年產(chǎn)50萬噸合成氨中變換工段設(shè)計(jì)說明

1、 PAGE45 / NUMPAGES49年產(chǎn)50萬噸合成氨中變換工段設(shè)計(jì)摘要變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中關(guān)鍵的一步，其主要任務(wù)是將變換氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。本設(shè)計(jì)采用中串低工藝流程。首先對(duì)工藝流程和工藝條件進(jìn)行簡單說明；然后對(duì)全廠布置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；其次根據(jù)工藝參數(shù)對(duì)中變爐、低變爐、飽和熱水塔等主要設(shè)備進(jìn)行物料、熱量衡算；再次對(duì)變換爐、換熱器進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算；最后對(duì)變換爐進(jìn)行強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞中串低；變換工段；工藝設(shè)計(jì)The Design of the Conversion Section in the Production of the 500 thousand tons Synt

2、hetic Ammonia per yearAbstract: Conversion section is the key step in the Synthetic Ammoniaproduction, the main task is transform the Carbon monoxide in the feed gas to Carbon dioxide.Thisdesign uses high and low temperature shiftinseriesprocess.Firstly, simply introduce the process and process cond

3、itions; Secondly carries on the reasonable design to the entire factory arrangement; Next according to the parameters to calculatethe material and heat balance of the main equipment such as medium temperature shift furnace、low temperature shift furnace and Saturated hot water tower.; Then design and

4、 calculate overall structure of the shift converter and the heat interchanger. Finally carries on the intensity examination to the shift converter.Key word: low and medium temperature; conversion section; process design;目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc2826250231 概述 PAGEREF _Toc282625023 h 1HYPER

5、LINK l _Toc2826250241.1目的和意義 PAGEREF _Toc282625024 h 1HYPERLINK l _Toc2826250251.2合成氨工業(yè)概況 PAGEREF _Toc282625025 h 1HYPERLINK l _Toc2826250261.2.1基本現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc282625026 h 1HYPERLINK l _Toc2826250271.2.2發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc282625027 h 1HYPERLINK l _Toc2826250281.2.3應(yīng)用領(lǐng)域 PAGEREF _Toc282625028 h 2HYPER

6、LINK l _Toc2826250291.3變換工藝介紹 PAGEREF _Toc282625029 h 2HYPERLINK l _Toc2826250301.3.1中溫變換工藝 PAGEREF _Toc282625030 h 2HYPERLINK l _Toc2826250311.3.2中串低變換工藝 PAGEREF _Toc282625031 h 2HYPERLINK l _Toc2826250321.3.3中低低變換工藝 PAGEREF _Toc282625032 h 2HYPERLINK l _Toc2826250331.3.4全低變工藝 PAGEREF _Toc282625033

7、 h 3HYPERLINK l _Toc2826250341.4變換工藝的選擇 PAGEREF _Toc282625034 h 3HYPERLINK l _Toc2826250351.4.1工藝原理 PAGEREF _Toc282625035 h 3HYPERLINK l _Toc2826250361.4.2工藝條件 PAGEREF _Toc282625036 h 3HYPERLINK l _Toc2826250371.4.3工藝流程確定 PAGEREF _Toc282625037 h 3HYPERLINK l _Toc2826250381.4.4主要設(shè)備的選擇說明 PAGEREF _Toc2

8、82625038 h 4HYPERLINK l _Toc2826250392 全廠總平面布置 PAGEREF _Toc282625039 h 5HYPERLINK l _Toc2826250402.1全場總平面布置的任務(wù) PAGEREF _Toc282625040 h 5HYPERLINK l _Toc2826250412.2全廠總平面設(shè)計(jì)的原則 PAGEREF _Toc282625041 h 5HYPERLINK l _Toc2826250422.3全廠總平面布置容 PAGEREF _Toc282625042 h 5HYPERLINK l _Toc2826250432.4全廠平面布置的特點(diǎn)

9、PAGEREF _Toc282625043 h 5HYPERLINK l _Toc2826250442.5全廠人員編制 PAGEREF _Toc282625044 h 5HYPERLINK l _Toc2826250453 物料與熱量衡算 PAGEREF _Toc282625045 h 7HYPERLINK l _Toc2826250463.1已知條件與計(jì)算基準(zhǔn) PAGEREF _Toc282625046 h 7HYPERLINK l _Toc2826250473.2中溫變換爐物料與熱量計(jì)算 PAGEREF _Toc282625047 h 7HYPERLINK l _Toc2826250483

10、.2.1水汽比的確定 PAGEREF _Toc282625048 h 7HYPERLINK l _Toc2826250493.2.2中變爐CO的實(shí)際變換率的求取 PAGEREF _Toc282625049 h 7HYPERLINK l _Toc2826250503.2.3中變爐催化劑平衡曲線 PAGEREF _Toc282625050 h 8HYPERLINK l _Toc2826250513.2.4最佳溫度曲線的計(jì)算 PAGEREF _Toc282625051 h 8HYPERLINK l _Toc2826250523.2.5中變爐一段催化床層的物料與熱量衡算 PAGEREF _Toc282

11、625052 h 9HYPERLINK l _Toc2826250533.2.6中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算 PAGEREF _Toc282625053 h 12HYPERLINK l _Toc2826250543.3低變爐的物料與熱量衡算 PAGEREF _Toc282625054 h 15HYPERLINK l _Toc2826250553.3.1低變爐物料計(jì)算 PAGEREF _Toc282625055 h 15HYPERLINK l _Toc2826250563.3.2出低變爐的變換氣溫度估算： PAGEREF _Toc282625056 h 16HYPERLINK l _Toc

12、2826250573.3.3低變爐的熱量衡算 PAGEREF _Toc282625057 h 16HYPERLINK l _Toc2826250583.3.4低變催化劑操作線計(jì)算 PAGEREF _Toc282625058 h 17HYPERLINK l _Toc2826250593.3.5低變爐催化劑平衡曲線 PAGEREF _Toc282625059 h 17HYPERLINK l _Toc2826250603.4 飽和熱水塔的熱量和物料衡算 PAGEREF _Toc282625060 h 19HYPERLINK l _Toc2826250613.4.1 飽和塔的熱量和物料衡算 PAGER

13、EF _Toc282625061 h 19HYPERLINK l _Toc2826250623.4.2熱水塔的物料和熱量衡算 PAGEREF _Toc282625062 h 20HYPERLINK l _Toc2826250633.5主換熱器的物料與熱量的衡算 PAGEREF _Toc282625063 h 21HYPERLINK l _Toc2826250643.6中間變換器物料與熱量衡算 PAGEREF _Toc282625064 h 23HYPERLINK l _Toc2826250654 設(shè)備的計(jì)算 PAGEREF _Toc282625065 h 24HYPERLINK l _Toc2

14、826250664.1中溫變換爐的計(jì)算 PAGEREF _Toc282625066 h 24HYPERLINK l _Toc2826250674.1.1觸媒用量的計(jì)算 PAGEREF _Toc282625067 h 24HYPERLINK l _Toc2826250684.1.2第一段床層觸媒用量 PAGEREF _Toc282625068 h 24HYPERLINK l _Toc2826250694.1.3 第二段床層觸媒用量 PAGEREF _Toc282625069 h 25HYPERLINK l _Toc2826250704.1.4 觸媒直徑的計(jì)算 PAGEREF _Toc282625

15、070 h 26HYPERLINK l _Toc2826250714.1.5中變爐進(jìn)出口管徑的選擇 PAGEREF _Toc282625071 h 27HYPERLINK l _Toc2826250724.2低溫變換爐的計(jì)算 PAGEREF _Toc282625072 h 28HYPERLINK l _Toc2826250734.2.1催化劑用量計(jì)算 PAGEREF _Toc282625073 h 28HYPERLINK l _Toc2826250744.2.2催化劑床層阻力 PAGEREF _Toc282625074 h 28HYPERLINK l _Toc2826250754.3主換熱器的

16、計(jì)算 PAGEREF _Toc282625075 h 29HYPERLINK l _Toc2826250764.3.1傳熱面積的計(jì)算 PAGEREF _Toc282625076 h 29HYPERLINK l _Toc2826250774.3.2設(shè)備直徑與管板的確定 PAGEREF _Toc282625077 h 30HYPERLINK l _Toc2826250784.3.3傳熱系數(shù)的驗(yàn)算 PAGEREF _Toc282625078 h 30HYPERLINK l _Toc2826250794.3.4殼側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc282625079 h 31HYPERLINK

17、 l _Toc2826250804.3.5總傳熱系數(shù)核算 PAGEREF _Toc282625080 h 32HYPERLINK l _Toc2826250814.3.6其他換熱器的選擇 PAGEREF _Toc282625081 h 32HYPERLINK l _Toc2826250824.4泵的選擇 PAGEREF _Toc282625082 h 33HYPERLINK l _Toc2826250835 變換爐機(jī)械設(shè)計(jì)與校核 PAGEREF _Toc282625083 h 35HYPERLINK l _Toc2826250845.1變換爐筒體和裙座壁厚計(jì)算 PAGEREF _Toc2826

18、25084 h 35HYPERLINK l _Toc2826250855.2變換爐的質(zhì)量載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc282625085 h 35HYPERLINK l _Toc2826250865.2.1塔殼和裙座的質(zhì)量 PAGEREF _Toc282625086 h 35HYPERLINK l _Toc2826250875.2.2封頭質(zhì)量 PAGEREF _Toc282625087 h 35HYPERLINK l _Toc2826250885.2.3 裙座質(zhì)量 PAGEREF _Toc282625088 h 36HYPERLINK l _Toc2826250895.2.4塔構(gòu)件質(zhì)量 P

19、AGEREF _Toc282625089 h 36HYPERLINK l _Toc2826250905.2.5人孔、法蘭、接管與附屬物質(zhì)量 PAGEREF _Toc282625090 h 36HYPERLINK l _Toc2826250915.2.6保溫材料質(zhì)量 PAGEREF _Toc282625091 h 36HYPERLINK l _Toc2826250925.2.7平臺(tái)、扶梯質(zhì)量 PAGEREF _Toc282625092 h 36HYPERLINK l _Toc2826250935.2.8操作時(shí)塔物料質(zhì)量 PAGEREF _Toc282625093 h 36HYPERLINK l

20、_Toc2826250945.3地震載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc282625094 h 37HYPERLINK l _Toc2826250955.3.1計(jì)算危險(xiǎn)截面的地震彎矩 PAGEREF _Toc282625095 h 37HYPERLINK l _Toc2826250965.4風(fēng)載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc282625096 h 37HYPERLINK l _Toc2826250975.4.1風(fēng)力計(jì)算 PAGEREF _Toc282625097 h 38HYPERLINK l _Toc2826250985.4.2風(fēng)彎矩計(jì)算 PAGEREF _Toc282625098 h 39

21、HYPERLINK l _Toc2826250995.5各種載荷引起的軸向應(yīng)力 PAGEREF _Toc282625099 h 39HYPERLINK l _Toc2826251005.5.1計(jì)算壓力引起的軸向應(yīng)力 PAGEREF _Toc282625100 h 39HYPERLINK l _Toc2826251015.5.2操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力 PAGEREF _Toc282625101 h 39HYPERLINK l _Toc2826251025.5.3最大彎矩引起的軸向應(yīng)力 PAGEREF _Toc282625102 h 39HYPERLINK l _Toc2826251035.6筒

22、體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc282625103 h 40HYPERLINK l _Toc2826251045.6.1筒體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc282625104 h 40HYPERLINK l _Toc2826251055.6.2裙座的穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc282625105 h 40HYPERLINK l _Toc2826251065.7裙座和筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 PAGEREF _Toc282625106 h 41HYPERLINK l _Toc2826251075.7.1筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 PAGEREF _Toc28

23、2625107 h 41HYPERLINK l _Toc2826251085.7.2裙座水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 PAGEREF _Toc282625108 h 41HYPERLINK l _Toc2826251095.8基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc282625109 h 42HYPERLINK l _Toc2826251105.8.1基礎(chǔ)環(huán)尺寸 PAGEREF _Toc282625110 h 42HYPERLINK l _Toc2826251115.8.2基礎(chǔ)環(huán)尺寸的應(yīng)力校核 PAGEREF _Toc282625111 h 42HYPERLINK l _Toc2826251125.8.3基礎(chǔ)

24、環(huán)厚度 PAGEREF _Toc282625112 h 43HYPERLINK l _Toc2826251135.9地腳螺栓計(jì)算 PAGEREF _Toc282625113 h 43HYPERLINK l _Toc2826251145.9.1地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力 PAGEREF _Toc282625114 h 43HYPERLINK l _Toc2826251155.9.2地腳螺栓直徑 PAGEREF _Toc282625115 h 43HYPERLINK l _Toc282625116總結(jié) PAGEREF _Toc282625116 h 45HYPERLINK l _Toc2826251

25、17設(shè)備一覽表 PAGEREF _Toc282625117 h 46HYPERLINK l _Toc282625118符號(hào)說明 PAGEREF _Toc282625118 h 47HYPERLINK l _Toc282625119參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc282625119 h 48HYPERLINK l _Toc282625120致 PAGEREF _Toc282625120 h 49HYPERLINK l _Toc282625121附圖說明 PAGEREF _Toc282625121 h 501 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)。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展

26、成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。合成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣的制?。辉蠚獾膬艋c合成。粗原料氣中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過CO變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。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程。變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因?yàn)槟芊裾Ｉa(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。1.1目的和意義氨是重要的

27、無機(jī)化工產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著世界人口的不斷增加，用于制造尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨以與其他化工產(chǎn)品的氨用量也在增長。在化學(xué)工業(yè)中，合成氨工業(yè)已經(jīng)成為了重要的支柱產(chǎn)業(yè)。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%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。合成氨的生產(chǎn)主要分為原料氣的制取和原料氣的凈化與合成。粗原料氣中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化劑的毒物，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過CO變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換

28、串聯(lián)甲烷化法加以脫除。合成氨，除原料為天然氣、石油、煤炭等一次能源外，整個(gè)生產(chǎn)過程還需消耗較多的電力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。現(xiàn)在合成氨能耗約占世界能源消費(fèi)總量的3%，中國合成氨生產(chǎn)能耗約占全國能耗的4%。因而能耗是衡量合成氨技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成CO2和H2的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為12%40%。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。變換反應(yīng)如下：。由于CO變換過程是強(qiáng)放熱過程，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。第

29、一步是高溫變換，使大部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3%左右。因此，CO變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從80年代中期發(fā)展起來的。所謂中變串低變流程，就是在B106等Fe-Cr系催化劑之后串入Co-Mo系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。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。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。變換過程需在高溫高壓使用催化劑條件下進(jìn)行，因此變換

30、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。1.2合成氨工業(yè)概況1.2.1基本現(xiàn)狀我國的氮肥工業(yè)自20世紀(jì)50年代以來,不斷發(fā)展壯大,目前合成氨產(chǎn)量已躍居世界第一位,已掌握了以焦炭、無煙煤、焦?fàn)t氣、天然氣與油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨、尿素的技術(shù),形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。目前合成氨總生產(chǎn)能力為4500萬噸/年左右,氮肥工業(yè)已基本滿足了國需求,在與國際接軌后,具備與國際合成氨產(chǎn)品競爭的能力,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。1.2.2發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析,估計(jì)未來合成氨的基本生產(chǎn)原

31、理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變,其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期,改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo),進(jìn)一步集中在 “大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā)。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)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。單系列合成氨裝置生產(chǎn)能力將從2000t/d提高至40005000t/d;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。在合成氨裝置大型化的技術(shù)開發(fā)過程中,其焦點(diǎn)主要集中在關(guān)鍵性的工序和設(shè)備,即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術(shù)、合成

32、氣壓縮機(jī)；在低能耗合成氨裝置的技術(shù)開發(fā)過程中,其主要工藝技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展；實(shí)施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產(chǎn)過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,延長運(yùn)行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率、延長運(yùn)行周期”的技術(shù),包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等將越來越受到重視。1.2.3應(yīng)用領(lǐng)域氨在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位?，F(xiàn)在約有80%的氨用來制造化學(xué)肥料，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氨肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸

33、銨、硫酸銨、氯化銨、氨水以與各種含氨混肥和復(fù)肥，都是以氨為原料的。氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學(xué)纖維和塑料。從氨可以制的硝酸，繼而再制造硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纖維素等。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)已酰胺，尼龍6單體、己二胺、人造絲、全脂樹脂和脲醛樹脂等產(chǎn)品。氨的其他工業(yè)用途也十分廣泛，例如，作為制冰、空調(diào)、冷藏等系統(tǒng)的制冷劑，在冶金工業(yè)中用來提煉礦石中的銅、鎳等金屬，在醫(yī)藥和生物化學(xué)方面生產(chǎn)磺胺類生物、維生素、蛋氨酸和其他氨基酸等。1.3變換工藝介紹1.3.1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。加壓中溫變換工藝主要

34、特點(diǎn)是：采用低溫高活性的中變催化劑，降低了工藝上對(duì)過量蒸汽的要求；采用段間冷激降溫，減少了系統(tǒng)的熱負(fù)荷和阻力，減小外供蒸汽量；合成與變換，銅洗構(gòu)成第二換熱網(wǎng)絡(luò)，合理利用熱能。其中有兩種模式，一是“水流程”模式，二是“汽流程”模式。前者指在合成塔后設(shè)置水加熱器以熱水形式向變換系統(tǒng)補(bǔ)充熱能，并通過變換工段設(shè)置的兩個(gè)飽和熱水塔使自產(chǎn)蒸汽達(dá)到變換反應(yīng)所需的汽氣比。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)到操作簡單、平穩(wěn)、省時(shí)、節(jié)能效果。1.3.2中串低變換工藝所謂中溫變換串低溫變換流程

35、，就是在B107等Fe-Cr系催化劑之后串入Co-Mo系寬溫變換催化劑。由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有較大幅度的降低；另一方面變換氣中的CO含量也大幅度降低。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。根據(jù)催化劑低溫性能，低變爐入口溫度可控制在180230。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。另外，由于變換效率的提高，合成氨產(chǎn)量可以相對(duì)增加。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。1.3.3中低低變換工藝中低低流程是在一段鐵鉻系中溫變換催化劑后直接串二段鈷鉬系耐硫變換催化劑，利用中溫變換的

36、高溫來提高反應(yīng)速率，脫除有毒雜質(zhì)，利用兩段低溫變換提高變換率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。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。該流程與中變串低變相比，關(guān)鍵是增加了第一低變，填補(bǔ)了280250這一中變串低變所沒有的反應(yīng)溫區(qū)，充分利用了低變催化劑在這一溫區(qū)的高活性。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。1.3.4全低變工藝全低變工藝是全部采用低溫活性鈷鉬系變換催化劑進(jìn)行一氧化碳變換的工藝過程，作為一種節(jié)能新工藝, 節(jié)能降耗的效果顯著。低變爐各段進(jìn)口溫度均在200左右，床

37、層溫度比傳統(tǒng)的床層溫度下降100300，有利于變換反應(yīng)平衡。汽氣比降低，蒸汽消耗大幅下降，在幾種變換流程中蒸汽消耗最低。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。與原高變催化劑比較，催化劑用兩可以減少一半以上，降低了變換爐床層阻力，降低了壓縮功耗。余熱回收效果好。催化劑段間換熱等用水加熱器逐級(jí)回收、逐級(jí)加熱飽和熱水塔循環(huán)熱水，出飽和塔半水煤氣的溫度與飽和度高，出熱水塔變換氣溫度可降到100以下。1.4變換工藝的選擇1.4.1工藝原理一氧化碳變換反應(yīng)式為： (1) (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）

38、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。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應(yīng)式：1.4.2工藝條件(1)壓力：壓力對(duì)變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動(dòng)力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。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與壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為0.71.2MPa,中型氨廠

39、為1.21.8Mpa。本設(shè)計(jì)壓力取1.75MPa。(2)溫度：變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，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，可見溫度對(duì)兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應(yīng)溫。對(duì)一定催化劑與氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為式中Tm、Te分別為最佳反應(yīng)溫度與平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。(3)汽氣比水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料氣。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。增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡變換率，從而有利于降低CO殘余

40、含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分Fe3O4的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭與生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對(duì)過程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；CO停留時(shí)間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時(shí)適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=35，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO可達(dá)15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。1.4.3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。若一氧化碳體積分?jǐn)?shù)較高，應(yīng)采用中溫變換因?yàn)橹凶兇呋瘎┎僮鳒囟葒^寬，而且價(jià)廉，壽命長，

41、大多數(shù)合成氨原料氣中一氧化碳高于10%，故都可先通過中變除去大部分一氧化碳。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。其次，根據(jù)原料氣的溫度和濕含量情況，則考慮適當(dāng)預(yù)熱和增濕，合理利用余熱。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。如要求在0.3%左右，則將中變和低變串聯(lián)使用。目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低與中低低4種工藝。本設(shè)計(jì)參考市城固化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。從壓縮工段來的半水煤氣進(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

42、中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到0.3%以下，再進(jìn)入脫碳工段。 1.4.4主要設(shè)備的選擇說明中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備有中變爐、低變爐、飽和熱水塔、換熱器等。中變爐選用C6型催化劑，計(jì)算得中變催化劑實(shí)際用量30m3。以上設(shè)備的選擇主要是依據(jù)所給定的合成氨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料氣中碳氧化物的含量以與變換氣中所要求的CO濃度。2 全廠總平面布置2.1全場總平面布置的任務(wù)全廠平面設(shè)計(jì)為本設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要任務(wù)，總平面設(shè)計(jì)的是否合理，直接影響新建廠能否節(jié)約而有效的順利進(jìn)行，影響到建廠后的生產(chǎn)，管理，成本，能耗等各個(gè)方面，同時(shí)還影響到全

43、廠的美觀和今后的發(fā)展。總平面設(shè)計(jì)任務(wù)：1在滿足生產(chǎn)流程條件下，結(jié)合廠區(qū)地形情況，經(jīng)濟(jì)合理的安排場外各建筑物、構(gòu)筑物堆場等的相對(duì)位置；2經(jīng)濟(jì)合理的豎向布置，正確選擇標(biāo)高；確定場外運(yùn)輸方式運(yùn)輸布置，合理組織人流物流；3布置綜合管線；4標(biāo)高綠化美化，考慮衛(wèi)生消防條件，創(chuàng)造美好的工作條件。2.2全廠總平面設(shè)計(jì)的原則全廠總平面設(shè)計(jì)的基本原則為：（1）建筑物之間相互配置應(yīng)符合生產(chǎn)程序的要求，并能保證合理生產(chǎn)作業(yè)線；（2）原材料、半成品、成品的生產(chǎn)作業(yè)線應(yīng)銜接協(xié)調(diào)，流程疏通，避免交叉和往返；（3）廠一切運(yùn)輸系統(tǒng)布置應(yīng)適合貨物運(yùn)轉(zhuǎn)的特征，盡可能使貨運(yùn)路線和人員路線不交叉；（4）適當(dāng)劃分廠區(qū)，建筑物之間的距離盡

44、量縮小，但必須符合防火和衛(wèi)生技術(shù)條件的要求；（5）在保證安全生產(chǎn)的前提下力求縮小廠房戰(zhàn)地面積，廠房布置盡量緊湊，根據(jù)生產(chǎn)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)擬建的工廠為中小型企業(yè)的情況，將工廠劃分為幾個(gè)區(qū)域，并按照區(qū)域進(jìn)行布置，以保證各區(qū)域之間位置的協(xié)調(diào)配合，并符合衛(wèi)生防疫和環(huán)境美化。2.3全廠總平面布置容全廠應(yīng)主要包括廠前區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、動(dòng)力區(qū)、倉庫區(qū)、三廢處理區(qū)。廠前區(qū)：包括行政樓、研發(fā)樓、職工食堂、醫(yī)務(wù)室等主要建筑。生產(chǎn)區(qū)：應(yīng)包括七大車間：原料車間、熱電車間、造氣車間、壓縮車間、碳化車間、合成車間和尿素車間。還應(yīng)有備件庫、機(jī)修車間、消防車間等輔助車間。動(dòng)力區(qū)：包括變電站、鍋爐房等。他們盡量靠近其服務(wù)的車間。這樣可以

45、減少管路的鋪設(shè)和運(yùn)輸過程的損耗。倉庫區(qū)：應(yīng)靠近主干道以便于運(yùn)輸。2.4全廠平面布置的特點(diǎn)平面布置有以下幾個(gè)特點(diǎn)：廠房建筑物的布置與生產(chǎn)工藝流程相適應(yīng)。原料半成品和成品形成整個(gè)順序，盡量保證流水作業(yè)，避免逆行和交叉；鍋爐房水泵房配電站等輔助車間盡量靠近其主要部門，以縮短期間距離，節(jié)省投資；由前區(qū)到生產(chǎn)區(qū)主要干道，應(yīng)避免與主要運(yùn)輸?shù)缆方徊妫槐M量使大多數(shù)廠房向陽背風(fēng)避免瓦斯等，盡可能使各廠區(qū)有條件采用自然采光和自然通風(fēng)等；按防火規(guī)的要求，保證建筑物之間的距離，符合規(guī)定；根據(jù)衛(wèi)生規(guī)的要求，保證廠區(qū)衛(wèi)生符合規(guī)定；根據(jù)環(huán)境發(fā)展的要求，生產(chǎn)區(qū)設(shè)在有廢渣處理系統(tǒng)廢水處理系統(tǒng)廢氣處理系統(tǒng)等設(shè)施 ；考慮工廠今后的

46、發(fā)展，在廠區(qū)留有建筑余地；盡量做到以生產(chǎn)區(qū)為軸線，再考慮輔助車間行政樓和道路的安排。2.5全廠人員編制企業(yè)實(shí)行廠長負(fù)責(zé)制，各部門負(fù)責(zé)人直接受廠長負(fù)責(zé)，并實(shí)行三級(jí)管理，廠、科、車間與人員編制以組織好生產(chǎn)為原則。生產(chǎn)車間實(shí)行三班制，每班八小時(shí)，機(jī)械設(shè)備大修每二年一次，機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)每一年一次。表2.1 合成氨全廠人員編制工種班制男女總?cè)藬?shù)原料崗位333熱電崗位333造氣崗位333變換崗位333脫碳崗位333甲烷化崗位333壓縮崗位333脫硫崗位333尿素崗位333司爐崗位333技術(shù)員1314安全員122輔助人員155車間主任144總計(jì)3213453 物料與熱量衡算3.1已知條件與計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)中變爐變換

47、氣組分含量見下表：表3.1 進(jìn)中變爐變換氣各組分含量組 分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)含量，13.822.540.120.80.52.3100計(jì)算基準(zhǔn)：1噸氨計(jì)算生產(chǎn)1噸氨需要的變換氣量：取生產(chǎn)過程中物料損失為0.01，則變換氣量取3560Nm3年產(chǎn)五十萬噸合成氨日生產(chǎn)量為（一年連續(xù)生產(chǎn)330天）：進(jìn)中變爐的變換氣干組分見下表：表3.2 進(jìn)中變爐變換氣干組分含量組 分CO2COH2N2O2CH4合計(jì)含量，13.822.540.120.80.52.3100Nm3491.288011427.56740.4817.881.883560kmol21.93235.75963.73033.0570.7

48、953.655158.928假設(shè)進(jìn)中變爐的變換氣溫度為330，取變換氣進(jìn)出的溫差為35，出爐的變換氣溫度為365。進(jìn)中變爐干氣壓力。3.2中溫變換爐物料與熱量計(jì)算3.2.1水汽比的確定取H2O/CO=3。故，因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分見下表：表3.3 進(jìn)中變爐變換氣濕組成組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計(jì)含量8.2413.4323.9412.410.31.3740.3100Nm3491.288011427.56740.4817.881.8824035963kmol21.93235.75963.7333.0570.7953.655107.277266.2053.2.2中變爐CO的實(shí)際變換

49、率的求取假定濕轉(zhuǎn)化氣為100mol，其中CO濕基含量為13.43%，要求變換氣中CO含量為2，根據(jù)變換反應(yīng)： ，可得CO的實(shí)際變換率公式為：式中Ya、Ya分別為原料與變換氣中CO的摩爾分率（濕基）所以： 則反應(yīng)掉的CO的量為：則反應(yīng)后的各組分的量分別為： 計(jì)算中變爐出口的平衡常數(shù)得：查文獻(xiàn)1可知Kp=10時(shí)溫度為405，中溫變換的平均溫距為：30到50中變的平均溫距為40536540所以中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。3.2.3中變爐催化劑平衡曲線根據(jù)H2O/CO=3，與文獻(xiàn)1上的公式其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2與H2的起始濃度。計(jì)算結(jié)果列于下表：表3.4 不同溫

50、度下的催化劑轉(zhuǎn)化率t300340380400420440T573613653673693713Xp0.9560.9280.8780.8540.8240.779催化劑平衡曲線見下圖：圖3.1 中變爐催化劑平衡曲線3.2.4最佳溫度曲線的計(jì)算由于中變爐選用C6型催化劑，最適宜溫度曲線用下式進(jìn)行計(jì)算：式中E1、E2分別為催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能。查文獻(xiàn)2C6型催化劑的正負(fù)反應(yīng)活化能分別為E1=10000千卡/公斤分子，E2=19000千卡/公斤分子。最適宜溫度計(jì)算結(jié)果列于下表中：表3.5 中變催化劑不同轉(zhuǎn)化率下的適宜溫度Xp0.9560.8780.8240.7790.70.650.59T，K41746

51、8493511542561585t，144195220238269288312催化劑最適宜溫度曲線見下圖：圖3.2 催化劑最適宜溫度曲線3.2.5中變爐一段催化床層的物料與熱量衡算已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣的溫度為330進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣濕組分含量見表2-3：（1）出中變爐一段催化床層的氣體組成假設(shè)CO在一段催化床層的實(shí)際變換率為60假使O2與H2 完全反應(yīng)，O2 完全反應(yīng)掉故在一段催化床層反應(yīng)掉的CO的量為：出一段催化床層的CO的量為：在一段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：在一段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為： 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分的體積：故出中變爐一段

52、催化床層的變換氣干組分中CO的含量：同理得：所以出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：表3.6 出中變爐一段變換氣干組成含量組分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量24.368.0346.9718.572.05100Nm3971.34320.41872.56740.4881.883986.66kmol43.36314.30483.59633.0573.655177.976剩余的H2O的量為：2403-480.6+217.8=1958N m3=87.410kmol故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的體積：所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量見下表：表3.7 進(jìn)中變爐一段變換氣濕組成含量組分C

53、O2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量16.345.3931.512.461.3832.93100Nm3971.34320.41872.56740.4881.8819585944.66koml43.36314.30483.59633.0573.65587.41265.387（2）出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度根據(jù)：計(jì)算得Kp=4查文獻(xiàn)1知當(dāng)Kp=4時(shí)t=445。設(shè)平均溫距為35，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：445-35=415（3）中變爐一段催化床層的熱量衡算已知條件：進(jìn)中變爐一段催化床層的變換氣溫度：330出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：415可知反應(yīng)放熱Q：在變化氣中含有C

54、O，H2O，O2，H2 這4種物質(zhì)會(huì)發(fā)生以下2種反應(yīng)：（1）（2）這2個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。查文獻(xiàn)1得變換氣的各個(gè)組分的生成焓列于下表表3.7 各組分的生成焓組分O2H2 H2O CO CO2Hm,f(kJ/kmol)93498941-231346-101580-380681反應(yīng)（1）放熱Q1反應(yīng)（2）放熱Q2氣體反應(yīng)共放熱：氣體吸熱Q3根據(jù)文獻(xiàn)8知CO, H2, H2O, CO2, N2 可用公式：Cp=a+bT+CT-2來計(jì)算熱容，熱容的單位為kJ/(kmol.K)，計(jì)算常數(shù)見下表：表3.8 各組分熱容計(jì)算常數(shù)物質(zhì)COH2H2OCO2N2a28.4127.283044.1427.87b/10

55、-34.13.2610.719.044.27c/105-0.460.5020.33-8.53CH4可用公式：Cp=a+bT+CT2+dT3來計(jì)算熱容:表3.9 CH4的熱容計(jì)算常數(shù)物質(zhì)ab/10-3c/10-6d/10-9CH417.4560.461.117-7.2計(jì)算結(jié)果見下表： 表3.10 各組分的熱容物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以平均熱容： 所以氣體吸熱:根據(jù)熱量平衡得：熱損失（4）中變一段催化劑操作線的計(jì)算有中變一段催化劑變換率與熱平衡計(jì)算結(jié)果知：中變爐入口氣體溫度 330中變爐出口氣體溫度 415中變爐入口CO變換率 0中變爐出

56、口CO變換率 60%由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下：圖2.3 中變爐一段操作線3.2.6中變爐二段催化床層的物料與熱量衡算（1）中間冷凝過程的物料和熱量計(jì)算：已知條件：變換氣的流量：265.387koml設(shè)冷凝水的流量：X kg變換氣的溫度：415冷凝水的進(jìn)口溫度：20進(jìn)二段催化床層的溫度：353操作壓力：1750KPa冷凝水吸熱Q1：據(jù)冷凝水的進(jìn)口溫度20查文獻(xiàn)5可知H1=83.96kJ/kg，冷凝水要升溫到353，所以353, 1750Kpa時(shí)的焓值H=3751.0235 kJ/kgQ1= X(3751.0235-83.96)變換氣吸熱Q2：計(jì)算各物質(zhì)的Cp為： 表3.11 各組分

57、的熱容物質(zhì)COCO2H2H2ON2CH4Cp3148.229.637.230.756.1所以取熱損失為0.04 Q2根據(jù)熱量平衡：水的量為：所以進(jìn)二段催化床層的變換氣組分見下表：表3.12 進(jìn)二段催化床層的變換氣組分含量組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量15.835.2230.5212.071.3335.03100Nm3971.34320.41872.56740.4881.882149.486136.13kmol43.36314.30483.59633.0573.65595.96265.387（2）中變爐二段催化床層的物料衡算：設(shè)中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化率為0.82，所以CO的變化量為

58、：在中變爐二段催化床層的轉(zhuǎn)化的CO的量為：出中變爐二段催化床層的CO的量為：故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的CO2的量為：故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2的量為：所以在二段催化床層反應(yīng)后的變換氣總量：所以出中變爐二段催化床層的變換氣干組分見下表：表3.13 出二段催化床層的變換氣干組分含量組分CO2COH2N2CH4合計(jì)含量27.573.4649.2217.791.97100Nm31147.56144.182048.78740.4881.884162.88kmol51.236.43791.46333.0573.655185.482故在二段催化床層反應(yīng)后剩余的H2O的量為：所以在二段催化床層反應(yīng)后的

59、變換氣總量：所以出中變爐的濕組分：表3.14 出二段催化床層的濕變換氣組分含量組分CO2COH2N2CH4H2O合計(jì)含量18.72.333.3912.071.3332.16100Nm31147.56144.182048.78740.4881.881973.266136.14kmol51.236.43791.46333.0573.65588.092273.934（3）出中變爐二段催化床層的變換氣溫度估算：根據(jù)：計(jì)算得Kp=8.4查文獻(xiàn)1知當(dāng)Kp=8.4時(shí)t=420設(shè)平均溫距為40，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：42040=380（4）中變爐二段催化床層的熱量衡算：已知條件：進(jìn)中變爐二段催

60、化床層的變換氣溫度為：353出中變爐二段催化床層的變換氣溫度為：380變換氣反應(yīng)放熱Q1:查文獻(xiàn)1得變換氣的各個(gè)組分的生成焓列于下表。表3.15 各組分的生成焓組分H2 H2O CO CO2Hm,f(kJ/kmol)8941-230550-100873-370688反應(yīng)放熱氣體吸熱Q2計(jì)算變換氣中各組分的熱熔，原理與計(jì)算一段床層一樣，結(jié)果見下表：表3.16 各組分的熱容組分COH2CO2H2ON2CH4Cp28.5629.2547.336.7830.3153.72所以得：故熱損失（5）中變二段催化劑操作線計(jì)算由中變二段催化劑變換率與熱平衡計(jì)算結(jié)果知：中變爐入口氣體溫度 353中變爐出口氣體溫度