合成氨毕业设计

摘 要

合成氨变换工段工序是合成氨生产中的重要一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。

在本设计中，首先介绍中低温变换的意义，然后根据已知的气体组成，操作条件，采用了中变串低变的工艺流程路线。首先对中，低变进行了物料和热量衡算，确定催化剂最佳温度曲线，催化剂用量，高度，根据计算结果对主要设备选型，最终完成了本设计的宗旨。设计中一共有中变炉、主换热器、低变炉几个主要设备，并且还对中变炉进行了机械强度的计算及校核。最后根据设计结果，绘制出合成氨中-低变换工艺的带控制点的流程和主要设备图。

关键词：中-低温变换；一氧化碳；变换炉；

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Abstract

Section of synthetic ammonia transformation process is an important step in ammonia production, is more crucial step, because a normal production of qualified compressed air, is all the processes behind the prerequisite for the normal operation. Therefore, certain conditions must be controlled so that the composition of transformation of gas to meet the requirements of the production process.

In this design, first introduced in the low temperature shift of meaning, then according to the known gas composition, operating conditions, using variable string line of low-change process. First of all, the low variable for the material and heat balance, determine the optimal temperature curve of the catalyst, catalyst amount, height, according to the results of major equipment selection, the final completion of the purpose of this design. Design of a total, in the temperature shift, the main heat exchanger, low-temperature shift of several major equipment. And also on the temperature shift to the mechanical strength of calculation and checking. Finally, design results, drawing out the ammonia in the - low shift process control points with the process and major equipment plan.

Key words: mid-low temperature transformation; carbon monoxide; shift converter

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目录

1绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.1前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.2工艺原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.3工艺条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.3.1 压力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.3.2温度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.3.3 汽气比．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.4工艺流程确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.5 设备的选择说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.6 对本设计的评述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2变换工段物料及热量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.1 中温变换物料恒算及热量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.1.1 确定转化气的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.1.2 水汽比的确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2..1.3中换炉一段催化床层的物料恒算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.1.4中变炉一段催化床层的热量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.1.5 中变炉催化剂平衡曲线 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 2.1.6最佳温度度曲线的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 2.1.7操作线计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 2.1.8中间冷淋过程的物料和热量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 2.1.9中变炉二段催化床层的物料衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 2.1.10中变炉二段催化床层的物料衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 2.2低变炉的物料与热量计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 2.2.1低变炉的物料衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 2.2.2低变炉的热量衡算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 2.2.3低变炉催化剂平衡曲线．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 2.2.4低变炉最佳温度曲线的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 2.2.5最适宜温度曲线．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 2.3炉的热量和物料计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 2.3.1热量计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 2.3.2水蒸气的加入．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 2.4 主换热器的物料与热量的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 3 设备的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 3.1低温变炉的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29

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3.1.1媒用量的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 3.1.2第一段床层触媒用量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 3.1.3二段床层触媒用量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 3.1.4 触媒直径的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31 3.2中变废热锅炉．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 3.2.1 设备直径与列管数量确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 3.2.2 传热系数计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37 3.3 设备的选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 4参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41 5致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42

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绪论

1 绪论

1.1 前言

氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。合成氨的生产主要分为：原料气的制取；原料气的净化与合成。粗原料气中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过CO变换反应，使其转化为易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。最后，少量的CO用液氨洗涤法，或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。

变换工段是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。

目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程，这是从80年代中期发展起来的。所谓中变串低变流程，就是在B107等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-Mo系宽温变换催化剂。在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的CO含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。

1.2 工艺原理

一氧化碳变换反应式为：

CO+H2O=CO2+H2+Q (1-1)

CO+H2 = C+H2O (1-2)

其中反应（1）是主反应，反应（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应（1—1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。

一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。 变换过程中还包括下列反应式：

H2+O2=H2O+Q

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变换工段物料及热量衡算

m3(标) kmol 266.6 11.9 421.6 18.8 1720.2 76.79 669.6 29.89 10.23 0.49 11.78 0.53 1475.6 65.88 4575.6 204.3 假使O2与H2 完全反应，O2 完全反应掉 故在一段催化床层反应掉的CO的量为：

60%×421.6=252.96m3(标)=11.3kmol

出一段催化床层的CO的量为：

421.6-252.96=168.64 M3(标)=7.53kmol

故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为： 1720.2+252.96-2×10.23=1952.5 m3(标)=87.17kmol 故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：

266.6+252.96=519.56 m3(标)=23.19kmol

出中变炉一段催化床层的变换气干组分：如表2.5

表2.5

组 分 含量% m3(标) kmol CO2 15.64 519.56 23.14 CO 5.08 168.64 7.53 H2 58.78 1952.5 87.17 N2 20.16 669.6 29.89 CH4 0.35 11.78 0.53 合计 100 3322.08 148.3 剩余的H2O的量为：

1475.6-252.96+2×10.23=1243.1M3(标)=55.50kmol

所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分：如表2.6

表2.6

组 分 含量% m3(标) kmol CO2 11.40 519.56 23.14 CO 3.69 168.64 7.53 H2 42.77 1952.5 87.17 N2 14.70 669.6 29.89 CH4 0.26 11.78 0.53 H2O 27.23 1243.1 55.50 合计 100 4565.18 203.8 对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行计算：

已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（%）：如表2.7

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变换工段物料及热量衡算

表2.7

组 分 含量% m3(标) kmol CO2 11.40 487.44 21.76 CO 3.69 135.36 6.043 H2 44.77 1833.84 81.87 N2 14.70 1113.9 49.73 CH4 0.26 18.76 0.838 H2O 25.23 1000.96 44.68 合计 100 4137.1 184.69 对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算： 根据：K=(H2%×CO2%)/（H2O%×CO%)计算得K=5.7

查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当K=5.7时t=472℃,设平均温距为32℃，则出变炉一段催化床层的变换气温度为：472℃-32℃=440℃

2.1.4中变炉一段催化床层的热量衡算

以知条件：进中变炉温度：380℃,出变炉一段催化床层的变换气温度为：440℃，反应放热Q：在变化气中含有CO，H2O，O2，H2 这4种物质会发生以下2种反应：

CO +H2O=CO2+H2 （2-1） O2 + 2H2= 2 H2O （2-2） 这2个反应都是放热反应。

为简化计算，拟采用统一基准焓（或称生成焓）计算。以P=1atm，t=25℃为基准的气体的统一基准焓计算式为：

HT=△H0298=Cpdt 式中 HT

——气体在

?T298在298K的统一基准焓，

kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；

△H0298 ——该气体在25℃下的标准生成热，kcal/kmol(4.1868kJ/kmol)；

T——绝对温度，K；

CP——气体的等压比热容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/（kmol.℃）

气体等压比热容与温度的关系有以下经验式：

T+A2×T2+A3×T3+…… CP=A0+A1×

式中A0、A1、A2、A3……气体的特性常数

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变换工段物料及热量衡算

将式代入式积分可得统一基准焓的计算通式：

Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 式中常数a0、a1、a2、a3、a4与气体特性常数及标准生成热的关系为： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4

a0=△H0298－298.16a1－298.162×a2－298.163×a3－298.164×a4

采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算，不必考虑系统中反应如何进行，步骤有多少，只要计算出过程始态和末态焓差，即得出该过程的总热效果。

△H=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末 式中△H ——过程热效应，其值为正数时为放热，为负数时系统为吸热，kcal；（4.1868kJ）;

ni --- 始态或末态气体的千摩尔数，kmol； Hi — 始态温度下或末态温度下；

I — 气体的统一基准焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol） 现将有关气体的计算常数列于下表中

气体统一基准焓（通式）常数表如表2.8

表2.8

分子 a0 式 O2 H2 H2O 1.90318×103 5.80298 2.15675×10–3 -5.5584×10－4 1.2932×10－3 -7.40499×10–7 1.08808×10–10 4.8459×10－7 1.28506×10－7 -8.18957×10－11 -5.78039×10－11 -7.65632×10－11 -4.14272×10－11 0.00 a1 a2 a3 a4 -2.11244×103 7.20974 -6.0036×104 7.11092 N2 CO CO2 -1.97673×103 6.45903 -2.83637×104 6.26627 -96377.88867 6.396 5.18164×10－4 2.03296×10－7 8.98694×10－4 5.04519×10－9 5.05×10－3 -1.135×10－6 计算O2的基准焓：

根据基准焓的计算通式：Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4 在440℃时T=440+273=713K

查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表：如表2.9

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变换工段物料及热量衡算

表2.9

组分 O2 H2 2693.236 H2O -54492.613 CO CO2 Ht（kcal/kmol） 6708.787 -23404.767 -90002.66539 Ht（kJ/kmol） 27800.476 11505.87 -249991.764 -979663.932 -380030.6438 放热： CO +H2O=CO2+H2 ○1 △H1=(∑Hi)始-（∑Hi）末

=-380030.6438+11505.87+979663.932+249991.764 =-37979.10674kJ/kmol

（-37979.10674）=-569121.654kJ Q1=15.1×

Q2 + 2H2= 2 H2O ○2

Q2=△H2=（∑ni×Hi）始－（∑ni×Hi）末=-378823.4352kJ 气体共放热：

Q=Q1+Q2 =569121.654+378823.4352=947945.0892kJ 气体吸热Q3

根据《物理化学》知CO, H2, H2O , CO2, N2 ，可用公式：CP=a+b+CT-2来计算热容。

热容的单位为kJ/（kmol.℃） 查表可得：如表2.10

表1.10

物质 a b/10-3 c/10-5 CO 28.41 4.1 -0.46 H2 27.28 3.26 0.502 H2O 30 10.71 0.33 CO2 44.14 9.04 -8.53 N2 27.87 4.27 ----------- CPm=∑Yi×CP=34.06 KJ/（kmol.℃）

所以气体吸热Q3=34.06×307.8×(415-330)=891111.78kJ 假设热损失Q4

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变换工段物料及热量衡算

根据热量平衡的：

Q= Q3+Q4

Q4=52934.965 kJ

2.1.5 中变炉催化剂平衡曲线

根据H2O/CO=3.5，与公式XP=V=KPAB-CD q=U2?4WV

U=KP（A+B）+（C+D），W=KP-1

其中A、B、C、D分别代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度如表2.11

表2.11

t T Xp t T Xp

中变炉催化剂平衡曲线如下：

10.8U?q×100% 2AW300 573 0.9103 320 593 0.8837 420 693 0.6863 340 613 0.8436 440 713 360 633 0.8111 380 653 0.7707 460 733 0.5965 400 673 0.7108 0.6432 转化率 Xp0.60.40.20250300320340360380400420440460温度 （℃）中变炉平衡曲线

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