合成氨變換工段

1、30kt/a 合成氨變換工段工藝初步設(shè)計 摘 要 變換工段是指一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程；一氧化碳 變換既是原料氣的凈化過程,又是原料氣制備的連續(xù)；目前,變換工段主要接受 中變串低變的工藝流程；本設(shè)計針對中低溫串聯(lián)變換流程進行設(shè)計,對流程中各 個設(shè)備進行物料,能料衡算,以及設(shè)備選型,并繪制了帶把握點的流程圖； b5E2RGbCAP 關(guān)鍵詞： 合成氨 ,變換,工藝設(shè)計,設(shè)備選型 I / 57 第 1 頁,共 57 頁30kt/a Retention Of Ammonia Synthesis Process Preliminary Designp1EanqFDPwAbstactT

2、ransform section refers to the reactions that produce carbon dioxide carbon monoxide and hydrogen and water vapor in the process. Carbon monoxide transformation is the gas material purification process, and the preparation of gas material to continue. At present, the transformation mainly by grow st

3、ring sections of variable process low. This design of low-temperature series transformation process of process design, materials, each device can material calculation, and the equipment selection, and plotted take control in the flow chart and variable furnace equipment assembly drawing.DXDiTa9E3d K

4、eywords：ammonia, transformation, processdesign,equipmentchoicReTCrpUDGiTII / 57 第 2 頁,共 57 頁目 錄 摘要 ABSTRACT 1 緒論 2 1.1 前言 2 1.2 氨的性質(zhì)和用途 2 1.2.1 氨的物理性質(zhì) 2氨的化學性質(zhì) 2氨的用途 2變換工藝原理 3工藝條件 3壓力 3溫度 41.4.3 汽氣比 4 工藝流程確定 455工藝流程簡圖 流程工序簡述 5主要設(shè)備的選擇說明 2 物料與熱量衡算 6已知條件 67105PCzVD7HxA 中變爐的物料與熱量衡算 7水氣比的確定 72.2.2 中變爐 CO

5、的實際變換率的求取 中變爐的物料衡算 7對出中變爐的變換氣的溫度進行估算 中變爐的熱量衡算 10 中變爐催化劑平穩(wěn)曲線 11 正確溫度曲線的運算 12 中變催化劑操作線的運算 13 低變爐的物料與熱量衡算 14 III / 57 第 3 頁,共 57 頁2.3.1 低變爐 CO 的實際變換率的求取 14 2.3.2. 低變爐的物料衡算 14 對出低變爐的變換氣溫度進行估算 17jLBHrnAILg 低變爐的熱量衡算 17 低變爐平穩(wěn)曲線,最適宜溫度曲線及操作線運算 18 廢熱鍋爐的熱量和物料衡算 20 物料衡算 20 熱量衡算 21 水蒸汽的加入 22 主換器的物料與熱量的衡算 22 物料衡算

6、 22 熱量運算 23 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量衡算 24 3 設(shè)備的運算 26 中變爐的運算 26 觸媒用量的運算 26 中變催化床層觸媒用量 26 觸媒直徑的運算 28 中變爐工藝運算匯總 29 中變爐壁厚的運算 30 封頭的選擇 30 3.1.7 群座 31 地腳螺栓 32 3.1.9 人孔 32 3.1.10 排氣孔 32 3.1.11 接管 33 引出通道管 33 3.1.13 法蘭 33 3.1.14 筋板 34 中變爐材料與零部件一覽表 36 34 低溫變換爐運算 34 已知條件 34 催化劑用量運算 35 催化劑床層直徑運算 IV / 57 第 4 頁,共 57 頁封頭的選擇

7、38 塔高的運算 38 主換熱器的運算 38 3.3 .1 已知條件 38 3.3 .2 設(shè)備直徑與列管數(shù)量確定 39 傳熱系數(shù)的驗算 . 40 殼側(cè)對流傳熱系數(shù)運算 . 43 總傳熱系數(shù)核算 . 44 傳熱面積的核算 . 44 4 匯總 46 物料匯總表 46 熱量匯總表 47 主要設(shè)備一覽表 49 5 設(shè)計評述 50 參考文獻 51 致謝 52 V / 57 第 5 頁,共 57 頁1 緒論 前言 中國合成氨是在 20 世紀 30 歲月開頭的,合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的進展,現(xiàn)已 進展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝；合成氨生產(chǎn)的原料氣過程包括造氣,凈化, 以及壓縮和合成；各種方法制取的原料氣都含有

8、毒物,所以必需進行凈化處理；通常,先經(jīng)過 CO,而 CO 是合成氨催化劑的 CO 變換反應(yīng),使 CO 轉(zhuǎn)化為易于 清除的 CO2 和氨合成所需要的 H2；因此, CO 變換既是原料氣制造的連續(xù),又是 凈化的過程；最終剩下的少量的 加以脫除； xHAQX74J0X CO 用液氨洗滌法,或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法 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；在合成氨工藝 流程中起著特殊重要的作用； 目前,變換工段主要接受中變串低變的工藝流程,這是從 80 歲月中期進展 起來的；所謂中變串低變流程,就是在 B109 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

9、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,使操作系統(tǒng)的操作彈性 大大增加,使變換系統(tǒng)便于操作,也大幅度降低了能耗； LDAYtRyKfE 氨的性質(zhì)和用途 氨分子式 NH 3,相對分子量為 ；氨分子為三角錐型分子,是極性分子, 在標準狀態(tài)下是無色氣體,比空氣輕,具有特殊的刺激性臭味；人們在大于 100cm /m 3 3氨的環(huán)境中,每天接觸 8h 會引起慢性中毒； Zzz6ZB2Ltk 氨的物理性質(zhì) 1,色,味,態(tài)：無色,刺激性氣味 2,密度：比空氣輕, 0, 時為 3

10、 , 溶 解 性 ： 極 易 溶 于 水 1:700 ） , 溶 解 時 放 出 大 量 的 熱 , 可 生 成 含 NH 315%30%的氨水,氨水溶液是堿性,易揮發(fā)； dvzfvkwMI1 4,沸點： ）,易液化 和 13.5%82%2SO4 NH 3 + H3PO4 NH 4H2PO3 2NH3 + H3PO4NH42HPO3 氨也能和 CO2 反應(yīng)生成氨基甲酸氨,脫水生成尿素；利用氨與各種無機酸反 應(yīng)制取磷酸銨,硝酸銨,硫酸銨；與 CO2 和水反應(yīng)生成碳酸氫氨； SixE2yXPq5 氨能生成各種加成配位化合物,它們和水合物類似,通稱氨合物或氨絡(luò)物, 例如對應(yīng) CaCl2.6H2O 和

11、 CuSO4.4H2O,也分別有 CaCl2.6NH3 和 CuSO4.4NH3 ； 6ewMyirQFL 氨的用途 氨在國民經(jīng)濟中占有重要位置；氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一 ,其產(chǎn)量居 各種化工產(chǎn)品的首位；同時也是能源消耗的大戶 產(chǎn)合成氨； kavU42VRUs ,世界上大約有 10%的能源用于生 現(xiàn)在約有 80%的氨用來制造化學肥料,其余作為生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品的原料； 除液氨可直接作為肥料外,農(nóng)業(yè)上使用的氮肥,例如尿素,硝酸銨,磷酸 銨,硫酸銨,氯化銨,氨水以及各種含氮混肥和復肥,都是以氨為原料的； y6v3ALoS89 氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學纖維及塑料；從氨可以制得硝酸,

12、進而再制造硝酸銨,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,就以氨,硝酸和尿素等作為氮源,生產(chǎn)己內(nèi)酰胺,尼龍 6 單體,己二胺,人 造絲,丙烯氰,酚醛樹脂和脲醛樹脂等產(chǎn)品； M2ub6vSTnP 氨的其它工業(yè)用途也特殊廣泛,例如,用作制冰,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)藥和生物化學方面用作 生產(chǎn)磺胺類藥物,維生素,蛋氨酸和其它氨基酸等等； 0YujCfmUCw 2 / 57 第 7 頁,共 57 頁變換工藝原理： 一氧化碳變換反應(yīng)式為： CO+H2= C+H2O 1-2 CO+H2 O=CO2+H2+Q 1-1 其中反應(yīng) 1）是主反應(yīng)

13、,反應(yīng) 2）是副反應(yīng),為了把握反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物 的方向進行,工業(yè)上接受對式反應(yīng) 1 1）具有良好選擇性催化劑,進而抑制其 它副反應(yīng)的發(fā)生； eUts8ZQVRd 有氧存在時,變換過程中仍包括以下反應(yīng)式： H2 + O2 = H2O +Q 一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個可逆的放熱反應(yīng),反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)；每 反應(yīng) 1%體積,濕基）的 CO,可使氣體溫度上升 1112,生產(chǎn)上對于變換反 應(yīng)進行的程度常用變換率 1 來表示： sQsAEJkW5T 變換率 =Vco- Vco）/ Vco100+ Vco ） 100% 上式中 Vco 轉(zhuǎn)化氣 CO 體積百分數(shù), Vco變換氣中 CO 體積百分數(shù) 從制氫

14、和凈化的角度考慮,最終變換率越高越好,假如氣體中 CO 含量高, 在甲烷化過程中消耗大量的氫；一個體積的 CO 需要水消耗三個體積的氫而生成 甲烷, CH4 在合成氨中是惰性氣體,它會降低合成的有效壓力,增大馳放氣量和 冷凍量的消耗,所以要求有較高的變換率；一般將低變出口氣 CO）濃度降至 0.3%左右即可； GMsIasNXkA 工藝條件 綜合對反應(yīng)熱力學,動力學及催化劑的爭辯并考慮工藝的其它特點,變換過 程工藝條件綜述如下； 壓力 壓力對變換反應(yīng)的平穩(wěn)幾乎沒有影響；但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等 副反應(yīng)易于進行；單就平穩(wěn)而言加壓并無好處；但從動力學角度,加壓可提高反 應(yīng)速率；從能量消耗上

15、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行變換的能耗,比常壓變換再進行壓縮的能 耗底；具體操作壓力的數(shù)值,應(yīng)依據(jù)中小型氨廠的特點,特殊是工藝蒸汽的壓力 及壓縮機投各段壓力的合理配置而定；一般小型氨廠操作壓力為 1.2MPa,中 型氨廠為 ,以自然氣為原料的大型氨廠變換壓力由蒸汽轉(zhuǎn)化的壓力 準備 3 ；本設(shè)計的原料氣由小型合成氨廠自然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來,故壓力可取 3 / 57 第 8 頁,共 57 頁； TIrRGchYzg 溫度 變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)；從反應(yīng)動力學的角度來看,溫度上升,反應(yīng)速率 常數(shù)增大對反應(yīng)速率有利,但平穩(wěn)常數(shù)隨溫度的上升而變小,即

16、 CO 平穩(wěn)含量增 大,反應(yīng)推動力變小,對反應(yīng)速率不利,可見溫度對兩者的影響是相反的；因而 存在著正確反應(yīng)溫對確定催化劑及氣相組成,從動力學角度推導的運算式 3 為 7EqZcWLZNX Tm= Te ln E2 E1 RTe 1E2 E1 式中 Tm, Te分別為正確反應(yīng)溫度及平穩(wěn)溫度,正確反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催 化劑的不同而變化； 汽氣比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣 摩爾比） .轉(zhuǎn)變水蒸汽比 例是工業(yè)變換反應(yīng)中最主要的調(diào)劑手段；增加水蒸汽用量,提高了 CO 的平穩(wěn)變 換率,從而有利于降低 CO 殘余含量,加速變換反應(yīng)的進行；由于過量水蒸汽的 存在,保證催化劑中

17、活性組分 Fe3O4 的穩(wěn)固而不被仍原,并使析炭及生成甲烷等 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,盡量削減其 用量對過程的經(jīng)濟性具有重要的意義,水蒸汽比例過高,將造成催化劑床層阻力 增加； CO 停留時間縮短,余熱回收設(shè)備附和加重等,所以,中 高）變換時適宜 的水蒸氣比例一般為： H2O/CO=3 5,經(jīng)反應(yīng)后,中變氣中 H2O/CO 可達 15 以 上,不必再添加蒸汽即可中意低溫變換的要求 3 ；lzq7IGf02E 工藝流程確定 工藝流程設(shè)計的依據(jù),第一是原料氣中 CO 含量； CO 含量高就接受中 高） 溫變換；目前的變化工藝有：中溫變換,中串低,全低及中低低 4

18、 種工藝；本設(shè) 計是以自然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨, CO 含量是 12.6%,由于原料氣中 CO 含量較低, 選用中串低工藝,即中變催化劑只需配置一段 入低變爐； zvpgeqJ1hk 3 ；而后變化氣經(jīng)主換器冷卻后進 4 / 57 第 9 頁,共 57 頁工藝流程簡圖 51轉(zhuǎn)化 水蒸 2氣 氣 3變換氣 4圖 1-5-1 一氧化碳中低溫串聯(lián)變換流程示意圖 1-廢熱鍋爐； 流程工序簡述 2-中變爐； 3-主換熱器； 4- 調(diào)溫水加熱器； 5-低變爐 由二段轉(zhuǎn)化爐來的轉(zhuǎn)化氣,經(jīng)轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐換熱,在廢熱鍋爐中變換氣從 910降到 310,在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達到 3 到 5 之間,并且調(diào)

19、溫至 300 370后進入中溫變換爐,轉(zhuǎn)化氣中的 CO 和 H2O 在 350 450和鐵 催化劑的作用下,反應(yīng)生成 CO2 和 H2 ,使 CO3 干基）以下,在降溫至 200 250后,進入低溫變換爐,在此溫度和銅催化劑的作用下,進一步進行 CO 的變換反應(yīng),是低變出口氣體中 CO ,再進入甲烷化工段； NrpoJac3v1 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,廢熱鍋爐,換熱器等；低 變爐選用 B302Q 型催化劑；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)才能,原料氣中碳氧化物的含量以及變換氣中所要求的 CO 濃度； 1nowfTG4KI 5 / 57

20、 第 10 頁,共 57 頁2 物料與熱量衡算 自然氣成分：原始數(shù)據(jù) 表 中變爐進口干氣含量 CO 基準： 1tNH 3/h Ar CH 4 合計 組 分 CO 2 H 2 N2 含 量, 100 年工作日 330 天,其余數(shù)據(jù)自定； 已知條件： 中變爐進口干氣含量如表 所示 運算基準： 1 噸氨 運算生產(chǎn) 1 噸氨需要的變換氣量： 1000/17）22.4/2 0.2354）由于在生產(chǎn)過程中物料可能會有缺失,因此變換氣量取 3 Nm 3年產(chǎn) 30 千噸合成氨生產(chǎn)才能 一年連續(xù)生產(chǎn) 330 天）： 日生產(chǎn)量： 要求出中變爐的變換氣干組分中 CO小于 3； 進中變爐的變換氣干組分： 表 中變爐進

21、口干氣體組成 CO 基準： 1tNH 3/h Ar CH 4 合計 組 分 CO 2 H2 N 2 含量, 100 3 Nm kmol 假設(shè)進中變爐的變換氣溫度為 315,取變化氣出爐與入爐的溫差為 65,出爐的變 換氣溫度為 380；進中變爐干氣壓力 P 中=1.75MPa.fjnFLDa5Zo 6 / 57 中變爐的物料與熱量衡算 水氣比的確定： 考慮到是自然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣,所以取 H2 1故 VltfnNhnE6e5因此進中變爐的變換氣濕組分 表 中變爐入口濕氣組成 CO H2 基準： 1tNH 3/h Ar CH 4 H 2O 合計 組 分 CO2 N2 含 量, 100 3Nm

22、 kmol 中變爐 CO 的實際變換率的求?。?要求變換氣中 CO 含量為 3,故依據(jù)變換反應(yīng)： CO+H2OH2+CO2, 就 CO 的實際變換率公式 1 為： Ya Ya Xp= 100% Ya 1 Ya 式中 Y , 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率 100/100+3）12.4 100%=73.60%中變爐的物料衡算 已知： 進中變爐的變換氣濕組分 如表 所示 CO 的實際變換率為 73.60%. 就反應(yīng)掉的 CO 的量為： Nm3出中變爐的 CO 的量為： Nm 37 / 57 第 12 頁,共 57 頁就反應(yīng)后出中變爐的各組分的量分別為： 3 H2 : Nm CO2: Nm

23、3故出中變爐的變換氣干組分的量： V 總干） 3Nm 3HbmVN777sL故出中變爐的變換氣干組分中 CO 的含量： CO 3） 100%=3.00% 同理得： CO283） 100%=16.61% H253） 100%=58.21% N263）100%=21.57% Ar3） 100%=0.20% CH433）100%=0.41% 所以出中變爐的變換氣干組分： 表 2.2.2 中變爐出口干氣組成 基準： 1tNH 3/h 組 分 CO 2 CO H2 N 2 Ar CH 4 合計 含量, 100 3 Nm kmol 剩余的 H2O 的量為： Nm 3故出中變爐的變換氣濕組分的體積： V 總

24、濕）=V 總 干） +V水）= 38 / 57 第 13 頁,共 57 頁故出中變爐的變換氣濕組分中 H2O 的含量 H2O7）100%=23.90% 故出中變爐的變換氣濕組分中 CO2 的含量 CO287） 4 同理可得： CO7）8 H257）0 N267） 2 CH437）1 4116.267）100%=0.15%所以出中變爐的變換氣濕組分的含量 ）： 組 分 CO 2 CO 表 2.2.3 中變爐出口濕氣組成基準： 1tNH 3/h H2O 合計 H2 N 2 Ar CH 4 含量, 100 3 Nm Kmol 設(shè)備 kmol/ h 表 中變爐物料衡算匯總表基準： 3/h 出口氣體組成

25、 V% 中變爐 物料 入口氣體組成 組分 Nm3 /h V% kmol/h 3 Nm /h CO 2 CO H2 N2 Ar CH 4 H 2O 合計 100 100 9 / 57 第 14 頁,共 57 頁對出中變爐的變換氣的溫度進行估算： 已知出中變爐的變換氣濕組分的含量 ）如表 所示 中變爐出口的平穩(wěn)常數(shù) 1 ： Kp=H 2CO2） /H2OCO）運算 0 4） 08） 得 Kp 查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊知當 Kp=10.3 時 t=415 設(shè)平穩(wěn)溫距為 35,就出中變爐的變換氣溫度為： 415 -35 =380 中變爐的熱量衡算 已知條件：進中變爐催化床層的變換氣溫度： 315

26、 出中變爐催化床層的變換氣溫度： 380 入熱： 反應(yīng)放熱 Q：在變換氣中含有 H2 , CO, CO2,H2O,這四種物質(zhì)會發(fā)生以下反應(yīng)： CO+ H2O= H2+ CO2 該反應(yīng)是放熱反應(yīng) . 反應(yīng)取 H 2O 組分 H 2 CO 2 Ht 9646 -100810 -379492 -230425 CO +H2O=CO2+H2 1） H1= H）始Hi） 末 =-379492 +9646+100810+230425 =-38611kJ/kmol Q1-38611） 就氣體反應(yīng)共放熱： 10 / 57 第 15 頁,共 57 頁Q=Q1 氣體吸熱 Q2 變換氣在 時各組分的比熱容,由小合成氨

27、廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P429 - P435 查得,熱容的單位為 kJ/kmol K）查物理化學教程得 Ar 的熱容為 21 .02 kJ/kmol K） CH 4 Ar 表 時的比熱容 單位 kJ/kmol K ）物質(zhì) CO CO 2 H 2 H 2O N2 Cp 所以平均熱容： Cpm= YiCp00.4430+37.4+30.80. kJ/假設(shè)熱缺失 Q3+C+D q= U24WV V=K PAB-CD W=K P-1 其中 A, B, C,D 分別代表 CO, H2O,CO2 及 H2 的起始濃度 例：運算 380時 CO 的平穩(wěn)變化率； 解： 查文獻小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P4

28、31 , 380時 KP ,而 CO,H2O, 11 / 57 第 16 頁,共 57 頁CO2 及 H2 的起始濃度如表 所示, 6）3）3q= 24XP= 2運算結(jié)果列于下表： 表 2.2.7 各溫度下的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化率 T/ 300 320 340 360 380 400 420 440 T/K 573 593 613 633 653 673 693 713 Xp 中變爐催化劑平穩(wěn)曲線如圖 2.2.1. 正確溫度曲線的運算 由于中變爐選用 B109 型催化劑, 最適宜溫度曲線由式 3 Tm Te ln E2 E1 進行運算； RTe 1E2 E1 1 或者由式 Tm lg E2 E1 C AX

29、p 1986 AXp D A AXp B AXp 查文獻小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P734 ,可知 B109 型催化劑的正反應(yīng)活化能 分別為 E1=16046kcal/kmol=67156kJ/kmol, CO 變換的逆反應(yīng)活化能 E2 為： mZkklkzaaP E2E1=r-HR 對于變換反應(yīng) r=1,就 E2=-HR+ E1HR為反應(yīng)熱,取其平均溫度下的值,即 330+380） ,由前面的運算可 知： -HR=H1=38611kJ/kmol12 / 57 第 17 頁,共 57 頁E2=67156+38611=105767 kJ/kmol 最適宜溫度運算結(jié)果列于下表中： 表 最適宜溫

30、度 Xp Tm, K tm, 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如圖 2.2.1. 中變催化劑操作線的運算 由中變爐催化劑變換率及熱平穩(wěn)運算結(jié)果知： 中變爐入口氣體溫度 315 中變爐出口氣體溫度 380 中變爐入口 CO 變換率 0 中變爐出口 CO 變換率 73.60% 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線見圖 ； . 圖 中變爐工藝條件運算圖 13 / 57 第 18 頁,共 57 頁低變爐的物料與熱量衡算 低變氣進口物料及組成 同中變爐出口 已知條件： 進低變爐的濕組分： 組 分 CO 2 表 低變爐進口濕氣組成 Ar 基準： 1tNH 3/h 合計 CO H 2 N2 CH 4 H2O

31、含 量, 100 3 Nm kmol 所以進低變爐催化床層的變換氣干組分： 組 分 CO 2 表 低變爐進口干氣組成基準： 1tNH 3/h CH 4 合計 CO H2 N 2 Ar 含量, 100 3 Nm kmol 低變爐 CO 的實際變換率的求取： 要將 CO降到 濕基）以下,就 CO 的實際變換率 3 為： X p= Ya Ya Ya 1 Ya 8 0.3） 100/2.28 100+0.3） 100%=86.58% 2.3.2.低變爐的物料衡算 反應(yīng)掉的 CO 的量為： 8Nm3出低溫變換爐 CO 的量： 14 / 57 第 19 頁,共 57 頁 Nm 3 kmol 出低溫變換爐

32、H2 的量： Nm 3出低溫變換爐 H2O 的量： 3 kmol 出低溫變換爐 CO2 的量 : 3 Nm kmol 出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積： V 總干）NmAVktR43bpw3 kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO 1） 100%=0.39%同理得： CO261） 100%=18.72% H231） 100%=59.27% N261）51）100%=0.20% CH401）100%=0.39%出低變爐的干組分： 表 低變爐出口干氣組成 基準： 1tNH 3/h 組 分 CO 2 CO H 2 N2 Ar CH 4 合計 含量 100 3 Nm K

33、mol 出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積： 15 / 57 第 20 頁,共 57 頁V 總濕）=V 總 = 3故出低變爐催化床層的變換氣濕組分中 CO 的含量： CO 7） 100%=0.31%同理： CO267）100%=14.62% H2 37）100%=46.28% N2 67）7） 100%=0.15% CH4 07）100%=0.31% H2O 7）100%=21.92%所以出低變爐的濕組分： 表 低變爐出口濕氣組成 基準： 1tNH 3 /h 組 分 CO 2 CO H2 N 2 Ar CH 4 H 2O 合計 含量 100 Nm3 Kmol 表 低變爐物料衡算匯總表 基準：

34、 3/h 低變爐 物料 kmol/h 入口氣體組成 V% kmol/h 出口氣體組成 V% 組分 Nm 3/h 3 Nm /h CO 2 CO H 2 N 2 Ar CH 4 H2O 合計 100 100 16 / 57 第 21 頁,共 57 頁對出低變爐的變換氣溫度進行估算： 依據(jù)： Kp=H 2CO2） /H2OCO） 運算 8 2） 2 1） 得 查小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊可知, Kp=99.57 時 t=241 設(shè)平均溫距為 20,就出低變爐催化床層的變換氣溫度為： t=241 20=221 低變爐的熱量衡算 已知條件：進低變爐催化床層的變換氣溫度為： 197 出低變爐催化床層的

35、變換氣溫度為： 221 變換氣反應(yīng)放熱 Q1: 反應(yīng)取 組分 H 2 H2O CO CO 2 Hi 5376 -235696 -105235 -386211 放熱： CO +H2O=CO2+H2 1） H1= H）始Hi） 末 =-105235）+5376=39904kJ/kmol 所以： Q1239904氣體吸熱 Q2： 氣體吸熱時的平均溫度： 197+221）/2=209, T=482K 變換氣在 205時各組分的比熱容,由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P429 - P435 查得,并列于下表；熱容的單位為 kJ/kmol K）查得 Ar 的熱容為 21 .0 kJ/kmol K） 表 2

36、.3.7 205時的比熱容 單位： kJ/kmol K ） 物質(zhì) CO CO 2 H 2 H 2O N2 CH 4 Ar 17 / 57 第 22 頁,共 57 頁Cp 所以得： Cpm=YiCp4233 45.72MiJTy0dTT =32.70kJ/kmol K）故： Q20221-197） 熱缺失 ： Q3=Q1-Q2 kJ 低變爐平穩(wěn)曲線,最適宜溫度曲線及操作線運算 1）低變爐催化劑平穩(wěn)曲線 依據(jù)公式 1 X P= U q2 AW 100 V=K PAB-CD q= U24WV U=K PA+B ）+C+D） W=K P-1 其中 A, B, C,D 分別代表 CO, H2O,CO2

37、及 H2 的起始濃度 表 各溫度下的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化率 t/ 140 160 180 200 220 240 260 280 T/K 413 433 453 473 493 513 533 553 Xp 低變爐催化劑平穩(wěn)曲線如圖 2.3.1. 對于 CO 變換反應(yīng) r=1,就 E2=-H + E1 H 為反應(yīng)熱,取其平均溫度下的值,即： 197+221）/2=209, T=482K 由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊表 生成焓,列于下表： uEh0U1Yfmh 4-2-1表 4-2-4 查得 H2 ,CO,CO2, H2O 的 表 時的生成焓 單位： kmol ） CO 2 組分 H 2 H2O CO -

38、105206 -386169 Hi 5405 -235662 放熱： CO +H2O=CO2+H2 1） H1= H）始- 5405+ -386169=39904kJ/kmol E2 =39904+43338=83242kJ/kmol 最適宜溫度曲線由式 3 Tm= Te ln E2 進行運算 RTe 1E2 E1 E1 1 或者由式 T m lg E2 E1 C 1986 AXp AXp D A AXp B AXp 最適宜溫度運算結(jié)果列于下表中： 表 最適宜溫度 Xp Tm/K t m/ 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如圖 ； 3）低變催化劑操作線運算 19 / 57 第 24 頁,共 5

39、7 頁由低變催化劑變換率及熱平穩(wěn)運算結(jié)果知： 低變爐入口氣體溫度 197 低變爐出口氣體溫度 221 低變爐入口 CO 變換率 73.60% 低變爐出口 CO 變換率 86.58% 低變催化劑操作線見圖 ； 圖 低變爐工藝條件運算圖 廢熱鍋爐的熱量和物料衡算 物料衡算 已知條件： 進廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組份： 表 2.4.1 進廢熱鍋爐的轉(zhuǎn)化氣組成 基準： 1tNH 3/h 組 分 CO2 CO H2 N 2 Ar CH 4 H 2O 合計 含量, 100 3Nm kmol 20 / 57 第 25 頁,共 57 頁進廢熱鍋爐的溫度為： 910 出廢熱鍋爐的溫度為： 310 進出設(shè)備的水溫： 20

40、 出設(shè)備的水溫： 310 進出設(shè)備的轉(zhuǎn)化氣 濕）： kmol 進出設(shè)備的水量： X kmol 在設(shè)備里無物料的變化； 熱量衡算： （ 1） 入熱： 水的帶入熱 Q1 水在 20時 kJ/kmol K） 所以： Q1=X20+273）轉(zhuǎn)化氣的帶入熱 Q2： 轉(zhuǎn)化氣在 910時 T=1183K, 變換氣在 910時各組分的比熱容,由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P429 - P435 查得,并列于下表；熱容的單位為 kJ/kmol K）查得 Ar 的熱容為 21 .03kJ/kmol K） 表 2.4.2 910時的比熱容 單位： kJ/kmol K ）組分 CO H 2 CO2 H 2O N2

41、CH 4 Ar Cp 故 Cpm=YiCp00000.0 7IAg9qLsgBX=36.197kJ/kmol K） 所以： Q27910+273） 2）出熱： 21 / 57 第 26 頁,共 57 頁轉(zhuǎn)化氣的帶出熱 Q3： 轉(zhuǎn)化氣在 310時 T=583K 變換氣在 310時各組分的比熱容,由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P429 - P435 查得,并列于下表；熱容的單位為 kJ/kmol K）查得 Ar 的熱容為 21 .03kJ/kmol K） 表 0時的比熱容 kJ/kmol K ） 組分 CO H 2 CO2 H2O N 2 CH 4 Ar Cp 所以： Cpm=YiCp00000

42、 0.0017WwghWvVhPE =32.694kJ/kmol K） 因此： Q34310+273） 水的帶出熱 Q4: 水在 310, T=583K 時的熱容為： kJ/ 熱量平穩(wěn)： Q1+ Q2= Q3+ Q45） 0asfpsfpi4k水蒸汽的加入 要使 H2仍要加入的水量為： 0） kmol322 / 57 第 27 頁,共 57 頁主換器的物料與熱量的衡算 物料衡算 已知條件： 進出設(shè)備的變換氣的量： kmol 進出設(shè)備的水的量： X kmol 物料的量在設(shè)備中無變化； 溫度： 變換氣進設(shè)備的溫度： 380 變換氣出設(shè)備的溫度： 260 水進設(shè)備的溫度： 20 水出設(shè)備的溫度： 9

43、0 熱量運算： （ 1） 入熱： 變換氣帶入熱 :Q1 變換氣在 380時各組分的比熱容,由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P429 - P435 查得,并列于下表；熱容的單位為 kJ/kmol K）查得 Ar 的熱容為 21 .0kJ/kmol K） 表 時的比熱容 單位 kJ/kmol K） 組分 CO H2 CO2 H2O N 2 CH 4 Ar Cp 故： Cpm=YiCpooeyYZTjj1 =34.228kJ/kmol K） 所以： Q12380+273） 水的帶入熱 Q2: 水在 20時 kJ/出熱： 變換氣在 260時各組分的比熱容,由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P429 -

44、P435 查得,并列于下表；熱容的單位為 kJ/kmol K）查得 Ar 的熱容為 21 .01kJ/kmol K） 就運算結(jié)果得： 表 2.6.2 260時的比熱容 單位 kJ/kmol K ） 組分 CO H2 CO 2 H 2O N2 CH 4 Ar Cp 故： Cpm=YiCpBkeGuInkxI =33.172kJ/kmol K） 所以得： Q32533水的帶出熱 Q4: 水在 90時 kJ/熱缺失 Q5:取 依據(jù)熱量平穩(wěn)： 0.96= 調(diào)溫水加熱器的物料與熱量衡算 以知條件： 入設(shè)備的變換氣溫度： 260 出設(shè)備的變換氣溫度： 197 24 / 57 第 29 頁,共 57 頁進設(shè)

45、備的濕變換氣的量： 變換氣帶入的熱量： Q1 變換氣帶出的熱 Q2： 變換氣在 197時各組分的比熱容,由小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 P429 - P435 查得,并列于下表；熱容的單位為 kJ/kmol K）查得 Ar 的熱容為 21 .03kJ/kmol K） 表 2.7.1 197時的比熱容 單位： J/kmol K ）組分 CO H2 CO2 H 2O N2 CH 4 Ar Cp 故 Cpm=YiCpPgdO0sRlMo =32.515kJ/+C+D ； V=K PAB-CD ； q= U24WV Kp 反應(yīng)平穩(wěn)常數(shù)； k 反應(yīng)速度常數(shù)； n 變換的 CO 的量,摩爾分率； 其中 A

46、, B, C,D 分別代表 CO, H2O,CO2 及 H2 的起始濃度 中變催化床層觸媒用量 運算基準： 已知條件： 中變催化床層變換氣進口溫度為： 315； 26 / 57 第 31 頁,共 57 頁中變催化床層變換氣出口溫度為： 380 平均溫度為： 315+380） 進中變爐催化劑干氣量： m 3 /h 出中變爐催化劑濕氣量： m 3 /h 由 3000 噸型 合成 氨廠 工藝 和 設(shè) 備運算 得到在 時反應(yīng)速度 常數(shù) k=3600, 加壓時取校正系數(shù)： ,就： k=36002.8=10080. 進中變爐變換氣中 N2%=16.42% 就： V 0=379017） 2）6Nm 3/h

47、出中溫變換爐的變換氣中 CO%=2.28% 出中變爐的變換氣濕組分的含量 +0.0628+0.37930.3793q= 24T 0Kp k q ln 2Wn Uqln UqUqUqT0 10080 ln 23ln 2所以： V=T 0V 01 m 備用系數(shù)?。?所以： m 327 / 57 第 32 頁,共 57 頁就中溫變換爐觸媒用量 : V= 3B109 型觸媒堆重度 空 速 233 干 氣 /h m 觸 媒 說 明 空 速 合 適 B109h8c52WOngM 干空速在 8001500h ） 觸媒直徑的運算 ； 氣體在操作狀態(tài)下的重度 , 公斤/M 3； dp 顆粒直徑 ,M； L 觸媒

48、床高度 ,M ； E=0.378+0.308 dp/ Dt Dt 觸媒層直徑 ,M； 上 式 適 用 于 6.4 粒 度 的 催 化 劑 , 對 于 B109 催 化 劑 外 型 尺 寸 為 979mm,所以可用上式求?。粚⒋呋瘎┑牧６日鬯愠上喈斢谕w積的球體直 徑 v4bdyGious 就: dp 所以 : 0.01G： G= 24 kg/m h2催化床層的高度 L: L= 24中變爐催化劑床層阻力降 : P = 2.1 10 8f G 1E L8（） 1. 1 0.01 13dp 3 E = 2.1 10 （） 2運算結(jié)果 kPa,符合要求,中變爐催化劑床層直徑 可用 . 中變爐工藝運算匯

49、總 1）,催化劑體積為 3,床層直徑為 ,填料高度為 ； 29 / 57 第 34 頁,共 57 頁2）,干空速 -1 ； 3）, 催化劑床層阻力降為 a； 中變爐壁厚的運算 1）,已知條件 PC 1.1 1.75 ,溫度為 350 450,壓力為中壓,介質(zhì)屬于 易 燃 易 爆 的 物 質(zhì) , 查 化 工 設(shè) 備 機 械 基 礎(chǔ) P310 , 所 以 選 用 15CrMoRJ0bm4qMpJ9 2）,確定參數(shù) t PC 1.925MPa, Di 2800mm, 由6 附錄 9,表 16 查得： 118MPa ； 由6 P93 表 49 查得： C1 ,鋼板厚度：全部厚度； 由6 P92 表 4

50、8 查得：針對 GB6654-96, = 接受雙面焊對接接頭, 100%無損耗檢測） C2 = 1mm 所以 C = C1 C2 3）,運算厚度 由6 P86 式45）查得： S PC Di 2118 2800 t 2 - PC 由6 P95 圖 4 2 得： 在考慮腐蝕裕度 C2 ,于是由 6 P86 式4-6a）,得到中變爐得設(shè)計壁厚為： Sd C2 1 故 Sd mm 圓整后取 Sn 26mm ,復驗 Sn 6% 26 6% ,故最終取 C1 ,該塔體可以用厚度為 26mm 的 15CrMoR 鋼板制造； 4）,校核 由6 P96 查得式 T,所以水壓試驗強度足夠； 所以該塔是一個直徑為

51、 2800mm,壁厚為 26mm 的 15CrMoR 制成； 封頭的選擇 1）封頭分為橢圓形封頭,碟形封頭等幾種,本設(shè)計選用橢圓形的封頭,由公稱 30 / 57 第 35 頁,共 57 頁直徑 Dg=2800mm,查 8 P331 ,表 2-7-1 查得： XVauA9grYP 公稱直徑 表 封頭的尺寸 JB1154-73 ） 容積 曲面高度 直邊高度 內(nèi)表面積 Dgmm ） h1 mm） h2mm ） Fm 2） Vm 3） 2800 700 50 800mm,故其厚度取 16mm；bR9C6TJscw 塔的高度： HH 1 h1 h2 2L2 L/ 2 L h/ 耐 =3500700502

52、260023002600 300=9000mm 其中： H 1 裙座高度 , mm= 35 公2 / 米 ） Z M h1 封頭短半軸高度 , , mmh2 封頭直邊高度 , mmL / 開人孔的空間距離 ; h 進氣管高出塔的高度 ,mm由9 P479 表 3-2-25 查得： 表 3.1.2 裙座尺寸 q0 斤 S 環(huán) mm） 塔徑 Dgmm ） SC mm） 31 / 57 第 36 頁,共 57 頁2800 12 27 由9 P327 表 3-2-8 查得： 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： Dbi 2800 216 （0.2 ） 10 3=2532mm 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： Dbo 2800 216 （0.2

53、） 103=3132mm 圓整： D bi =2600mm； Dbo =3130mm,基礎(chǔ)環(huán)厚度,考慮到腐蝕裕度取 18mm,群 2W 環(huán) 10 cm 2） 座高度取 ,地腳螺栓直徑去 M27. pN9LBDdtrd 表 裙座基座尺寸 群座直徑 D1 D2 D0 2 F 環(huán) 10 mm ） mm ） mm） mm） cm 2 ） 2800 3130 3000 2600 地腳螺栓 由9 P466 表 3-2-21 查得： d4 d2 表 螺栓尺寸 M27 ） hf l 3 Sa Sc 34 40 26 12 300 L+50 人孔 接受 A 型人孔,由 7 P473 查得： 表 人孔尺寸 群座直

54、徑 mm ） 數(shù)量 個） Dmm ） Mmm ） Hmm ） 1800 D 3400 2450 200 900 排氣孔 由7 P473 表 8-13 查得： 表 排氣孔尺寸 32 / 57 第 37 頁,共 57 頁群座直徑 排氣孔直徑 數(shù)量 孔中心離切線距離 mm） mm ） 個） Hmm ） 1800 D 3400 10844230 接管 由公式： PV = nRT 得, V1 = nP0 T1V0 P1T0 ,就： 中變爐入口流速： V 101.33 273 315 0.540 m 3 / s 1750 273 3600 4V 而 v 2, 查 9 金 屬 設(shè) 備 P5 3 1, 如 中

55、 變 爐 入 口 管 選 用 的 內(nèi) 管 尺 寸 為 R 2196mm, v 214.34m / s 4內(nèi)管 mm ） 外管 mm） 表 入口接管尺寸 cmm ） H 2mm ） mm） amm） bmm ） 2196273825 210 95 200 8同理： 中變爐出口流速： 查9 金屬設(shè)備 V 273 380 0.600 m 3 / s 1750 273 3600 P531 ,如中變爐出口管選用的內(nèi)管尺寸為 2196mm, v 215.94m / s 4表 出口接管尺寸 內(nèi)管 mm ） 外管 mm） amm） bmm ） cmm ） H 2mm ） mm） 2196273825 210

56、95 200 8引出通道管 由9 P466 和 P474 查得： 表 引出通道管尺寸 33 / 57 第 38 頁,共 57 頁Dgmm ） d3S3mm） Emm） Dmm ） Lmm ） Hmm ） 200 3798350 300 150 1600 法蘭 由于原料氣為易燃易爆的氣體,由 6 P149 查得該接受榫槽面平焊法蘭； 由8 P387 查得： 表 榫槽面法蘭尺寸 HG5011 58）單位： mm） Dg dH S DD1 D2 D3 D4 D5 200 219 6360 310 278 239 259 238 續(xù)上 D6 bb3 b4 f f1=f2 hd質(zhì)量 260 32 10

57、11 392 25 筋板 由9 P329 查得： LD1-Sz 筋其中 D1 ：基礎(chǔ)環(huán)外徑 3130mm； Z ：地腳螺栓個數(shù) 12； S 筋 ：螺栓座筋板厚度,取 3 .14 3130 就： L -20 1212mm； =799mm 中變爐材料與零部件一覽表 表 材料與零部件一覽表 名稱 標準號 數(shù)量 備注 裙座 J04-0091 12800 2=450 人孔 封頭 JB1154-73 2 26 接管 HG20595-97 22196 34 / 57 第 39 頁,共 57 頁法蘭 HG5011-58 2Pg25Dg200 引出管 1510 排氣孔 4100 塔體 1 26 低溫變換爐運算

58、已知條件： 平均操作壓力 0.83Mpa. 氣體進口溫度 197 氣體出口溫度 221 平均溫度 197+221） /2=209 氣體流量 干） m 3/h 濕氣流量 m 3 /h 進低變爐催化劑氣體 干）組分 組 分 CO 2 表 進低變爐催化劑氣體 干）組分 CH 4 合計 CO H2 N 2 Ar 含量, 100 3 Nm kmol 入口濕氣中水蒸氣含量 入催化劑蒸汽比 R= 入口濕氣中干氣總量 R= 983 .824 催化劑用量運算 依據(jù)低變催化劑的選用原就,選 B302Q 型國產(chǎn)低變催化劑； 用 B302Q 型國產(chǎn)低變催化劑進行運算 V =T 0V 0 V 0 的求?。哼M低變爐變換氣

59、中 N2%=21.57% 就： V0=+0.4430+0.12640.1264q= 24低變爐出口干氣中 CO 含量： CO%=0.31% n=2.28%-0.31%=1.97% 由 3000 噸型合成氨廠工藝和設(shè)備運算得到在 309時反應(yīng)速度常數(shù) k=3571, 加壓時取校正系數(shù)： 2.8,就： k=35712.8=10000.DJ8T7nHuGT故 T Kp k q 2Wn ln 2Wn Uqln Uqln UqUqT0 10000 ln 22所以： V=T 0V 04 m 3在接受中變串低變流程中,低變催化劑條件較好,故可以不考慮催化劑備用系數(shù) 1 ； 催化劑床層直徑運算 設(shè)計要求催化劑

60、層總阻力 6.86KPa催化劑床層阻力 氣體平均分子量 M= YiMi =44 28 2 28 180QF81D7bvUA氣體在進入低變催化劑層中的重度 209 273 830 3 kg/m 273 式中： 209 為氣體的平均溫度值 氣體質(zhì)量流量 G= 24h32催化劑層高 L24所以： P= 10 8（） 1 .9 130.004 （） 37 / 57 第 42 頁,共 57 頁2運算結(jié)果符合要求 P,故取催化劑直徑 封頭的選擇 1）封頭分為橢圓形封頭,碟形封頭等幾種,本設(shè)計選用橢圓形的封頭,由公稱 直徑 Dg=3200mm,查 8 P331 ,表 2-7-1 查得： 4B7a9QFw9h