【正文】 ............18 第一換熱器熱量衡算 .................................................................................................................20 第二換熱器熱量衡算 .................................................................................................................20 第一變換爐的熱量衡算 .............................................................................................................21 第二變換爐的熱量衡算 .............................................................................................................22 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................................23 致 謝 .................................................................................................................................................24 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 章 合成氨概述 合成氨的生產(chǎn)過程 20 世紀(jì)初，德國物理化學(xué)家哈勃（ ） 成功的采用化學(xué)合成的方法，將 氫氮氣通過催化劑的作用，在高溫高壓下制取氨。 設(shè)計專題 （ 畢業(yè)論 文） 指 導(dǎo) 教 師 陳 宇 系（部）主 任 吳 濟(jì) 民 20xx 年 3 月 15 日 平頂山工業(yè)職 業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文）答 辯 委 員會記錄 化工 系 煤炭深加工與利用 專業(yè) ， 學(xué) 生 劉冬冬 于 20xx 年 月 日 進(jìn) 行了 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文）答 辯 。 編 制 設(shè)計 B并且對第一和第二變換爐進(jìn)行熱量和能量衡算，對催化劑裝填量進(jìn)行計算，掌握變換系統(tǒng)的工藝方法以提高從造氣工序生 產(chǎn)出的粗煤氣中的氫含量，降低其中的一氧化碳含量。 氨的性質(zhì) 合成氨別名：氨氣。當(dāng)溫度 250C、壓力 1MPa 時，氣態(tài)氨可液化為無色的液氨。 氨的用途 合成氨主要用作 化肥 、冷凍劑和化工原料。氫氣的主要來源是水和碳?xì)浠衔镏械臍湓?，以及含氫的工業(yè)氣體。一氧化碳的清除一般分為兩次。最后，殘余的一氧化碳再通過銅氨液洗滌法、液氮洗滌法或甲烷平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 化法等方法 加以脫除。氨的用途很廣。 氨是氮肥的主要原料，可生產(chǎn)尿素、硫酸銨、硝酸銨、碳酸氫銨等；氨還可用來生產(chǎn)多種復(fù)合化肥，如磷酸氫銨等?；净瘜W(xué)工業(yè)中的硝酸、純堿、各種含氮無機(jī)鹽，有機(jī)化學(xué)中的各種含氮中間體。制造三硝基甲苯、三 硝基苯酚、硝化甘油、硝化纖維等多種炸藥都要消耗大量的氨。隨著科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)各部門中的作用必將日益顯著。 1901 年法國物理化學(xué)家呂原料氣凈化方法的革新及合成塔的改造等，但工藝路線沒有大的變化。但是，單位氨產(chǎn)量的能量消耗、勞動生產(chǎn)率等方面和工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距。 晉開集團(tuán)合成氨的生產(chǎn)方法 晉開煤化工集團(tuán)有限責(zé)任公司是我國于 20 世紀(jì) 60 年代初從國外成套引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備而興建的，以煤為原料生產(chǎn)合成氨，尿素。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 章 工藝說明 工藝目的 本工藝為年產(chǎn)三十萬噸合成氨裝置中的一氧化碳變換工序，目的是為了提高從造氣工序生產(chǎn)出的粗煤氣中的氫含量，降低其中的一氧化碳含量。最后，少量的 CO 再通過其他凈化法加以脫除。在不能降低反應(yīng)溫度條件下，片面追求降低 CO 濃度，將會造成 極大的蒸汽浪費。首先，在反應(yīng)初期， x 很小，但對應(yīng)的 Tm 很高，且已超過了催化劑的耐熱溫度。生產(chǎn)上控制變換反應(yīng)溫度應(yīng)遵循如下兩條原則。隨著催化劑使用時間的增長，因催化劑活性下降，操作溫度應(yīng)適當(dāng)提高。對變換發(fā)應(yīng)，由于整個反應(yīng)過程變換率較大，反映前期與后期單位催化床所需排出的熱量想差甚遠(yuǎn)，故主要采用多段換熱式。變換反應(yīng)可用的冷激介質(zhì)有；冷原料氣，水蒸汽及冷凝水。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(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)推動力變小，對反應(yīng)速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。另外由于煤氣被水蒸氣飽和，出口溫度還要高出露點溫度 2530℃。因此，應(yīng)該充分利用變換的反應(yīng)熱，直接回收蒸汽，以降低水蒸氣的消耗。 壓力對變換反應(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。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)行壓縮的能耗低。本合成氨裝置采用低溫甲醇洗﹙ 65℃ ﹚ 脫硫脫碳以及液氮洗脫除一氧化碳、甲烷，和甲烷蒸汽轉(zhuǎn) 化的工藝路線。據(jù)介紹，低變催化劑中的硫含量只要達(dá)到 ％，其活性將下降一半，原料氣中硫含量即使只有 110 6，也會使催化劑中毒而失去活性，大大縮短使用壽命。 本合成氨流程低溫甲醇洗脫硫脫碳工序放到了變換工序之后決定了在變換爐中必須采用耐硫催化劑，并且按熱量能級順序首先進(jìn)行變換反應(yīng)，然后 再 進(jìn)行低溫甲醇洗，降低了合成系統(tǒng)的能耗。變換熱利用的合理性，不僅體現(xiàn)在熱能的充分回收上，還表現(xiàn)在熱能盡可能不降級使用，即較高溫度（較高能級）的熱能加熱高溫物料或直接生產(chǎn)蒸汽，低溫余熱用于加熱低溫物料，使能級不同的變換熱能做到物盡其用，獲得最大的回收效益。 核算 核算：從造氣工序來的粗煤氣中的水蒸汽對變換反應(yīng)是否充足。通常情況下，反應(yīng)器入口要高出催化劑起活溫度 10 ~30℃，另外由于煤氣被水蒸氣飽和，出口溫度還要高出露點溫度 25 ~30℃。為了充分利用催化劑的活性范圍，我們將第一變換爐入口的溫度定為 330℃，把第一變換爐出口溫度定為 410℃ 。 在 370℃時，常壓下各組分的平均定壓熱容： 表 4— 1 組分 CO2 CO H2 H2O CH4 N2 Cp kcal/kmol,℃ 濕煤氣在 370℃ ，常壓下的分子熱容： CP0=ΣyiCpi=+++++= kcal/kmol,℃ 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 由《氮肥設(shè)計手冊》，查出各氣體的臨界溫度，臨界壓力： 表 4— 2 組分 CO2 CO H2 H2O CH4 N2 Tc,K 133 647 190 Pc,atm 利用上表中的數(shù)據(jù)，可以求得在進(jìn)口組成的虛臨界值： Tc= Σ = +133 + +647 ++ =326K Pc= Σ = + + + ++ = 設(shè)入口壓力 := 則可以求得入口狀態(tài)下的： 對比溫度： 326643 ??? Cr TTT 對比壓力： 02 ??? cr ppP 查熱容校正圖： Δ Cp=℃ 由熱平衡關(guān)系，求第一變換爐出口氣體變換率： )(. 120xx2 xxC COHttt PR ???????? 式中 12,tt ：出，進(jìn)催化劑床氣體溫度 ℃ 12,xx ：出，進(jìn)催化劑床氣體的變換率 PC ：進(jìn)催化劑床氣體在平均溫度 ( 221 tt? )下的熱容 kcal/kmol BG ?66 型催化劑： TK ?? 式中 T 為熱力學(xué)溫度， K為反應(yīng)速度常數(shù) 第一變換爐催化劑用量的計算： 入t =330℃ 出t =410℃ 平均t = 2410330? =370℃ (643K) lgKP= ? KP= 根據(jù) ??K 33 ./22 00 0 mhNmK ? 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） W=KP1== u=KP(A+B)+(C+D)= (+)+(+) = V=KPABCD= = q= WVu 42? = x== τ 0=????????????????????? ????? =? 410? h VR=10 4 820xx= m3 第二變換爐催化劑量的計算： t平均 = 2337305? =321℃ (594K) lgKP= ? KP= 根據(jù) ??K 33 ./1727 6 mhNmK ? w=KP1== u=KP(A+B)+(C+D)= (+)+(+) = V=KPABCD= = q== WVu 42? = x== τ 0=????????????????????? ?????6 5 6 0 2 6 5 6 0 2 6 5 6 0 2 3 9 4 2 6 5 6 0 2 3 9 3 4 6 5 6 7 2 7 65 4 2 =? 104h VR= 104 820xx= m3 變換爐催化劑用量：（修正到與實際裝填量相同） 第一變換爐備用系數(shù)取 ，第二變換爐備用系數(shù)取 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） V1= =32 m3 V2= =32 m3 V=32+32=64m3 第 5 章 熱量衡算 第二換熱器進(jìn)口煤氣溫度的計算 以 1kmol 濕煤氣為基準(zhǔn)： t,待求 粗煤氣 181℃ 粗煤氣 228℃ 第二變換爐 337℃ 變換氣 由 410℃降到 305℃，平均溫度為 ℃