【正文】 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目 年產(chǎn)三萬噸合成氨廠變換工段設(shè)計 作 者 系 別 材料與化學(xué)工程系 專 業(yè) 無 機(jī) 化 工 011 指 導(dǎo) 教 師 接受任務(wù)日期 2020 年 2 月 28 日 完成任務(wù)日期 2020 年 6 月 1 日 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 題 目 年產(chǎn) 3 噸合成氨廠變換工段設(shè)計 作 者 系 別 材料與化學(xué)工程系 專 業(yè) 無 機(jī) 化 工 指 導(dǎo) 教 師 接受任務(wù)日期 2020 年 2 月 28 日 完成任務(wù)日期 2020 年 6 月 1 日 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 材 化 系 無 機(jī) 化 工 專業(yè) 01 級 1 班 題 目 年產(chǎn) 3 噸合成氨廠變換工段設(shè)計 起訖日期 2020 年 2 月 28 日起至 2020 年 6 月 1 日止 指導(dǎo)老師 教研室主任 系主任 學(xué)生姓名 批準(zhǔn)日期 2020 年 2 月 28 日 接受任務(wù)日期 2020 年 2 月 28 日 完成任務(wù)日期 2020 年 6 月 1 日 一． 計要求 ： 1. 進(jìn)行工段工藝流程設(shè)計，繪制帶主要控制點的工藝流程圖。 2. 進(jìn)行工段物料計算、熱量計算，并繪制物料衡算表、熱量衡算表 。 3. 進(jìn)行工段設(shè)備設(shè)計、選型，制備設(shè)備一覽表。 4. 編寫工段工藝初步設(shè)計說明書。 5. 繪制主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。 二． 設(shè)計原始數(shù)據(jù)： 以在自貢 市鴻鶴化工廠的實際數(shù)據(jù)為 原始數(shù)據(jù) 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量，％ 100 目錄 說明書……………………………………………………………………… 4 前言 ………………………………………………………………………………… 4 ………………………………………………………………………… 4 2. 工藝條件 … ……… ……………………………………………………………… 4 3. 工藝流程的選擇 ……… ………………………………………………………… 5 4. 主要設(shè)備的選擇說明 ………………………………………………………… 5 5. 工藝流程的說明 ……………………………………………………………… 6 第一章 物料與熱量衡算 ………………………………………………… 7 1．水汽比的確定 …………………………………………………………… …… 7 2．中變爐 CO 的實際變換率的求取 ……………………………… ……………… 8 3．中變爐催化劑平衡曲線 …………………………………… ………………… 9 4. 最佳溫度曲線的計算 ……… ……………………………… ………………… 10 5．中變爐一段催化床層的物料衡算 ………………………………… ………… 11 6．中變一段催化劑操作線的計算 ……………………… ……………………… 17 7．中間冷淋過程的物料和熱量衡算 ……………………………………… …… 17 8．中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算 … ………………………………… 19 9．中變二段催化劑操作線計算 ……………………………………………… 23 …………………………………………………… 24 11 低變催化劑操作線計算 …… ………………………………………………… 29 12 低變爐催化劑平衡曲線 ……………………………………………………… 29 ………………………………………………………… 30 14 廢熱鍋爐的物料和熱量衡算 ………………………………………………… 31 ……………………………………………………………… 34 16 主換熱器的物料與熱量的衡算 ……………………………………………… 34 …………………………………………… 36 第二章 設(shè)備的計算 …… ……………………………………………………… 37 1. 中變爐的計算 ………………………………………………………………… 37 2. 主換熱器的計算 ………………………………………………………………… 42 設(shè)計的綜述 ……………… ……… …………………………………………………… 6 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………… 49 致謝 ………………………………………………………………………………… 50 第一章 物料與熱量衡算 已知條件： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量，％ 100 計算 基準(zhǔn)： 1 噸氨 計算生產(chǎn) 1 噸氨需要的 變換氣量： （ 1000/17） （ 2 ） = M3(標(biāo) ) 因為在生產(chǎn)過程中物料可能會有損失，因此變換氣量取 M3(標(biāo) ) 年產(chǎn) 3 萬噸合成氨生產(chǎn)能力（一年連續(xù)生產(chǎn) 330 天）： 日生產(chǎn)量： 30000/330=要求出中變爐的變換氣干組分中 CO％小于 2％。 進(jìn)中變爐的變換氣干組分： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量，％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 假設(shè)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為 330℃，取 變化氣 出爐與入爐的溫差為 35℃，出爐的 變換氣溫度為 365℃。 進(jìn)中變爐干氣壓力 中P =. 1．水氣比的確定 ： 考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取 H2O/CO= 故 V（水） =? V 水 =(標(biāo) ) ， n(水 )= 因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol CO 的實際變換率的求取： 假定濕轉(zhuǎn)化氣為 100mol，其中 CO 濕基含量為 ％，要求變換氣中 CO 含量為 2％，故根據(jù)變換反應(yīng)： CO+H2O＝ H2+CO2， 則 CO 的實際變換率公式為： Xp％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100 （ 21） 式中 aY 、 39。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 所以： Xp= ? ?? ? ?? ?? =74％ 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： 74％ = 則反應(yīng)后的各組分的量分別為： H2O％ =％ ％ +％ =23％ CO％ =％ ％ =％ H2％ =％ +％ ％ =％ CO2％ =％ +％ =％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《 小合成 氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 》可知 Kp=12 時溫度為 397℃。 中變的平均溫距為 397℃ 365℃ =32℃ 根據(jù)《合成氨工藝與節(jié)能 》可知中溫變換的平均溫距為： 30℃到 50℃，中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO 可用。 3．中變爐催化劑平衡曲線 根據(jù) H2O/CO=，與文獻(xiàn)《 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 》上的公式 XP=AWqU2? 100％ V=KPABCD q= WVU 42 ? U=KP（ A+B） +（ C+D） W=KP1 其中 A、 B、 C、 D 分別代表 CO、 H2O、 CO2 及 H2 的起始濃度 計算結(jié)果列于下表： t 300 320 340 360 380 400 T 573 593 613 633 653 673 Xp t 420 440 460 T 693 713 733 Xp 中變爐催化劑平衡曲線如下： 0102030405060708090100300 350 400 450 500溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 由于中變爐選用 C6 型催化劑， 最適宜溫度曲線由式1212ln1 EEEE RTTTmee??? 進(jìn)行計算。 查《 3000 噸合成氨廠工藝和設(shè)備計算》 C6 型催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能分別為E1=10000 千卡 /公斤分子， E2=19000 千卡 /公斤分子。 最適宜 溫度計算結(jié)果列于下表中： Xp T 526 t 256 Xp T 671 t 398 Xp T t 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： 01250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 5．中變爐一段催化床層的物料衡算 已知條件： 進(jìn)中變爐一段催化床層 的變換氣的溫度為 330℃ 進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分： 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 中變爐一段催化床層的物料衡算 假設(shè) CO 在一段催化床 層的 實際變換率為 60％ 假使 O2 與 H2 完全反應(yīng)， O2 完全反應(yīng)掉 故在一段催化床層反應(yīng)掉的 CO 的量為： 60％ = M3(標(biāo) ) = 出 一段催化床層的 CO 的量為： = M3(標(biāo) ) = 故在一段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2 的量為： + = M3(標(biāo) ) = 故在一 段催化床層反應(yīng)后 剩余的 CO2 的量為： += M3(標(biāo) ) = 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干） =++++ = M3(標(biāo) ) 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得： CO2％ ==% H2％ ==% CO2％ ==% N2％ ==% CH4％ ==% 所以 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分： 組 分