【正文】 設(shè) 平均溫距為 20 ℃ ，則出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度為： t=223－ 20=203 ℃ 低變爐的熱量衡算 以知條件： 進(jìn)低 變爐催化床層的變換氣溫度為： 181 ℃ 。 表 216 進(jìn)中變爐二段變換氣干組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 中變爐二段催化床層的物料衡算： 設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為 （總轉(zhuǎn)化率） 。 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如 圖 23 所示 ： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 17 0102030405060708090100300 350 400 450溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 圖 23 中變爐催化劑反應(yīng)的操作線圖 中間冷凝過程的物料和熱量計(jì)算 此過程采用水來對(duì)變換氣進(jìn)行降溫。 Cp —— 氣體的等壓比熱容， kcal/（ kmol.℃ ） ( kJ/kmol)。 01250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 圖 22 最適宜溫度曲線圖 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 ℃ 。 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=。 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(shè)計(jì)壓力取 。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(hù)鈷鉬系耐硫催化劑的作用 。 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。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 2 變換過程需在高溫高壓使用催化劑條件下進(jìn)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(duì)合成氨成本的降低有重要意義。 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。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。在化學(xué)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)。 1． 3 合成氨工業(yè)概況 基本現(xiàn)狀 我國的氮肥工業(yè)自 20 世紀(jì) 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?fàn)t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。加壓中溫變換工藝主要特點(diǎn)是：采用低 溫高活性的中變催化劑，降低了工藝上對(duì)過量蒸汽的要求；采用段間冷激降溫，減少了系統(tǒng)的熱負(fù)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(luò)，合理利用熱能。 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(jìn)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。 (2)溫度 變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。本設(shè)計(jì)參考 自貢市鴻鵠化工廠的 生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。 故 V（水 ） =? Vco= m3(標(biāo) )， n(水 )= kmol。 進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 如表 26 所示 。 氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗(yàn)式 [8]： Cp=A0+A1T+A2T 2+A3T 3+?? 注： 式中 A0、 A A A3??氣體的特性常數(shù) 。 以知條件： 變換氣的流量： koml。 所以在 CO 的變化量為： = m3(標(biāo) ) = kmol 在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的 CO 的量為： （ ） = m3(標(biāo) ) = kmol 出中變爐二段催化床層的 CO 的量為： = M3(標(biāo) ) = kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后 剩余的 CO2的量為： += m3(標(biāo) ) = kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2 的量為： += m3(標(biāo) ) = kmol 所以在 二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量： V 總（干） =++++ = m3(標(biāo) ) = kmol 所以 出中變爐二段 催化床層的變換氣干組分 如表 217 所示 。 出低 變爐催化床層的變換氣溫度為： 203 ℃ 。 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》知當(dāng) Kp= 時(shí) t=223 ℃ 。 根據(jù)熱量平衡： Q2= X() X= kg = kmol = m3(標(biāo) ) 水的量為： += m3(標(biāo) ) = kmol 所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分 如表 215 所示 . 表 215 變換氣進(jìn)二段催化床層各組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算 已知條件： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 19 所以 進(jìn)中變爐二段催化床層的變換氣干組分 如表 216 所示 。 中變爐出口 CO 變換率 60%。 T—— 絕對(duì)溫度， K。 表 25 不同轉(zhuǎn)化率下的最適宜溫度表 Xp T 526 671 t 256 398 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如圖 22 所示 。 進(jìn)中變爐干氣壓力 中P = mpa。如要求在 %西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 6 左右，則將中變和低變串聯(lián)使用。一般小型氨廠操作壓力為 ～ ,中型氨廠為 ～ 。該流程與中變串低變相比，關(guān)鍵是增加了第一低變，填補(bǔ)了 280～ 250℃ 這一中變串低變所沒有的反應(yīng)溫區(qū)，充分利用了低變催化劑在這一溫區(qū)的高活性。 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(xué)方面生產(chǎn)磺胺類生物、維生素、蛋氨酸和其他氨基酸等 。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。 目的和意義 氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì) ，世界每年合成氨產(chǎn)量 已達(dá)到 1 億噸以上，其中約有 80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料， 20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。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(jìng)爭的能力 ,今后發(fā)展重點(diǎn)是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu) ,進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性。其中有兩種模式，一是 “ 水流程 ” 模式，二是 “ 汽流程 ” 模式。低變爐各段進(jìn)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(yīng)平衡。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對(duì)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(dòng)力變小，對(duì)反應(yīng)速率不利，可見溫度對(duì)兩者的影響是相反的。從壓縮工段來的半水煤氣進(jìn)入飽和熱水塔，在飽和塔中半水煤氣從 30℃ 升溫 到 109℃ ，在飽和塔出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到 3 到 5 之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 3%以下。 因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 如 23 所示 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 11 表 26 進(jìn)中變爐一段的變換氣濕氣組分表 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計(jì) 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(shí)際變換率為 60％ 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 14 將式代入式積分可得統(tǒng)一基準(zhǔn)焓的計(jì)算通式： Ht=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 (28) 注 :式中常數(shù) a0、 a a a a4與氣體特性常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱的關(guān)系為： a1=A0， a2=A1/2，a3=A3/4， a4=A3/4， a0=△ H0298－ － a2－ a 3－ a 4。 設(shè)冷 凝 水的流量： X kg。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 20 表 217 變換氣出中變爐二段時(shí)變換氣干組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 故在二段催化床層反應(yīng)后 剩余的 H2O 的量為： = m3(標(biāo) ) = kmol 故出中變爐二段催化床層的變換氣濕組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得 ： CO2％ = =% H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% H2O％ = =% 所以出中變爐的濕組分 如 218 所示 。 變換氣反應(yīng)放熱 Q： 在 203 ℃ 時(shí)， T=476 K。 表 230 變換氣出低變爐時(shí)濕氣的各組分含量表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol 對(duì)出底 變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)： Kp=（ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） 計(jì)算得 Kp=。 取熱損失為 Q2。 中變爐入口 CO 變換率 0。 △ H0298 —— 該氣體在 25℃ 下的標(biāo)準(zhǔn)生成熱， kcal/kmol( kJ/kmol)。 最適宜 溫度計(jì)算結(jié)果列于下表 (25)中 。 表 22 進(jìn)中變爐的變換氣干氣組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計(jì) 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 ℃ 。如允許變換氣中殘余 CO 體積分?jǐn)?shù)在 3%左右，只采用中變即可。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點(diǎn)，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。這樣充分發(fā)揮了中變催化劑和低變催化劑的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了最佳組合，達(dá)到了能耗低、阻力小、操作方便的理想效果。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]。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。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用 。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論 文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 合成氨 變換工段是指 CO 與水蒸氣反應(yīng)生成 CO2和 H2的過程。 發(fā)展趨勢(shì) 根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析 ,估計(jì)未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變 ,其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期 ,改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo) ,進(jìn)一步集中在 “大型化、低能耗、