水大戶 ， 全行業(yè)年耗天然氣高達(dá) 110 5 億立方米 ， 占全國總消費(fèi)量的 22%， 耗標(biāo)準(zhǔn)煤 ， 占全國耗煤總量的 %，耗電 ， 占全國耗電總量的 %， 耗水 27億噸 ， 平均噸氨耗水達(dá) 58噸 ， 因此在降耗節(jié)能和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)上 ， 仍有巨大 潛力可挖。為了使我國氮肥工業(yè)從生產(chǎn)大國繼續(xù)向生產(chǎn)強(qiáng)國邁進(jìn) ， 中國氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)等有關(guān)部門目前正在加大廢水、廢氣、廢渣回用以及一些先進(jìn)節(jié)能技術(shù)等在這一行業(yè)的推廣。正在推廣的這些技術(shù)中 ， 僅“ 噸氨節(jié)電 200度技術(shù) ”， 有關(guān)專家預(yù)計(jì)我國以煤為原料 ， 年產(chǎn)合成氨 8萬噸以上的企業(yè)即使只有半數(shù)得到推廣 ， 年節(jié)電量也將達(dá)到 。 國外合成氨情況與國內(nèi)有很大不同，從原料上看，目前主要產(chǎn)氮國中，美、英、法、荷蘭等國幾乎全部采用天然氣 ，德國和日本液態(tài)烴占相當(dāng)比重；上世紀(jì) 80 年代的資料顯示，國外合成氨原料中，煤的比重已下降到 2%以下 ；但近年來，由于天然氣價(jià)格上漲，煤制氨比例有所上升。 當(dāng)今世界新技術(shù)革命深入發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技更新進(jìn)一步加快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展從主要依靠物質(zhì)資源逐漸向主要依靠科學(xué)技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的時(shí)代過渡。我國百萬合成氨工業(yè)科技 工作者及生產(chǎn)大軍，應(yīng)對(duì)占世界人口近 1/4 的中國，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)更好地發(fā)揮土地、資源、環(huán)境條件的作用，為人類豐衣足食、綠化環(huán)境的美好生活，在合成氨工業(yè)生產(chǎn)科學(xué)創(chuàng)造出輝煌業(yè)績，以載入人類史冊(cè)。 變換工藝概述 簡述 在合成氨生產(chǎn)中，制取氫氣，在生產(chǎn)中占有很大比重，因此要盡一切可能設(shè) 法獲得最多氫氣。同時(shí) CO 對(duì)氨合成催化劑有嚴(yán)重毒害，也必須除去。最好的辦法使提高 CO 變換率。近幾十年來，各國學(xué)者都做了不少工作，對(duì)催化劑不斷改善，到目前為止，可使變換后氣體中 CO 含量降到 %～ %。通過變換工序?qū)?CO 變?yōu)镠2 使產(chǎn)品成本降低，工廠經(jīng)濟(jì)效益提高。 由于制取合成 氨原料氣所用的原料不同，所選擇的工藝也不一樣，所以原料氣中 CO 含量也不同。 CO 變換，視其原料和所采取的生產(chǎn)方法不同，也有不同的工藝流程。上世紀(jì) 50 年代以前，在常壓下制取合成氨原料氣，其變換大多是在常壓 下進(jìn)行。此后，特別是上世界 60 年代 以后，合成氨原料改用天然氣、油田氣、石油加工氣和輕油等，生產(chǎn)方法大多采用加壓的蒸汽轉(zhuǎn)化法，變換則在加壓下進(jìn)行，一般在 以下。以煤、焦為原料的常壓造氣工廠，很多也改用加壓變換，以降低能耗，用粉煤加壓氣化做原料氣，其變換壓力一般在 以下，以油渣為原料最高壓力已達(dá) 。 CO 變換流程，對(duì)與固定層煤氣化裝置配套時(shí)，所用設(shè)備較多。與部分氧化法急冷流程相配套時(shí)，流程較簡單，只需要在流程中設(shè)置變換爐和換熱設(shè)備即可。 6 將半水煤氣經(jīng)過增濕加熱，在一定的溫度和壓力下變換爐內(nèi)，借助催化劑的催化作用，使 半水煤氣中的一氧化碳（ 28%）與水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?。和氫?制得合格的變換氣（ CO%），以滿足后工段的工藝要求。 一氧化碳與水蒸氣在催化劑上變換生成氫和二氧化碳的過程為一氧化碳的變換，這一過程很早就用于合成氨工業(yè)，在合成氨生產(chǎn)中，由于制取氣的生產(chǎn)成本中占加大的比重。因此，要盡一切可能設(shè)法獲得更多的氫氣，煤氣中的一氧化碳對(duì)于合成氨催化劑有嚴(yán)重的毒害，必須設(shè)法除去。利用一氧化碳與水蒸氣作用生成氫和二氧化碳的反應(yīng)，可以增加合成氨原料煤氣中氫氣的含量；根據(jù)不同的催化劑和工藝條件。煤氣中的一氧化 碳含量可以降低為 %～ %，由于二氧化碳的除去較一氧化碳要容易的多，這樣就簡化了煤氣的精制過程。同時(shí)，經(jīng)過回收后可以作為生產(chǎn)尿素、純堿等的原料，因此，一氧化碳變換反應(yīng)在合成氨工業(yè)中具有重要的意義。 從小氮肥生產(chǎn)的發(fā)展趨勢來看，發(fā)展方向是回收能量，另一方面是研究新型催化劑。 此次設(shè)計(jì)的目的有二： 一是必須達(dá)到所要求的變換率，即出口一氧化碳的百分含量為 4%； 另一方面是極可能地回收熱量。變換率的實(shí)現(xiàn)是通過中溫變換實(shí)現(xiàn)的，能量回收是利用第二熱水塔，飽和熱水塔等設(shè)備回收能量。 原理 一氧化碳變換的反 應(yīng)式為 2 2 2C O + H C O + H + 4 1 k J k m o l催 化 劑 一氧化碳變換為可逆反應(yīng)，因此應(yīng)盡可能使反應(yīng)向有利于生成氫和二氧化碳的方向進(jìn)行，而殘余的一氧化碳則在以后的工序中用銅氨液洗滌去等除去。 變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度可促使反應(yīng)平衡向左方移動(dòng)，降溫則向右移。因此，反應(yīng)溫度愈低，愈有利于變換反應(yīng)，但降溫必須與反應(yīng)速度和催化劑的性能一并考慮，反應(yīng)溫度必須在催化劑的使用溫度范圍內(nèi)選擇。 變換反應(yīng)使等分子反應(yīng)，因此從反應(yīng)平衡看， 提高變換壓力，對(duì)反應(yīng)平衡 沒有影響 。但 加壓對(duì)析碳等副反應(yīng)卻是有利的。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來看， 提高變換壓力使得分子間的有效碰撞次數(shù)增加，可以加快變換反應(yīng)速度，提高催化劑的生產(chǎn)能力。 當(dāng)變換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)一氧化碳的變換率叫做平衡變換率，蒸汽比對(duì)平衡變換率的影響：隨著蒸汽比的提高，平衡變換率增加，但增加的趨勢是先快而慢，當(dāng)蒸汽比提高到某一段數(shù)值后，平衡變換率的升高就很慢了，因此在蒸汽比過低的情況下，提高蒸汽比對(duì)提高平衡變換率和反應(yīng)速度有利，但過高的蒸汽比則在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。 由固體原料間歇制氣制得的半水煤氣中含有 CO（ 在本設(shè)計(jì)中體積比為 %）， 7 CO 并不是合成氨生產(chǎn)的原料氣反而會(huì)使合成氨觸媒中毒。因此，在合成前必須將它除掉。工業(yè)生產(chǎn)上采用在觸媒作用下，用水蒸氣與 CO 作用，大部分 CO 轉(zhuǎn)化為 CO2，同時(shí)獲得合成氨所必須的氫氣。 由反應(yīng)式知： ① 反應(yīng)前后體積不變：從化學(xué)平衡角度來看，提高壓力不能使化學(xué)反應(yīng)向右移動(dòng)，但可以促進(jìn)分子間的有效碰撞，加快反應(yīng)速度，提高催化劑生產(chǎn)能力。 ② 反應(yīng)為一放熱反應(yīng)：降溫時(shí)反應(yīng)向右移動(dòng)，有利于 CO 變換，但觸媒只有在一定溫度下才具有較高的活性，所以，一般操作溫度都是根據(jù)觸媒活性溫度的不同而不同。一般中變溫度為 300～ 500℃ ③ 此為一可逆反應(yīng)：增加反應(yīng)物濃度可促進(jìn)正反應(yīng)進(jìn)行，故增加反應(yīng)物蒸汽的量可以使反應(yīng)向右進(jìn)行，有利于提高變換率， 且過量的水蒸氣還起到熱載體的作用。提高水蒸氣比例，含濕原料氣中 CO 含量下降，催化劑床層的溫升將減少，所以，改變水蒸氣的用量濕調(diào)節(jié)床層溫度的有效手段。 但 CO 變換率并不是與蒸汽量成正比增加。同時(shí)，蒸汽用量過多，會(huì)使?fàn)t溫不好控制而且不經(jīng)濟(jì)，所以要有適當(dāng)?shù)恼羝龋?中變操作時(shí)