【正文】 變換爐結(jié)構(gòu)計算 筒體 厚度的 計算 筒體厚 度 的確定 [17]： 筒體材料采用 16MnR。 粗煤氣（干基）的主要成分（體積） 見表 ： 表 粗煤氣（干基）的主要成分（體積） 組成 N2 CO CH4 CO2 H2 合計 含量％ 100 要求：出變換工序的 CO 含量要達到 ％（干基）。 （ 2）水蒸氣含量的影響 ： 適度增加水蒸氣的含量，也就提高了反應(yīng)物濃度，有利于變換反應(yīng)的進行，魯奇爐產(chǎn)生的高水汽比煤氣含有的水蒸氣，足以滿足反應(yīng)的需要。因此降低反應(yīng)溫度和增加蒸汽用量都可降低變換氣中 CO 的平衡濃度，若溫度高，蒸汽量少，將不利于變化反應(yīng)甚至還可能發(fā)生逆變換反應(yīng)過程 [5]。本設(shè)計就是采用這種流程。因此，煤炭是我國合成氨的主要原料來源。k） ] 電導(dǎo)率 /(s/m) 3105 化學(xué)性質(zhì) 氨在常溫時非常穩(wěn)定， 在 高溫、電火花或紫外線光的作用下可分解為氮和氫，其分解速度在很大程度上與氣體接觸的表面性質(zhì)有關(guān)。以氮和氫為原料合成氨，是目前世界上采用最廣泛，也是最經(jīng)濟的一種方法。 參考文獻 .................................................................................................................................. 49 I 年產(chǎn) 30 萬噸合成氨粗煤氣變換工段工藝設(shè)計 摘要： 本設(shè)計為年產(chǎn) 30 萬噸合成氨粗煤氣變換工段工藝設(shè)計， 變換工段是合成氨重要環(huán)節(jié)。不同流程的大中小型合成氨廠 1000 多個， 1999年總產(chǎn)量為 ，位居世界第一。 物理性質(zhì) 氨的主要物理性質(zhì) 氨極易溶于水，溶解時放出大量的熱，可產(chǎn)生含 NH315%~30%的氨水，氨水溶液是堿性，易揮發(fā)。氫氣一般常用含有烴類的各種燃料，即通過用焦炭、無煙煤、天然氣、重油等為原料與水蒸氣作用的方法來制取。低變出口一氧化碳可達 %以下，汽氣比可降至 。 工藝原理 一氧化碳和水蒸氣在催化劑的作用下反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣。 （ 1）反應(yīng)溫度的影響 ： 由化學(xué)反應(yīng)平衡移動原理可知，反應(yīng)溫度越低，越有利于 CO的變換，但工業(yè)生產(chǎn)中，降低反應(yīng)溫度和催化劑的性能綜合考慮，反應(yīng)開始時為提高反應(yīng)速度一般在比較高溫度下進行， 在反應(yīng)后段，為使反應(yīng)進行比較完全，必須降低反應(yīng)溫度。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。 （ 2）設(shè)計壓力 P=3MPa，設(shè)計溫度（壁溫） 400℃ 。 25 校核水壓試驗強度 根據(jù)《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》的計算方法 根據(jù)式 se eiTT Dp ??? ?? )( ?? ＋ (63) 式中， PT==3= mmCn 44e ??? ?? 則 M P aT 1 3 8442 443 2 0 ?? ??? ）（? 而 M ??? 可見 ST ??? ? ,所以水壓試驗強度足夠。 計算煤氣的成分 以 1kmol干煤氣為基準計算濕煤 氣的成分： 單位干煤氣里攜帶的蒸汽量為 則濕煤氣的成分為： N2： 0000 ??? CH4 ： 000 . ?? 10 CO： 0000 ??? CO2 ： 0000 32..2506. H2 ：0000 ??? H2O：0000 . 將上述列為表 （見表 ） ： 表 煤氣各成分含量 組成 N2 CO CH4 CO2 H2 H2O 合計 含量（％） 100 含量（ kmol） 1 中溫 變換爐溫升估算 [9] )()1( . 120xx2 xxnC COHttt P R ????????? （ 32） 式中 12,tt ：出、進催化劑床氣體溫度 ℃ 12,xx ：出、進催化劑床氣體的變換率 Cp: 進催化劑床層氣體在平均溫度（ t1+t2)/2 下的真實熱容 kcal/kmol,℃ RH? ：進口溫度下的反應(yīng)熱 kcal/kmol CO%：氣體中 CO 的濃度，摩爾分率 查表得到在 0600℃ 范圍內(nèi)的平均熱容為 kcal/kmol， ΔHR=9000 kcal/kmol 變換率： X= ? ? %1 0 01 1,1, ??? COCO COCO VV VV (33) VCO,VCO,1進口煤氣、出口變換氣中一氧化碳的含量， 00 ，（干基） 代入數(shù)字可以得到變換率為： X=. 100)1( ??? COCO COCO VV VV=)31( 0000 0000 ?? ?= 00 (34) 11 代入數(shù)字可以得到大致的溫升為： )()1( . 120xx2 xxnC COHttt P R ????????? (35) =? ?)( 0000 ???? ? =℃ 從上面的計算可以看出要使粗煤氣中的 CO 含量從 %經(jīng)過變換反應(yīng)降到 3%，變換爐的溫升大概在 150 ~160℃ 。 催化劑的選用 一氧化碳變換反應(yīng)催化劑的選用，主要根據(jù)合成氨生產(chǎn)工藝要求來確定，主要依據(jù)為原料氣和變換氣中一氧化碳和二氧化碳的含量、原料氣中硫化氫和有機硫化物的含量以及原料氣最終精制工藝的要求。對于每一種變換工藝，由于采用不同的熱回收方式而使變換工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)有所不同。同一套設(shè)備，由中串低改為全低變，可顯著提高生產(chǎn)能力，同時能耗大幅下降，汽氣比可降至 ，每噸氨蒸汽消耗為 200～ 300kg。 4 以焦炭或煤為原料合成氨的流程是采用間隙的固定層氣化法生產(chǎn)半水煤氣，經(jīng)過脫碳、變換縮脫除 CO 和 CO2 等凈化后，可獲得合格的氮氫混合氣，并在催化劑及適當?shù)臏囟?、壓力下合成?[2]。常壓，常溫下的爆炸范圍分別為%~82%（氧氣）。 氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化肥纖維及塑料。 對工藝環(huán)節(jié)中的設(shè)備進行了相關(guān)計算，先后 對變換爐中的變換氣進行了物料衡算，熱量衡算 ， 確定了 中變爐兩段 催化劑床層的用量和直徑， 從而確定了中變爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸；對換熱器進行了 計算和 選型 ；對飽和熱水塔設(shè)備進行了工藝計算， 掌握了變換系統(tǒng)的設(shè)計方法 。此外，在上海還有個電解水制氫生產(chǎn)合成氨，硝酸的小車間。所以對合成氨而言 一氧化碳變換 具有重大的意義。 1973 年開始，首批引進 13 套年產(chǎn) 300kt合成氨的成套裝置，為了擴大原料范圍， 1978 年又開始第二批引進 4 套年產(chǎn) 300kt 合成氨裝置。 變換工藝發(fā)展概況 合成氨變換工藝發(fā)展至今，先后經(jīng)歷中溫變換、中串低、全低變及中低低 4 種工藝。中低低工藝之所以比中串低工藝節(jié)能在于低變段間有換熱，降低了低變的最終出口溫度；中低低工藝比全低變操作穩(wěn)定在于中變觸媒起凈化劑作用，保 護了低變催化劑免遭厄運，而硫化氫進口含量只需達到中串低工藝的要求即可，這樣就基本解決了全低變工藝所遇到的三大難題，達到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的 。 通過以上比較，中變爐內(nèi)噴水冷激流程具有節(jié)能，運行費用低等優(yōu)點，中變段間煤氣 7 冷激流程具有操作簡單、投資省等優(yōu)點。 根據(jù)以上原則和鈷鉬系寬溫耐 硫 變換催化劑的特點以及 后序的凈化流程，在本設(shè)計中變換爐 采用齊魯石化研究院生產(chǎn)的 QCS04 耐硫變換催化劑 。 12 第 四 章 物料衡算 中變爐一段催化劑物料衡算與熱量衡算 物料衡算 一段催化劑的入口溫度選為 330℃ ，出口溫度選為 410℃ ，查表 [3]在 410℃ （ 683K)時變換反應(yīng)的熱效應(yīng)： ΔH= 濕煤氣由 330℃ 升至 410℃ ，平均溫度為 370℃ 。 ℃逆 ?????? tt m ? (714) 初步估計傳熱系數(shù) K=120w/(m2,℃ ） 73 mtK QAm ????? 估估 (715) 由于兩流體溫差較大， 同時為了便于 清洗，參照換熱器系列標準，初步選定BES120043506/256 型浮頭式內(nèi)導(dǎo)流換熱器。如果把此變換反應(yīng)放到一臺變換爐中進行的話，變換氣的出口溫度很可能會超過催化劑的活性溫度從而使催化劑失活。據(jù)介紹，低變催 8 化劑中的硫含 量只要達到 ％，其活性將下降一半，原料氣中硫含量即使只有 1106，也會使催化劑中毒而失去活性，大大縮短使用壽命 [7]。中變段間煤氣冷激與中變爐內(nèi)噴水冷激兩種中低工藝流程各有優(yōu)缺點 [4]。但該工藝的實施也使一些廠家付出了代價。因此，在原料氣使用之前，必須將一氧化碳清除。利用氨與各種無機酸反應(yīng)制取磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨；與 CO2 、水反應(yīng)生成碳酸氫銨。 本設(shè)計是以固體煤為原料來制取合成氨原料氣，一般由煤制得的 粗 煤氣中含 CO25%～34%，一氧化碳不是合成氨生產(chǎn)所需要的直接原料，而且在一定條件下還會與合成氨的催化劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑失活。 Saturated water tower equipment has been have been mastered the design conversion system. Key words： synthetic ammonia。 the carbon monoxide。因此，原料氣使用之前，必須將一氧化碳 脫除 。氨能生成各種加成配位化合物，它們和水合物類似，統(tǒng)稱氨合物或氨絡(luò)物，例如對應(yīng) 和 ， 也分別有 CaCl. 6 NH3 和 Cu SO4 . 4 NH3。 清除一氧化碳分兩步進行，第一步是大部分一氧化碳先通過一氧化碳變換反應(yīng)2 2 2C O H O g C O H? ? ?（ ） 這樣既能把一氧化碳變?yōu)橐子谇宄亩趸级矣种频玫攘康臍洌牡?只是廉價的水蒸氣。由于全低變工藝對原料氣、水和蒸汽的質(zhì)量要求較高，條件苛刻，許多合成氨廠不能達到要求。現(xiàn)比較如下面： ① 節(jié)能效果：段 間噴水熱回收率高，直接將段間高位能轉(zhuǎn)化為蒸氣，增加了汽氣比，降低了蒸汽消耗，節(jié)能效果比段間煤氣冷激要好。因此，本變換系統(tǒng)不能選用鐵鉻系變換催化劑和銅系催化劑，須選用鈷鉬系寬溫耐硫變換催化劑。并且變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨著溫度的升高將不利于變換率的提高，即使在一臺變換爐可以達到變換率，勢必會使變換爐的高度增加而使設(shè)備投資費用增加和造成床層出口超溫，并且 CO出口濃度要求 %。有關(guān)參數(shù)見 表 [14]。為了充分利用催化劑的活性范圍，我 們將中溫變換爐一段入口的溫度定為 330℃ ，把變換爐一段出口溫度定為 410℃ 。 能夠?qū)⒂袡C硫降解為無機硫，從而使硫化物從工藝系統(tǒng)脫除后便于回收利用 [8]。 ③ 操作運行：煤氣冷激流程操作簡單，但需防止中變下段發(fā)生偏流，造成床層漏氧，引起低變一段催化劑中毒失活，爐內(nèi)噴水冷激操作要求高，冷激水最好能用脫氧軟水，噴水冷激裝置既要達到所需的噴淋量，又要保證霧化好，以免中變下段催 化劑粉化和結(jié)塊。中低低變換工藝是在吸收中串低和全低變的優(yōu)點基礎(chǔ)上，結(jié)合我國化肥企業(yè)的管理水平而發(fā) 5 展起來的一種變換工藝。第二步是少量殘余的一氧化碳再通過其他凈化法加以脫 除 [3]。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性， 1972年 2 月中國作出了成套引進化學(xué)肥料和設(shè)備的決定。因此，一氧化碳變換既是原料 氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)。 catalyst. 1 引言 中國合成氨是在 20 世紀 30 年代開始的，但當時僅在南京、大連兩地建有氨廠，最高年產(chǎn)量不超過 50kt（ 1941 年）。 關(guān)鍵詞： 合成氨 ； 一氧化碳 ； 變換 ； 催化劑 II Process Design of Synthetic Ammonia 300000 tons about Coalgas Conversion Abstract： The instruction is the design of the 300,000 tons of synthetic ammonia about crude gas shift section process design, transformation section is an important part of the ammonia. Describes the basic nature and application o