【正文】 lation and selection of the material, heat and major equipment reasonable is very important.Keywords： ammonia energy consumption conversion section energy conservation calculation type choice Ⅱ 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 目錄第一章 緒論 1 概述 1 合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展 1 合成氨轉(zhuǎn)化工段天然氣轉(zhuǎn)化法主要反應(yīng) 2 合成氨轉(zhuǎn)化工段分為兩段的原因 2 合成氨轉(zhuǎn)化工段設(shè)計的主要設(shè)備 22 生產(chǎn)流程的選擇 2 轉(zhuǎn)化工段工藝流程介紹 2 選擇轉(zhuǎn)化工段的工藝流程及原因 3 合成氨轉(zhuǎn)化工段的工藝流程簡圖 5第二章 物料衡算 6 一段爐轉(zhuǎn)化計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及衡算 6 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 6 一段轉(zhuǎn)化爐物料衡算 6 一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體量表 8 二段爐轉(zhuǎn)化計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及物料衡算 9 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 9 二段轉(zhuǎn)化爐物料衡算 9 二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體量表 12 以噸氨每小時為計算標準折合指標 13第三章 熱量衡算 14 14 一段轉(zhuǎn)化爐熱量平衡 15 二段轉(zhuǎn)化爐熱量平衡 17 天然氣預(yù)熱器負荷計算 18 混合氣預(yù)熱負荷計算 19 工藝空氣預(yù)熱器熱負荷計算 20 燃燒煙氣計算 21（1）燃燒空氣量計算 21（2）實際空氣量的計算：為保證燃料完全燃燒，取空氣過剩系數(shù)a=，實際空氣量： 21 轉(zhuǎn)化工序自產(chǎn)蒸汽量計算 25 物料，熱量平衡結(jié)果 26第四章 設(shè)備的選型計算（主要設(shè)備的計算） 28 一段轉(zhuǎn)化爐輻射室計算 28 一段轉(zhuǎn)化爐對流段計算 38第五章 空氣預(yù)熱器換熱器的計算 49一，工藝設(shè)計計算部分 49， 49 49 49 50二．材料的選用部分 51三．結(jié)構(gòu)設(shè)計部分 51，管箱殼體和封頭 51 52 52，管箱殼體的連接 53 53 54 54，排液管 54 55 57 58，設(shè)備法蘭 58 60 6015 支座 61設(shè)計評述 65致謝 66參考文獻 67帶控制點工藝流程圖及主體設(shè)備圖 68附錄附錄1合成氨帶控制點的工藝流程圖附錄2空氣預(yù)熱器換熱器設(shè)備圖附錄3設(shè)計開題報告附錄4 設(shè)計中期報告附錄5 文獻綜述四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第一章 緒論第一章 緒論 概述氨是1794年由J為達到盡可能多的節(jié)能的目的，準確進行轉(zhuǎn)化工段的物料和熱量衡算以及對一段爐的輻射室和對流段的計算和選型。合成氨的轉(zhuǎn)化工段中需要消耗的原料和能源占合成氨消耗能源的很大部分。中國合成氨生產(chǎn)能耗約占全國能耗的4%。以天然氣為原料的合成氨流程是合成氨流程的典型流程之一。四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 70kt/a合成氨轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計學(xué) 生： 學(xué) 號：專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝班 級： 指導(dǎo)教師： 四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院二OO一一年六月 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 摘要摘要氨在國民經(jīng)濟中占有重要地位。現(xiàn)在約有80%的氨用來制造化學(xué)肥料，其余作為生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品的原料。除消耗原料天然氣等一次能源外，還需要消耗較多的電力和蒸汽等二次能源。因而能耗是衡量合成氨技術(shù)水平和經(jīng)濟效益的重要標志。因此對合成氨轉(zhuǎn)化工段進行科學(xué)合理的設(shè)計是非常必要的。換句話說，對轉(zhuǎn)化工段的物料，熱量和主要設(shè)備進行科學(xué)合理實用的選型是非常重要的。普里斯特利在加熱氯化銨和石灰混合物時候發(fā)現(xiàn)，1784年C伯托利確定氨由氮和氫組成。雖然可以從副焦?fàn)t氣中回收氨，但是這樣的回收的氨量不能滿足需求，促使人們研究新的得到氨的方法。氨，或稱“氨氣”，分子式為NH3，是一種無色氣體，有強烈的刺激氣味。氨對地球上的生物相當(dāng)重要，它是所有食物和肥料的重要成分。氨有很廣泛的用途，同時它還具有腐蝕性等危險性質(zhì)。由于氨可以提供弧對電子，所以它也是一種路易斯堿。成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。我國自行設(shè)計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠。[1] 合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展分為四個階段。（2）熱能體現(xiàn)了綜合利用。階段三是低能耗新工藝?，F(xiàn)在合成氨能源消耗費用占生產(chǎn)成本費用的70%以上，因而能耗是衡量合成氨技術(shù)水平好經(jīng)濟效益的重要標志。合成氨生產(chǎn)特點之一是工序多，連續(xù)性強。[1] 合成氨轉(zhuǎn)化工段天然氣轉(zhuǎn)化法主要反應(yīng)天然氣是指儲藏于地層較深的部位的可燃氣體，而與石油共生的天然氣常稱為油田氣。它在高溫下與水蒸氣作用生成以H2和CO為主要組分的粗原料氣，其反應(yīng)為CnHm + nH2O ========= nCO+（n+m\2）H2其中還有一個反應(yīng) nCO +H2O======== nCO2 + H2 這兩個反應(yīng)為制取粗原料氣的主要反應(yīng)。第一，由于天然氣的轉(zhuǎn)化深度高要求CH4的含量小于百分之零點五，導(dǎo)致反應(yīng)溫度與水碳比要求很高，反應(yīng)設(shè)備一下難以達到要求。[1] 合成氨轉(zhuǎn)化工段設(shè)計的主要設(shè)備一段轉(zhuǎn)化爐一段轉(zhuǎn)化爐是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨的關(guān)鍵設(shè)備之一，它是由若干根反應(yīng)管與加熱室的輻射段以及回收熱量的對流段兩個主要部分組成。但隨著小合成氨工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進步。應(yīng)為合成氨生產(chǎn)中能量消耗的費用占總生產(chǎn)成本的75%以上。換熱式二段轉(zhuǎn)化工藝流程天然氣經(jīng)過加熱爐預(yù)熱和脫硫后，被高溫水飽和或添加蒸汽，再經(jīng)換熱器加熱到500~600攝氏度的天然氣蒸汽混合氣進入換熱式一段爐管內(nèi)，在催化劑作用下，有30%左右的CH4被轉(zhuǎn)化成H2，CO,和CO2，出轉(zhuǎn)化管氣體的溫度約650攝氏度進入二段轉(zhuǎn)化爐上部混合器，與被加壓和預(yù)熱的富氧空氣混合，空氣中的氧與一段轉(zhuǎn)化氣中的氫迅猛反應(yīng)。由二段轉(zhuǎn)化爐出口的轉(zhuǎn)化氣溫度高達950~1000攝氏度，%以下，再回到一段爐的管間，通過熱交換向轉(zhuǎn)化管內(nèi)提供反應(yīng)熱。間歇催化轉(zhuǎn)化工藝流程天然氣間歇催化轉(zhuǎn)化制合成氨原料氣分吹風(fēng)和制氣兩個階段循環(huán)操作。出廢熱鍋爐煙氣溫度為250攝氏度左右，再經(jīng)軟水預(yù)熱器降至150攝氏度左右通過煙囪放空。轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐底部出來時約850攝氏度，亦相繼經(jīng)廢熱鍋爐，軟水預(yù)熱器回收余熱，降至150攝氏度左右，再經(jīng)洗氣箱，洗氣塔冷卻至常溫送入氣柜。沒有放空氣造成大的大量的低位熱能損失。連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程（管式爐連續(xù)催化轉(zhuǎn)化工藝流程）更好的實現(xiàn)了蒸汽的利用和熱量的供給。出一段爐的轉(zhuǎn)化氣含CH410%，溫度750攝氏度左右。燃燒煙氣經(jīng)輻射段后進入對流段依次經(jīng)過空氣預(yù)熱氣，天然氣蒸汽混合氣預(yù)熱氣，工藝天然氣預(yù)熱器和煙氣廢熱鍋爐回收余熱溫度降至250攝氏度以下經(jīng)引風(fēng)機抽入煙囪排至大氣?？諝庵械腛2首先與一段轉(zhuǎn)化氣中的氫氣發(fā)生燃燒反應(yīng)。隨后，混合氣在二段轉(zhuǎn)化爐催化劑的作用下進行自熱式甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化和部分一氧化碳的變換反應(yīng)。%。轉(zhuǎn)化氣再經(jīng)廢熱鍋爐回收余熱，使得溫度降至360攝氏度左右進入中溫變換工序。 一段爐轉(zhuǎn)化計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及衡算 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以100kmol一段爐入口干氣量為基準計算。 最后全部折合為1t氨每小時為基準的物料量。出爐氣體CH4含量：%；（干基）出爐氣體壓力：P1=（絕）。PH2/PCOP1/V所以n CO2n H2O=Kp (15)解聯(lián)立方程（11~5）求解，可求出V，n CO， n CO2 ，n H2 ，n H2O。n H2/ n CO Kz= PCOP H2O=n COn H2O =由氮肥工藝設(shè)計手冊理化數(shù)據(jù)分冊第565頁查得Kz對應(yīng)的平衡溫度為Tz在730到735℃之間,用內(nèi)查法得到Tz=℃ 所以平衡溫距 △T=T1Tz==在一般轉(zhuǎn)化操作條件下一段轉(zhuǎn)化平衡溫距設(shè)計按20~30℃取用。設(shè)計應(yīng)按不利情況考慮。（這步我算了很多遍） 二段爐轉(zhuǎn)化計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及物料衡算 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入爐水碳比：R==。該系統(tǒng)進入物料有加氫天然氣，水蒸汽，加氮空氣；出系統(tǒng)物料則為轉(zhuǎn)化氣體一項，二段爐出口轉(zhuǎn)化氣各組分氣體符號同一段爐計算符號，并令F為加氮空氣總量，并聯(lián)立方程如下：碳（C）平衡：同一段爐n CO+ n CO2+= （21 ），按入爐水碳比R=：G===氫（H2）平衡n H2+ n H2O+=+++Gn H2+ n H2O+=+++ = ( 22 )氧（O2）平衡n CO2+ n CO+ n H2O=++n CO2+ n CO+ n H2O= + （ 23 ）出二段爐干轉(zhuǎn)化氣總量V= n CO+ n CO2+ n H2++(+)F+ = n CO+ n CO2+ n H2+++ ( 24 )氮量控制方程（氫氮比）=n H2+n CO=+ ( 25 )一氧化碳變換反應(yīng)平衡方程=Kp （ 26 ）聯(lián)解式（21 ~ 6）6式可以解得6個未知數(shù)，聯(lián)解試算步驟與一段轉(zhuǎn)化爐相同。PH23/PCH4n H23/n CH4 P12/v2得 Kz=由氮肥工藝設(shè)計手冊理化數(shù)據(jù)分冊第565頁查得Kz對應(yīng)的平衡溫度為Tz在945到950℃之間，用內(nèi)查法得出 Tz=℃所以平衡溫距 △T=T2Tz==一般設(shè)計平衡溫距為40~50℃之間，合符要求，不再重算。第三章 熱量衡算同物料衡算，先以100koml一段轉(zhuǎn)化爐進口氣為基準，而后將結(jié)果乘以() * 。為簡化計算，擬采用統(tǒng)一的基準焓（或生成焓）計算?！鱄0298該氣體在25℃下的標準生成熱， kcal/kmol()?！?氣體等壓比熱容與溫度的關(guān)系有以下經(jīng)驗式：CP=A0+A1T+A2T2+A3T3+…………………………… （32）式中A0，A1，A2，A3……為氣體的特性常數(shù)。a0=△ 現(xiàn)在將有關(guān)氣體的計算常數(shù)列到表31中。HI始態(tài)溫度或末態(tài)溫度下i的基準焓 kcal/kmol。Hi用（33）求得 表32 一段爐進口混合氣焓計算表分子式 mol% ni,kmol Hi kcal/kmol niHi kcalCH4 12661 C2H6 11524 C3H8 12284 CO2 89181 N2 3244 H2S 微量 微量H2O 53910 合計 100 注：1kcal= 混合氣帶入焓為： Ho= x () x =(t NH3h)一段轉(zhuǎn)化氣帶出焓一段轉(zhuǎn)化氣溫度760℃，根據(jù)一段爐物料平衡表22中各組分量列于計算表33。h) =(t NH3h) =(t NH3h)燃料天然氣量計算：燃料天然氣組成見表21。h)燃料總熱值： Q熱= QD x V ==(tNH3h) 二段轉(zhuǎn)化爐熱量平衡 一段轉(zhuǎn)化氣帶入焓H1= (t NH3表34 空氣帶入焓計算分子式 mol% ni,kmol Hi kcal/kmol（480） niHi kcalN2 78 3244 O2 21 3049 Ar 2260