合成氨变换工段工艺初步计算设计.docx
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合成氨变换工段工艺初步计算设计.docx
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合成氨变换工段工艺初步计算设计
题目年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计
一、设计(论文)的要求:
一、说明书包括前言,合成氨变换工段工序原理,工艺条件及工艺流程肯定,和主要设备的选择说明,对本设计的评述。
二、计算部份包括物料衡算,热量衡算,有效能利用率计算,主要设备计算。
3、图纸带控制点的工艺流程图。
二、设计(论文)的原始数据:
天然气成份:
以鸿化厂的实际工作数据为依据来进行。
年工作日330天,其余数据自定。
三、参考资料及说明:
《化工工艺设计手册》(上、下册)、《氮肥工艺设计手册》理化数据、《化肥企业产品能平衡》、《小合成氨厂工艺技术与设计手册》、《合成氨工学》、《化工制图》、《化工原理》、《化学工程》、《化工设计概论》和关于氮肥的其他相关杂志。
1.前言………………………………………………………………………………4
2.工艺原理…………………………………………………………………………4
3.工艺条件…………………………………………………………………………5
4.工艺流程的肯定…………………………………………………………………6
5.主要设备的选择说明……………………………………………………………6
6.对本设计的综述…………………………………………………………………6
第一章变换工段物料及热量衡算……………………………………………8
第一节中变物料及热量衡算………………………………………………………8
1.肯定转化气组成…………………………………………………………………8
2.水汽比的肯定……………………………………………………………………8
3.中变炉一段催化床层的物料衡算………………………………………………9
4.中变炉一段催化床层的热量衡算………………………………………………11
5.中变炉催化剂平衡曲线…………………………………………………………13
6.最佳温度曲线的计算……………………………………………………………14
7.操作线计算……………………………………………………………………15
8.中间冷淋进程的物料和热量计算……………………………………………16
9.中变炉二段催化床层的物料衡算……………………………………………17
10.中变炉二段催化床层的热量衡算……………………………………………18
第二节低变炉的物料与热量计算………………………………………………19
第三节废热锅炉的热量和物料计算……………………………………………24
第四节主换热器的物料与热量的计算…………………………………………26
第五节调温水加热器的物料与热量计算……………………………………28
第二章设备的计算………………………………………………………………29
1.低温变换炉计算………………………………………………………………29
2.中变废热锅炉…………………………………………………………………31
前言
氨是一种重要的化工产品,主要用于化学肥料的生产。
合成氨生产通过连年的进展,现已进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,所以必需进行净化处置,通常,先通过CO变换反映,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进程,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与水蒸气反映生成二氧化碳和氢气的进程。
在合成氨工艺流程中起着超级重要的作用。
目前,变换工段主要采用中变串低变的工艺流程,这是从80年代中期进展起来的。
所谓中变串低变流程,就是在B107等Fe-Cr系催化剂以后串入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转变。
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。
工艺原理:
一氧化碳变换反映式为:
CO+H2O=CO2+H2+Q(1-1)
CO+H2=C+H2O(1-2)
其中反映
(1)是主反映,反映
(2)是副反映,为了控制反映向生成目的产物的方向进行,工业上采用对式反映(1—1)具有良好选择性催化剂,进而抑制其它副反映的发生。
一氧化碳与水蒸气的反映是一个可逆的放热反映,反映热是温度的函数。
变换进程中还包括下列反映式:
H2+O2=H2O+Q
工艺条件
1.压力:
压力对变换反映的平衡几乎没有影响。
可是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反映易于进行。
单就平衡而言,加压并无益处。
但从动力学角度,加压可提高反映速度。
从能量消耗上看,加压也是有利。
由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数,所以,先紧缩原料气后再进行变换的能耗,比常压变换再进行紧缩的能耗底。
具体操作压力的数值,应按照中小型氨厂的特点,专门是工艺蒸汽的压力及紧缩机投各段压力的合理配置而定。
一般小型氨厂操作压力为中型氨厂为~。
本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来,故压力可取.
1.温度:
转变反映是可逆放热反映。
从反映动力学的角度来看,温度升高,反映速度常数增大对反映速度有利,但平衡常数随温度的升高而变小,即CO平衡含量增大,反映推动力变小,对反映速度不利,可见温度对二者的影响是相反的。
因此存在着最佳反映温对必然催化剂及气相组成,从动力学角度推导的计算式为
Tm=
式中Tm、Te—别离为最佳反映温度及平衡温度,最佳反映温度随系统组成和催化剂的不同而转变。
1.汽气比:
水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比例是工业变换反映中最主要的调节手腕。
增加水蒸汽用量,提高了CO的平衡变换率,从而有利于降低CO残余含量,加速变换反映的进行。
由于过量水蒸汽的存在,保证催化剂中活性组分Fe3O4的稳固而不被还原,并使析炭及生成甲烷等副反映不易发生。
可是,水蒸气用量是变换进程中最主要消耗指标,尽可能减少其用量对进程的经济性具有重要的意义,蒸汽比例若是太高,将造成催化剂床层阻力增加;CO停留时刻缩短,余热回收设备附和加重等,所以,中(高)变换时适宜的水蒸气比例一般为:
H2O/CO=3~5,经反映后,中变气中H2O/CO可达15以上,没必要再添加蒸汽即可知足低温变换的要求。
工艺流程肯定
目前的转变工艺有:
中温变换,中串低,全低及中低低4种工艺。
本设计参考四川省自贡市鸿鹤化工厂的生产工艺,选用中串低工艺。
转化气从转化炉进入废热锅炉,在废热锅炉中变换气从920℃降到330℃,在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间,以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。
再通过换热器将转换气的温度降到180℃左右,进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到%以下,再进入甲烷化工段。
主要设备的选择说明
中低变串联流程中,主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。
低变炉选用C6型催化剂,计算得低变催化剂实际用量。
以上设备的选择主如果依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量和变换气中所要求的CO浓度。
对本设计评述
天然气变换工段工序是合成氨生产中的第一步,也是较为关键的一步,因为可否正常生产出合格的紧缩气,是后面的所有工序正常运转的前提条件。
因此,必需控制必然的工艺条件,使转化气的组成,知足的工艺生产的要求。
在本设计中,按照已知的天然气组成,操作条件,采用了中变串低变的工艺流程线路。
第一对中,低变进行了物料和热量衡算,在计算的基础上,按照计算结果对主要设备选型,最终完成了本设计的宗旨。
设计中一共有中温废热锅炉,中变炉,主换热器,调温水换热器,低变炉几个主要设备。
由于天然气变换工段工序是成熟工艺,参考文献资料较多,在本设计中,主要参考了《小合成氨厂工艺技术与设计手册》和《合成氨工艺学》这两本书。
由于时刻有限,设计可能不完善,请列位老师指出。
谢谢!
第一章变换工段物料及热量衡算
第一节中温变换物料衡算及热量衡算
1.肯定转化气组成:
已知条件中变炉入口气体组成:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
合计
%
100
计算基准:
1吨氨
计算生产1吨氨需要的转变气量:
(1000/17)×(2×)=M3(标)
因为在生产进程中物量可能回有消耗,因此转变气量取M3(标)
年产5万吨合成氨生产能力:
日生产量:
50000/330=d=h
要求出中变炉的变换气干组分中CO%小于2%
进中变炉的变换气干组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
O2
CH4
合计
含量,%
100
M3(标)
474
假设入中变炉气体温度为335摄氏度,掏出炉与入炉的温差为30摄氏度,则出炉温度为365摄氏度。
进中变炉干气压力
=.
2.水汽比的肯定:
考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气,所以取H2O/CO=
故V(水)=(标)n(水)=
因此进中变炉的变换气湿组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
O2
CH4
H2O
合计
含量%
100
M3(标)
474
koml
中变炉CO的实际变换率的求取:
假定湿转化气为100mol,其中CO基含量为%,要求变换气中CO含量为
2%,故按照变换反映:
CO+H2O=H2+CO2,则CO的实际变换率为:
%=
×100=74%
式中Ya、
别离为原料及变换气中CO的摩尔分率(湿基)
则反映掉的CO的量为:
×74%=
则反映后的各组分的量别离为:
H2O%=%%+%=23%
CO%=%%=%
H2%=%+%%=%
CO2%=%+%=%
中变炉出口的平衡常数:
K=(H2%×CO2%)/(H2O%×CO%)=12
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知K=12时温度为397℃。
中变的平均温距为397℃-365℃=32℃
中变的平均温距合理,故取的H2O/CO可用。
3.中变炉一段催化床层的物料衡算
假设CO在一段催化床层的实际变换率为60%。
因为进中变炉一段催化床层的变换气湿组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
O2
CH4
H2O
合计
含量,%
100
M3(标)
474
koml
假使O2与H2完全反映,O2完全反映掉
故在一段催化床层反映掉的CO的量为:
60%×=(标)=
出一段催化床层的CO的量为:
M3(标)=
故在一段催化床层反映后剩余的H2的量为:
+×=M3(标)=
故在一段催化床层反映后剩余的CO2的量为:
474+=M3(标)=
出中变炉一段催化床层的变换气干组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
合计
含量%
100
M3(标)
koml
剩余的H2O的量为:
标)=
所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%
100
M3(标)
koml
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(%):
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%
100
M3(标)
koml
对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算:
按照:
K=(H2%×CO2%)/(H2O%×CO%)计算得K=
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当K=时t=445℃
设平均温距为30℃,则出变炉一段催化床层的变换气温度为:
445℃-30℃=415℃
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:
335℃
出变炉一段催化床层的变换气温度为:
415℃
反映放热Q:
在转变气中含有CO,H2O,O2,H2这4种物质会发生以下2种反映:
CO+H2O=CO2+H2(1-1)
O2+2H2=2H2O(1-2)
这2个反映都是放热反映。
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
在TK的统一基准焓,kcal/kmolkmol);
△H0298——该气体在25℃下的标准生成热,kcal/kmolkmol);
T——绝对温度,K;
Cp——气体的等压比热容,kcal/(kmol.℃)[(kmol.℃)]
气体等压比热容与温度的关系有以下经验式:
Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+……
式中A0、A1、A2、A3……气体的特性常数
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--×a2-×a3-×a4
采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算,没必要考虑系统中反映如何进行,步骤有多少,只要计算出进程始态和末态焓差,即得出该进程的总热效果。
△H=(∑ni×Hi)始-(∑ni×Hi)末
式中△H——进程热效应,其值为正数时为放热,为负数时系统为吸热,kcal;();
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,(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
分子式
a0
a1
a2
a3
a4
O2
×103
×10–3
×10–7
×10–10
H2
×103
×10-4
×10-7
×10-11
H2O
×104
×10-3
×10-7
×10-11
N2
×103
×10-4
×10-7
×10-11
CO
×104
×10-4
×10-9
×10-11
CO2
×10-3
×10-6
计算O2的基准焓:
按照基准焓的计算通式:
Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4
在415℃时T=415+273=683K
查表可得变换气的各个组分的基准焓列于下表:
组分
O2
H2
H2O
CO
CO2
Ht(kcal/kmol)
Ht(kJ/kmol)
放热:
CO+H2O=CO2+H2
(1)
△H1=(∑Hi)始-(∑Hi)末
=+++
=koml
Q1=×()=
O2+2H2=2H2O
(2)
Q2=△H2=(∑ni×Hi)始-(∑ni×Hi)末=
气体共放热:
Q=Q1+Q2=+=
气体吸热Q3:
按照《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:
物质
CO
H2
H2O
CO2
N2
a
30
b/10-3
c/10-5
-----------
Cpm=∑Yi*Cp=KJ/(kmol.℃)
所以气体吸热Q3=**(415-330)=
假设热损失Q4
按照热量平衡的:
Q=Q3+Q4
Q4=kJ
5.中变炉催化剂平衡曲线
按照H2O/CO=,与公式XP=
×100%
V=KPAB-CD
q=
U=KP(A+B)+(C+D),W=KP-1
其中A、B、C、D别离代表CO、CO2、CO2及H2的起始浓度
t
300
320
340
360
380
400
T
573
593
613
633
653
673
Xp
t
420
440
460
T
693
713
733
Xp
中变炉催化剂平衡曲线如下:
6.最佳温度曲线的计算
由于中变炉选用C6型催化剂,
最适宜温度曲线由式
进行计算。
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》C6型催化剂的正负反映活化能别离为E1=10000千卡/千克分子,E2=19000千卡/千克分子。
最适宜温度计算列于下表中:
Xp
T
526
t
253
Xp
T
671
t
398
Xp
T
t
将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图:
7.操作线计算
有中变催化剂变换率及热平衡计算结果知:
中变炉人口气体温度335℃
中变炉出口气体温度415℃
中变炉入口CO变换率0
中变炉出口CO变换率60%
由此可作出中变炉催化剂反映的操作线如下:
8.中间冷淋进程的物料和热量衡算:
此进程采用水来对变换气进行降温。
以知条件:
变换气的流量:
设冷淋水的流量:
Xkg
变换气的温度:
415℃
冷淋水的入口温度:
20℃
进二段催化床层的温度:
353℃
操作压力:
1750kp
热量计算:
冷淋水吸热Q1:
据冷淋水的入口温度20℃查《化工热力学》可知h1=kg
按照《化工热力学》可知
T/k
P/kPa
H/(kJ/kg)
600
1600
600
1800
700
1600
700
1800
冷淋水要升温到353℃,所以设在353℃,615K,1750kp时的焓值为h
对温度进行内查法:
1600kpa时
(626-600)/=(700-626)/
h=kJ/kg
1800kpa时
(626-600)/=(700-626)/
h=kJ/kg
对压力用内差法得353℃,615K,1750Kp时的焓值h为:
(1750-1600)/=(1800-1750)/
h=kJ/kg
Q1=X(变换气吸热Q2
按照表和表的计算方式得:
物质
CO
CO2
H2
H2O
N2
CH4
Cp
31
所以Cpm=∑Yi*Cp=kJ/(kmol.℃)
Q2=**(415-353)
取热损失为Q2
按照热量平衡:
Q2=XX===M3(标)
所以进二段催化床层的变换气组分:
水的量为:
+=M3(标)
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%
100
M3(标)
koml
9.中变炉二段催化床层的物料衡算:
设中变炉二段催化床层的转化率为(总转化率)
所以在二段CO的转变量*=M3(标)
在中变炉二段催化床层的转化的CO的量为:
()=(标)=
出中变炉二段催化床层的CO的量为:
M3(标)
故在二段催化床层反映后剩余的CO2的量为:
+=(标)
故在二段催化床层反映后剩余的H2的量为:
+=(标)
故在二段催化床层反映后剩余的H2O的量为:
(标)
所以出中变炉的湿组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%
100
M3(标)
koml
对出变炉一段催化床层的变换气温度进行估算:
按照:
K=(H2%×CO2%)/(H2O%×CO%)
计算得K=
查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当K=时t=409℃
设平均温距为48℃,则出变炉一段催化床层的变换气温度为:
409℃-44℃=365℃
10.中变炉二段催化床层的热量衡算:
以知条件:
进变炉二段催化床层的变换气温度为:
353℃
出变炉二段催化床层的变换气温度为:
365℃
变换气反映放热Q1:
计算变换气中各组分的生成焓,原理与计算一段床层一样,平均温度为:
632K,计算结果如下:
组分
H2
H2O
CO
CO2
Ht(kcal/kmol)
Ht(kJ/kmol)
放热:
CO+H2O=CO2+H2
(1)
△H1=(∑Hi)始-(∑Hi)末=kJ/kg
Q1=*=kJ/kg
气体吸热Q2:
按照《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.℃)
表
物质
CO
H2
H2O
CO2
N2
a
30
b/10-3
c/10-5
-----------
CH4可用公式Cp=a+b+cT2+dT3来计算热容:
物质
a
b
c
d
CH4
计算结果:
组分
CO
H2
CO2
H2O
N2
CH4
Cp
Cpm=∑Yi*Cp=(kmol.℃)
Q2=**(365-353)=
热损失:
Q3=Q1-Q2=kJ
第二节低变炉的物料与热量计算
1.已知条件:
进低变炉的湿组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
H2O
合计
含量%
100
M3(标)
koml
进低变炉的干组分:
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
合计
含量%
100
M3(标)
koml
2.低变炉的物料衡算:
要将CO%降到%(湿基)以下,则CO的实际变换率为:
%=
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