【正文】 題 目 年產(chǎn)五萬噸合成氨變換工段工藝初步設計 一、設計（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，以及主要設備的選擇說明，對本設計的評述。 計算部分 包括物料衡算，熱量衡算，有效能利用率計算，主要設備計算。 圖紙 帶控制點的工藝流程圖。二、設計（論文）的原始數(shù)據(jù)：天然氣成分：以鴻化廠的實際工作數(shù)據(jù)為依據(jù)來進行。年工作日330天,其余數(shù)據(jù)自定。三、參考資料及說明： 《化工工藝設計手冊》（上、下冊）、《氮肥工藝設計手冊》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與設計手冊》、《合成氨工學》、《化工制圖》、《化工原理》、《化學工程》、《化工設計概論》以及關于氮肥的其他相關雜志。目 錄1. 前言………………………………………………………………………………42. 工藝原理…………………………………………………………………………43. 工藝條件…………………………………………………………………………54. 工藝流程的確定…………………………………………………………………65. 主要設備的選擇說明……………………………………………………………66. 對本設計的綜述…………………………………………………………………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………………………………………………………81．確定轉化氣組成…………………………………………………………………82．水汽比的確定……………………………………………………………………83．中變爐一段催化床層的物料衡算………………………………………………94．中變爐一段催化床層的熱量衡算………………………………………………115．中變爐催化劑平衡曲線…………………………………………………………136. 最佳溫度曲線的計算……………………………………………………………147．操作線計算……………………………………………………………………158．中間冷淋過程的物料和熱量計算……………………………………………169．中變爐二段催化床層的物料衡算 ……………………………………………17……………………………………………18第二節(jié) 低變爐的物料與熱量計算………………………………………………19第三節(jié) 廢熱鍋爐的熱量和物料計算……………………………………………24第四節(jié) 主換熱器的物料與熱量的計算…………………………………………26第五節(jié) 調溫水加熱器的物料與熱量計算……………………………………28第二章 設備的計算………………………………………………………………291. 低溫變換爐計算………………………………………………………………292. 中變廢熱鍋爐…………………………………………………………………31參考文獻及致謝………………………………………………………………… 35前 言 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：一氧化碳變換反應式為：CO+H2O=CO2+H2+Q (11) CO+H2 = C+H2O (12) 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—1）具有良好選擇性催化劑，進而抑制其它副反應的發(fā)生。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：H2+O2=H2O+Q 工藝條件：壓力對變換反應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。,~。本設計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉化而來，.： 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，可見溫度對兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學角度推導的計算式為Tm=式中Tm、Te—分別為最佳反應溫度及平衡溫度，最佳反應溫度隨系統(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/。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，加速變換反應的進行。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，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；CO停留時間縮短，余熱回收設備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=3～5，經(jīng)反應后，中變氣中H2O/CO可達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。本設計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。轉化氣從轉化爐進入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從920℃降到330℃，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達到3到5之間，以后再進入中變爐將轉換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉換氣的溫度降到180℃左右，%以下，再進入甲烷化工段。 主要設備的選擇說明 中低變串聯(lián)流程中，主要設備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低變爐選用C6型催化劑。以上設備的選擇主要是依據(jù)所給定的合成氨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料氣中碳氧化物的含量以及變換氣中所要求的CO濃度。對本設計評述天然氣變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關鍵的一步，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的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件，使轉化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要求。在本設計中，根據(jù)已知的天然氣組成，操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。首先對中，低變進行了物料和熱量衡算，在計算的基礎上，根據(jù)計算結果對主要設備選型，最終完成了本設計的宗旨。設計中一共有中溫廢熱鍋爐，中變爐，主換熱器，調溫水換熱器，低變爐幾個主要設備。 由于天然氣變換工段工序是成熟工藝，參考文獻資料較多，在本設計中，主要參考了《小合成氨廠工藝技術與設計手冊》和《合成氨工藝學》這兩