【正文】 .................................................... 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(jì)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(shè)備的選型 ........................................................................................................... 36 中變爐的計(jì)算 ....................................................................................................... 36 觸媒用量的計(jì)算 .......................................................................................... 36 第一段床層觸媒用 量 .................................................................................. 36 第二段床層觸媒用量 ............................................................................... 37 觸媒直徑的計(jì)算 ......................................................................................... 39 主換熱器的計(jì)算 .................................................................................................... 41 傳熱面積的計(jì)算 .......................................................................................... 41 設(shè)備直徑與管板的確定 ............................................................................. 42 傳熱系數(shù)的驗(yàn)算 ......................................................................................... 42 殼側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 ............................................................................. 44 總傳熱系數(shù)核算 ......................................................................................... 45 傳熱面積的核算 .......................................................................................... 45 其他主設(shè)備 ........................................................................................................... 46 第 4 章 設(shè)備一覽表 ........................................................................................................... 47 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 48 致 謝 ................................................................................................................................... 49 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 1 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(xué)肥料的生產(chǎn)。合成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣的制?。辉蠚獾膬艋c合成。因此， CO 變換既是原料氣的凈化過(guò)程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。 變換工段是指 CO 與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過(guò)程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用 。 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(zhǎng)。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(lái)生產(chǎn)化學(xué)肥料， 20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。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。 由于 CO 變換過(guò)程是強(qiáng)放熱過(guò)程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余 CO 含量。因此， CO 變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過(guò)程，為后續(xù)脫碳過(guò)程創(chuàng)造條件。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。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。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 2 變換過(guò)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。目前合成氨總生產(chǎn)能力為 5000 萬(wàn)噸 /年左右 [3],氮肥工業(yè)已基本滿足了國(guó) 內(nèi)需求 ,在與國(guó)際接軌后 ,具備與國(guó)際合成氨產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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。 大型化、集成化、自動(dòng)化 ,形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來(lái)合成氨裝置的主流發(fā)展方向 [5]。 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。生產(chǎn)過(guò)程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物 ,實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性 ,延長(zhǎng)運(yùn)行周期是未來(lái)合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的必要保證。 應(yīng)用領(lǐng)域 氨在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位 ， 現(xiàn)在約有 80%的氨用來(lái)制造化學(xué)肥料，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。 氨在工業(yè)上主要用來(lái)制造炸藥和各種化學(xué)纖維和 塑料。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]。 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。其中有兩種模式，一是 “ 水流程 ” 模式，二是 “ 汽流程 ” 模式。后者在合成塔設(shè)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(shè)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(dá)到操作簡(jiǎn)單 、平穩(wěn)、省時(shí)、節(jié)能效果。由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。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。這樣，由于催化劑終態(tài)溫度降低，可以減少蒸汽添加量，達(dá)到節(jié)能的效果。與中變流程相比 ,中串低工藝蒸汽消耗下降 ,飽和塔負(fù)荷減輕。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。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(guò)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 。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。熱回收率高，有效能損失小，熱交換設(shè)備換熱面積可減少 1/2 左右。余熱回收效果好。 變換工藝的選擇 工藝原理 一氧化碳變換反應(yīng)式為 ： 2 2 2CO H O = C O H?? (1) 22CO+H =C+H O (2) 其中反應(yīng) （ 1） 是主反應(yīng)，反應(yīng) （ 2） 是副反 應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對(duì)式反應(yīng) （ 1） 具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生 [8]。 變換過(guò)程中還包括下列反應(yīng)式 ： 2 2 22H O =H O? （ 3） 工藝條件 (1)壓力 壓力對(duì)變換反應(yīng)的平衡幾乎沒(méi)有影響 ， 但是提高壓力使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 5 從能量消耗上看，加壓也是有利。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。本設(shè)計(jì)壓力取 。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)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(jiàn)溫度對(duì)兩者的影響是相反的。對(duì)一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為 [9]： 22 1 11 lnemeTT RT EE E E? ? 注： 式中 Tm、 Te— 分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化 。改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。由于過(guò)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(yīng)不易發(fā)生。 工藝流程確定 一氧化碳變換工藝的流程安排應(yīng)做如下考慮。對(duì)一氧化碳體積分?jǐn)?shù)高于 15%者，一般可考慮適當(dāng)分段，段間進(jìn)行冷卻降溫，盡量靠近最適宜溫度操作。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。 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。從壓縮工段來(lái)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。 工藝流程圖如圖 11 所示。中變爐選用 C6型催化劑，計(jì)算得中變催化劑實(shí)際用量 m3。 半水煤氣 飽和熱水塔 H2O 中溫變換爐 換熱 器 低溫變換爐 變換氣 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 文 7 第 2 章 物料與熱量衡算 已知生產(chǎn)條件 已知 天然氣進(jìn)入變換工段時(shí)的組分如表 21 所示 。 計(jì)算生產(chǎn) 1 噸氨需要的變換氣量： （ 1000/17） （ 2） = m3(標(biāo) ) 因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中物料可能會(huì)有損失，因此變換氣量取 m3(標(biāo) )。 要求出中變爐