【正文】 合成氨廠變換車間工藝設計摘要：本設計主要是對合成氨工廠變換工段的設計，此設計選用中變串低變工藝流程。工藝計算過程主要包括物料衡算，能量衡算以及設備選型計算等。關(guān)鍵詞：合成氨；變換；計算The Technological Design on transform System for Ammonia PlantAbstract：This design was mainly for the synthetic ammonia plant shift conversion section. The technological process used the middle temperature change first ，and then used the low temperature change .Process calculation mainly included material balance, energy balance and equipment selection.Key words: ammonia synthesis, transform , calculation.目 錄第1章 緒 論 1 概述 1 目的和意義 1 合成氨工業(yè)概況 2 基本現(xiàn)狀 2 發(fā)展趨勢 2 應用領(lǐng)域 2 變換工藝介紹 3 中溫變換工藝 3 中串低變換工藝 3 中低低變換工藝 3 全低變工藝 4 變換工藝的選擇 4 工藝原理 4 工藝條件 4 工藝流程確定 5 主要設備的選擇說明 6第2章 物料與熱量衡算 7 已知生產(chǎn)條件 7 水氣比的確定 7 中變爐CO的實際變換率的求取 8 中變爐催化劑平衡曲線 9 最佳溫度曲線的計算 10 中變爐一段催化床層的物料衡算 10 中變爐一段催化床層的物料衡算 11 對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進行估算 13 中變爐一段催化床層的熱量衡算 13 中變一段催化劑操作線的計算 16 中間冷凝過程的物料和熱量計算 17 中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算 18： 19 中變爐二段催化床層的熱量衡算： 21 中變爐物料、熱量恒算結(jié)果列表 23 低變爐的物料與熱量衡算 24 低變爐的物料衡算 24 低變爐的熱量衡算 26 低變爐催化劑平衡曲線 28 最佳溫度曲線的計算 29 廢熱鍋爐的熱量和物料衡算 30 水蒸汽的加入 32 主換熱器的物料與熱量的衡算 33 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量衡算 34第3章 設備的選型 36 中變爐的計算 36 36 36 第二段床層觸媒用量 37 觸媒直徑的計算 39 41 41 設備直徑與管板的確定 42 傳熱系數(shù)的驗算 42 殼側(cè)對流傳熱系數(shù)計算 44 總傳熱系數(shù)核算 45 45 其他主設備 46第4章 設備一覽表 47參考文獻 48致 謝 49第1章 緒 論 概述氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于化學肥料的生產(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?。辉蠚獾膬艋c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，所以必須進行凈化處理，通常先經(jīng)過CO變換反應，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[1]。變換工段是指CO與水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的過程。變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因為能否正常生產(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。 目的和意義氨是重要的無機化工產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。隨著世界人口的不斷增加，用于制造尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨以及其他化工產(chǎn)品的氨用量也在增長。在化學工業(yè)中，合成氨工業(yè)已經(jīng)成為了重要的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，世界每年合成氨產(chǎn)量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。合成氨變換工段是指CO與水蒸氣反應生成CO2和H2的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分數(shù)一般為12%~40%[2]。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換反應如下：。由于CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利于回收反應熱，并控制變換段出口殘余CO含量。第一步是高溫變換，使大部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，%左右。因此，CO變換反應既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。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[1]。所謂中變串低變流程，就是在B106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，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。變換過程需在高溫高壓使用催化劑條件下進行，因此變換工序是合成氨生產(chǎn)的高成本工序,其成本降低對合成氨成本的降低有重要意義。1．3 合成氨工業(yè)概況我國的氮肥工業(yè)自20世紀50年代以來,不斷發(fā)展壯大,目前合成氨產(chǎn)量已躍居世界第一位,已掌握了以焦炭、無煙煤、焦爐氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨、尿素的技術(shù),形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。目前合成氨總生產(chǎn)能力為5000萬噸/年左右[3],氮肥工業(yè)已基本滿足了國內(nèi)需求,在與國際接軌后,具備與國際合成氨產(chǎn)品競爭的能力,今后發(fā)展重點是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),進一步改善經(jīng)濟性。 發(fā)展趨勢根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析,估計未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變,其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運行周期,改善經(jīng)濟性”的基本目標,進一步集中在 “大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術(shù)的研究開發(fā)[4]。大型化、集成化、自動化,形成經(jīng)濟規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向[5]。單系列合成氨裝置生產(chǎn)能力將從2000t/d提高至4000~5000t/d。以天然氣為原料制氨噸氨能耗已經(jīng)接近了理論水平,今后難以有較大幅度的降低,但以油、煤為原料制氨,降低能耗還可以有所作為。在合成氨裝置大型化的技術(shù)開發(fā)過程中,其焦點主要集中在關(guān)鍵性的工序和設備,即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術(shù)、合成氣壓縮機[6]；在低能耗合成氨裝置的技術(shù)開發(fā)過程中,其主要工藝技術(shù)將會進一步發(fā)展；實施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產(chǎn)過程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物,實現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術(shù)將日趨成熟和不斷完善；提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的可靠性,延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率、延長運行周期”的技術(shù),包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進控制技術(shù)等將越來越受到重視。 應用領(lǐng)域氨在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，現(xiàn)在約有80%的氨用來制造化學肥料，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氨肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、氨水以及各種含氨混肥和復肥，都是以氨為原料的[2]。氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學纖維和塑料。從氨可以制的硝酸，繼而再制造硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纖維素等。在化纖和塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿酸作為氮源，生產(chǎn)已內(nèi)酰胺，己二胺、人造絲、全脂樹脂和脲醛樹脂等產(chǎn)品[7]。氨的其他工業(yè)用途也十分廣泛，例如作為制冰、空調(diào)、冷藏等系統(tǒng)的制冷劑，在冶金工業(yè)中用來提煉礦石中的銅、鎳等金屬，在醫(yī)藥和生物化學方面生產(chǎn)磺胺類生物、維生素、蛋氨酸和其他氨基酸等。 變換工藝介紹 中溫變換工藝中溫變換工藝早期均采用常壓，經(jīng)節(jié)能改造，現(xiàn)在大都采用加壓變換。加壓中溫變換工藝主要特點是：采用低溫高活性的中變催化劑，降低了工藝上對過量蒸汽的要求；采用段間冷激降溫，減少了系統(tǒng)的熱負荷和阻力，減小外供蒸汽量；合成與變換，銅洗構(gòu)成第二換熱網(wǎng)絡，合理利用熱能。其中有兩種模式，一是“水流程”模式，二是“汽流程”模式。前者指在合成塔后設置水加熱器以熱水形式向變換系統(tǒng)補充熱能，并通過變換工段設置的兩個飽和熱水塔使自產(chǎn)蒸汽達到變換反應所需的汽氣比。后者在合成塔設后置式鍋爐或中置式鍋爐產(chǎn)生蒸汽供變換用，變換工段則設置第二熱水塔回收系統(tǒng)余熱供精煉銅液再生用；采用電爐升溫，革新了變換工段燃燒爐升溫方法，使之達到操作簡單、平穩(wěn)、省時、節(jié)能效果。 中串低變換工藝所謂中溫變換串低溫變換流程，就是在B107等FeCr系催化劑之后串入CoMo系寬溫變換催化劑[1]。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，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。根據(jù)催化劑低溫性能，低變爐入口溫度可控制在180～230℃。這樣，由于催化劑終態(tài)溫度降低，可以減少蒸汽添加量，達到節(jié)能的效果。另外，由于變換效率的提高，合成氨產(chǎn)量可以相對增加。與中變流程相比,中串低工藝蒸汽消耗下降,飽和塔負荷減輕。 中低低變換工藝中低低流程是在一段鐵鉻系中溫變換催化劑后直接串二段鈷鉬系耐硫變換催化劑，利用中溫變換的高溫來提高反應速率，脫除有毒雜質(zhì)，利用兩段低溫變換提高變換率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。這樣充分發(fā)揮了中變催化劑和低變催化劑的特點，實現(xiàn)了最佳組合，達到了能耗低、阻力小、操作方便的理想效果。該流程與中變串低變相比，關(guān)鍵是增加了第一低變，填補了280～250℃這一中變串低變所沒有的反應溫區(qū)，充分利用了低變催化劑在這一溫區(qū)的高活性。比全低變工藝操作穩(wěn)定在于中低低工藝以鐵鉻系中變催化劑為凈化劑，過濾煤氣中氧和油污，起到了保護鈷鉬系耐硫催化劑的作用。 全低變工藝全低變工藝是全部采用低溫活性鈷鉬系變換催化劑進行一氧化碳變換的工藝過程，作為一種節(jié)能新工藝, 節(jié)能降耗的效果顯著。低變爐各段進口溫度均在200℃左右，床層溫度比傳統(tǒng)的床層溫度下降100～300℃，有利于變換反應平衡。汽氣比降低，蒸汽消耗大幅下降，在幾種變換流程中蒸汽消耗最低。熱回收率高，有效能損失小，熱交換設備換熱面積可減少1/2左右。與原高變催化劑比較，催化劑用量可以減少一半以上，降低了變換爐床層阻力，降低了壓縮功耗。余熱回收效果好。催化劑段間換熱等用水加熱器逐級回收、逐級加熱飽和熱水塔循環(huán)熱水，出飽和塔半水煤氣的溫度及飽和度高，出熱水塔變換氣溫度可降到100℃以下。 變換工藝的選擇 工藝原理一氧化碳變換反應式為： (1) (2)其中反應（1）是主反應，反應（2）是副反應，為了控制反應向生成目的產(chǎn)物的方向進行，工業(yè)上采用對式反應（1）具有良好選擇性催化劑，進而抑制其它副反應的發(fā)生[8]。一氧化碳與水蒸氣的反應是一個可逆的放熱反應，反應熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應式： （3） 工藝條件(1)壓力壓力對變換反應的平衡幾乎沒有影響，但是提高壓力使析炭和生成甲烷等副反應易于進行。單就平衡而言，加壓并無好處，但從動力學角度，加壓可提高反應速率。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行變換的能耗，比常壓變換再進行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機投各段壓力的合理配置而定?！?～。(2)溫度變化反應是可逆放熱反應。從反應動力學的角度來看，溫度升高，反應速率常數(shù)增大對反應速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 CO平衡含量增大，反應推動力變小，對反應速率不利，可