萬噸每合成氨寬溫變換工藝設(shè)計.docx

1、四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 CO+H2= C+H 2O (1-2其中反應(yīng) (1-1是主反應(yīng)，反應(yīng) (1-2是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進行，工業(yè)上采用對式反應(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。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)。變換過程中還包括下列反應(yīng)式：H2+O2=H2O+Q1.2 變換工藝流程確定目前變換工藝流程有：中溫變換，中串低，全低及中低低4 種工藝。中溫變換流程的特點是：采用低溫高活性的中變催化劑，降低了工藝上對過量蒸汽的要求。采用段間噴水冷凝降溫，減少了系統(tǒng)的熱負荷和阻力，減少外供蒸汽量。合成與變換，銅洗構(gòu)成第二換熱網(wǎng)絡(luò)，

2、合理利用熱能。中溫變換串低溫變換流程的特點：采用鐵鉻系中溫變換催化劑后串銅鋅系低溫變換催化劑。由于銅鋅催化劑對硫敏感，所以以煤或重油為原料制取的原料氣在進行中溫變換后，一般要經(jīng)過濕法脫硫、一次脫碳、氧化鋅脫硫后，才能進行低溫變換，最后還要二次脫碳，流程長、設(shè)備多、能耗大。中低低流程的特點是: 在一段鐵鉻系中溫變換催化劑后直接串兩段鈷鉬系耐硫變換催化劑，利用中溫變換的高溫6/55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，實現(xiàn)節(jié)能降耗。全低變換流程的特點是：變換爐入口溫度及床層內(nèi)的熱點溫度均比中變爐低，使變換系統(tǒng)在較低的溫度范圍內(nèi)操作，有利于提高CO 平衡變換率，在滿足出口變換氣中

3、 CO 含量的前提下，可降低入爐蒸汽量，使全低變流程比中變及中變串低變流程蒸汽消耗降低。催化劑用量減少一半，使床層阻力下降。考慮到全低變流程的優(yōu)點，所以本設(shè)計選用全低工藝流程。此流程為：轉(zhuǎn)化氣首先進入飽和熱水塔，在飽和熱水塔中轉(zhuǎn)化氣被增濕。在進變換爐前加入蒸汽使H2O/CO 達到 3.5，再進入變爐爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到 1.5%。再通過換熱器將變換氣的溫度降到 127。1.3 變換工藝參數(shù)的確定1.3.1壓力壓力對變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易于進行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學(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

4、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低。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點，特別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0.7-1.2MPa, 中型氨廠為 1.2-1.8MPa1 。本設(shè)計為小型氨廠故壓力可取0.8MPa。1.3.2溫度變換反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(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，因而存在著最佳反應(yīng)溫度。對一定催化劑及氣相組成，從動力學(xué)

5、角度推導(dǎo)的計算式為：Tm=式中 Tm、Te分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。1.3.3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7/55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 殘余含量。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加， CO 停留時間縮短，余熱回收設(shè)備負荷加重等后果。1.4主要設(shè)備的選擇說明全低變流程中，主要設(shè)備有變換爐、飽和熱水塔、換熱器等。催化劑選用 B302Q

6、 型催化劑，并確定其用量。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及變換氣中所要求的CO濃度。8/552. 變換工段物料及熱量衡算2.1 變換爐物料衡算及熱量衡算2.1.1已知轉(zhuǎn)化氣組成已知變換爐進口氣體組成：表 2-1變換爐進口氣體組成組分COCO2H2H2SO2合計含量 %30.21154.14.50.21002.1.2本設(shè)計的計算基準本設(shè)計中物料衡算以3原料氣為計算基準，熱量衡算以 25為計算100 Nm基準，則入變換爐氣體的干基組成為：表 2-2變換爐進口氣體干基組成組分COCO2H 2H 2SO2合計Nm 330.21154.14.50.2100

7、%30.21154.14.50.21002.1.3工藝條件的確定根據(jù)參考文獻 1 確定變換工藝條件如下 ：入口 Ti =170，操作壓力 P=0.8MPa, 水氣比 H2O/CO=3.52.1.4. 變換爐催化床層的物料衡算因水氣比H2O/CO=3.5，則V(H 2O=105.7Nm3則入變換爐氣體的濕基組成為：表 2-3變換爐進口氣體濕基組成組分COCO2H 2H 2SO2H 2O合計Nm 330.21154.14.50.2105.7205.79/55%14.685.3526.302.190.1051.38100本設(shè)計要求出催化劑床層的 CO干基含量為 1.5% 所以 CO 的實際變換率為：

8、=93.63%則反應(yīng)了的 CO 量為：30.2 93.63%=28.28 Nm3則反應(yīng)后的變換氣組成為：V(H 2=54.1+28.28-0.4=81.98 Nm3V(H 2O=105.7-28.28+0.4=77.82 Nm3V(CO=30.2-28.28=1.92 Nm3V(CO 2=11+28.28=39.28 Nm3V(H 2S=4.5 Nm3所以，出變換爐的干基組成為：表 2-4出變換爐變換氣干基組成組分COCO2H2H2S合計Nm 31.9239.2881.984.5127.68%1.5030.7664.213.53100出變換爐的濕基組成為：表 2-5 出變換爐變換氣濕基組成組分

9、COCO2H 2H2SH2O合計31.9239.2881.984.577.82205.5Nm%0.9319.1139.892.2037.87100所以，平衡常數(shù)K 為：K=10/55=21.64查 2 得， Te=346設(shè)平衡溫距為13，則出口溫度為To=3332.1.5變換爐催化床層的熱量衡算取進出口的平均溫度T 平=(170+333 =252進行計算為：混合氣體的熱容為：CO:Cp=4.1868 (6.48+0.1566 0.01 T-0.02387 0.00001 T2H2:Cp=4.1868 (6.424+0.1039 0.01 T-0.007804 0.00001 T2 H2O: C

10、p=4.1868 (6.97+0.3464 0.01 T-0.04833 0.00001 T2 CO2: Cp=4.1868 (18.036-0.00004474 T-158.08/T1/2H2S:Cp=4.1868 (7.07+0.3128 0.01 T+0.1364 0.00001 T2 O2: Cp=28.17+6.297 0.001 T-0.7494 0.000001 T2查2 得，CO 變換反應(yīng)放熱 Q1 為：Q1=28.28/22.4 (6548-384294+103950+234172-50025.3kJH2 燃燒放熱 Q2 為：Q2=0.4/22.4 (-234172-0.2/

11、22.4 6866-0.4/22.4 6548=-4359.8kJ 所以，總放熱量 Q 為：Q=Q1+Q2=-54385.18kJ由上可計算各組分熱容如下表：表 2-6平均溫度下變換氣的熱容組分COCO2H2H2SH2OCp(kJ/kmol 30.3046.5329.0938.0536.24%0.9319.1139.892.2037.87Cpm=0.0093 30.30+0.3989 29.09+0.3787 36.24+0.1911 46.53+0.022 38.05=35.34kJ/(kmol 假設(shè)熱損失 Q4 為 3%，則Q4=3%Q=1631.56kJ氣體吸熱量 Q3 為：Q3=205

12、.5/22.4 Cpmt11/55由熱量衡算有，Q=Q4+Q3帶入數(shù)據(jù)的： t=163所以，出口溫度To=(170+163=333從而上述溫距假設(shè)合理。2.1.6變換爐催化劑平衡曲線根據(jù) H，與公式X P=2O/CO=3.5100%V=K PAB-CDq=U=K P(A+B+(C+D,W=K P-12其中 A、B、C、D 分別代表 CO、H2O、CO2 及 H2的起始濃度。U=K P(A+B+(C+D=458.24 (14.68+51.38+(5.35+26.30=30302.98V=K PAB-CD=458.24 14.68 51.38-5.35 26.30=345490.66W=K P-1

13、=458.24-1=457.24q=16922.82X P=0.9967其它溫度下的計算結(jié)果如下：表 2-7變換爐中溫度與平衡轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系12/55t/KpWVUqXp170458.24457.24345490.6630302.9816922.820.9967190286.34285.34215833.6518947.2710613.910.9947210186.34185.34140407.8112341.276943.650.9919230125.69124.6994662.038334.734717.420.988125087.5086.5065856.905811.903315.3

14、70.983027062.6561.6547113.584170.312402.760.976529046.0045.0034555.183070.411790.950.968431034.5533.5525918.922314.021369.810.958633026.4725.4719824.511780.261072.200.946935020.6620.6615442.271396.45857.730.933337016.3915.3912221.591114.37699.610.91792.1.7最佳溫度曲線的計算變換爐中選用B302Q 型催化劑最適宜溫度曲線由式Tm=進行計算。其中

15、A、B、C、D 分別代表 CO、2 、CO2 及 H2 的起始濃度 2，H O查 2 得 B302Q 型催化劑的正負反應(yīng)活化能分別為E1=43164kJ/kmol，E2=E1+r(- HR,其中r=1, HR=- 10000- 0.291 T+2.8450.001 T2-0.97030.000001T3。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)有 , E2=53456.4 kJ/kmol最適宜溫度計算列于下表中：表 2-8 最適宜溫度與平衡轉(zhuǎn)換率之間關(guān)系Xp0.99670.99470.99190.98810.98300.9765T/K428449468488507527t/ 155176196215234254Xp0.9

16、6840.95860.94690.93330.9179T/K546566585604627t/2732933123313542.1.8操作線計算由中變催化劑變換率及熱平衡計算結(jié)果知：變換爐入口氣體溫度170變換爐出口氣體溫度33313/55變換爐入口 CO 變換率0%變換爐出口 CO 變換率 93.63%所以，操作線為：T=174.09x+170圖2-1CO變換過程的T-X圖3. 輔助設(shè)備物料及熱量計算3.1 飽和塔的物料與熱量衡算1. 飽和塔的物料衡算14/55已知條件溫度進塔原料氣溫度35出塔原料氣溫度113進塔熱水溫度116壓力進飽和塔的氣體壓力0.9MPa物料量進塔干原料氣量14804

17、.74Nm3/h入塔水量35000kg/h物料衡算取飽和塔出口氣中蒸汽的飽和度為93% ， 113時的飽和蒸汽壓P(H2O=160kPa3所以，出飽和塔原料氣中帶出的蒸汽量為：G=Nm3/h=2932.57 Nm3/h2. 飽和塔的熱量衡算入熱氣體帶入熱 Q135原料氣的比熱容為 ：表 3-1 35 原料氣的比熱容組分CCH2HO2OO22SCp/kJ/(kmol 29.37.28.34.30.0343180901%30.1154.4.50.221Cpm=(0.30229.03+0.11 37.43+0.541 28.18+0.045 34.09+0.002 30.01kJ/(kmol =29

18、.73 kJ/(kmol Q1=14804.74/22.4 29.73 (35-25kJ5116的水帶入熱 Q2 為：15/55Q2=350004.187 (116-25kJ7合計：Q=Q1+Q2=1.354 107kJ/h出熱113的干原料氣帶出熱Q3 為：113原料氣的比熱容為：表 3-2 113 原料氣的比熱容 2組分CCHH2SO2H2OO22OCp/kJ/(kmol 29.39.628.334.7530.230.1266546干氣百分含量 %30.1154.14.50.202Cpm=(0.30229.26+0.11 39.66+0.541 28.35+0.045 34.75+0.00

19、2 30.24kJ/(kmol =30.16 kJ/(kmol Q3=2932.57/22.4 30.16 (113-25kJ6水蒸氣帶出熱 Q4 為：Q4=2932.57/22.4 33.91 (113-25kJ5塔底排水量為：(35000-2932.57/22.4 18kg=32643kg/h所以，塔底水帶出熱Q5 為：Q5=(32643H-104.80kJ/h假設(shè)熱損失 Q6=0.34%Q=46036 kJ/h由熱平衡，有：Q=Q3+ Q4+ Q5+ Q6帶入數(shù)據(jù)得， H=452.48kJ/kg查3 得， t=10816/553.2 熱水塔物料與熱量衡算已知壓力氣體出塔壓力0.7MPa溫

20、度變換氣入口溫度147變換氣出口溫度127物料量入塔變換氣量30419.44Nm3/ha. 物料衡算塔內(nèi)蒸汽冷凝量為：設(shè)氣體出熱水塔的溫度為 127，在 127時的蒸汽壓 PH2O=0.25MPa變換氣帶出蒸汽量G=0.25/(0.7-0.25 18899.60 Nm3=10499.78 Nm3/h3所 以 ， 塔 內(nèi) 蒸 汽 冷 凝 量 為 ： (11519.84-10499.78Nm =1020.06Nm3/h塔頂進水量為：設(shè)飽和熱水塔的排污由飽和塔底排出，排污量為總循環(huán)量的0.5%，排污量為： 350000.5%=175kg/h所以，塔頂進水量為： 32643-175=32468 kg/

21、h外界向系統(tǒng)補水為： 35000-32468-1020.06/22.4 18=1712.31 kg/hb. 熱量衡算入熱氣體帶入熱 Q1 為：147變換氣的比熱容為表 3-3147變換氣的比熱容組分CCH2HHOO22S2OCp/kJ/(kmol 29.40.28.35.34.3651420413干氣百分含量 %1.530.64.3.5007621317/55Cpm=(0.015 29.36+0.3076 40.51+0.6421 28.42+0.0353 35.04kJ/(kmol =32.39kJ/(kmol Q1=18899.60/22.4 32.39 (147-25kJ/h6147的水

22、蒸汽帶入熱Q2 為：Q2=11519.84/22.4 34.13 (147-25kJ/h6塔頂水帶入熱 Q3 為：Q3=324684.183 (108-25kJ/h7補充水帶入熱 Q429.40.28.34.32.3002378720干氣百分含量 %1.530.64.3.50076213Cpm=(0.015 29.30+0.3076 40.02+0.6421 28.37+0.0353 34.87kJ/(kmol =32.20 kJ/(kmol Q5=18899.60/22.4 32.20 (127-25kJ/h6127的水蒸汽帶入熱Q2 為：Q6=10499.78/22.4 34.00 (12

23、7-25kJ6熱損失 Q7 為： Q7=0.2%Q=33480 kJ/h出熱水塔熱水帶出熱Q8 為： Q8=35000(H-104.8018/55由熱平衡 Q= Q5+ Q6+ Q7+ Q8 得，H=456.50 kJ/h查 3 得， t=1093.3. 第一換熱器的熱量衡算已知溫度水入口溫度109水出口溫度116變換氣出口溫度147物料量入換熱器干氣量30419.44Nm3/h入換熱器的水量35000kg/h109的水帶入的熱Q109為：Q109=350004.184 (109-25kJ/h7116的水帶出的熱Q116為：Q116=350004.187 (116-25kJ/h7147的變換氣

24、帶出的熱Q147 為： 由上計算可知）Q147=5.475 106kJ/h由熱平衡有， Qx- Q147= Q116- Q109得， Qx=6.515 106kJ/h由計算可得，入第一換熱器的原料氣溫度為：1693.4. 廢熱鍋爐的熱量衡算已知溫度水入口溫度 25水蒸汽出口溫度100變換氣入口溫度317變換氣出口溫度169物料量入廢熱鍋爐的變換氣量 30419.44Nm3/h 169的變換氣帶出的熱 Q169 為： 29.44.28.36.35.2284027654干氣百分含量 %1.530.64.3.50076213Cpm=(0.015 29.84+0.3076 40.02+0.6421 2

25、8.76+0.0353 36.54kJ/(kmol =33.75kJ/(kmol Q1=18899.60/22.4 33.75 (317-25kJ/h6317的水蒸汽帶入熱Q2 為：Q2=11519.84/22.4 35.22 (317-25kJ=5.289 106kJ/hQ317=Q1+Q2=1.360 107 kJ/h25的水帶入的熱Q25 為：Q25=0100的水蒸汽帶出的熱Q100 為： +m 2676.95 kJ/h由熱平衡有 ，Q100- Q25= Q317- Q169得， m=1984.32kg/h3.5. 第二換熱器的熱量衡算已知溫度變換氣入口溫度333變換氣出口溫度317原料

26、氣出口溫度170物料量入換熱器變換氣量 30419.44Nm3/h入換熱器的原料氣量30449.89Nm3/h20/55333的變換氣帶入的熱Q333 為：333變換氣的比熱容為：表 3-6 333 變換氣的比熱容組分CCH2HHOO22S2OCp/kJ/(kmol 29.44.28.36.35.8930806932干氣百分含量 %1.530.64.3.50076213Cpm=(0.01529.89+0.3076 44.30+0.6421 28.80+0.0353 36.69kJ/(kmol =33.86 kJ/(kmol Q1=18899.60/22.4 33.86 (333-25kJ/h6

27、333的水蒸汽帶入熱Q2 為：Q2=11519.84/22.4 35.32 (333-25kJ/h67Q333=Q1+Q2=1.439 10 kJ/h317的變換氣帶入的熱Q317 為:( 由上計算可知 Q317=1.360 107kJ/h170的原料氣帶出的熱量Q170為：170原料氣的比熱容為：表 3-7 170原料氣的比熱容組分CCOH 2H 2O2H 2OO2SCp/kJ/(kmol 29.30.4034.284341.0828.4635.25干氣百分含量 %30.114.50.20254.1Cpm=(0.30229.43+0.11 41.08+0.541 28.46+0.045 35

28、.25+0.002 30.40kJ/(kmol 21/55=30.45kJ/(kmol Q1=14804.74/22.4 30.45 (170-25kJ/h6Q2=15645.15/22.4 34.28 (170-25kJ/h=3.472 106kJ/hQ170=Q1+Q2=6.390 106kJ/h設(shè)入口原料氣帶入的熱Qx 為：由熱量衡算有，Q170-Qx= Q333- Q317得，Qx=5.600 106kJ/h出飽和塔的氣體帶入的熱為：2.145 106kJ/h所以，補充蒸汽帶入熱為：(5.600-2.145 106KJ=3.455 106kJ/h補充蒸汽量為： (15645.15-29

29、32.57Nm3=12712.58 Nm3/h所以補充蒸汽的規(guī)格為：202， 0.8Mpa 的過熱蒸汽。則混合后的溫度為： 148。3.6 物料匯總表進飽和熱水塔的原料氣組成：表 3-8進飽和熱水塔的原料氣組成組分COCO2H 2H 2SO2合計含量 %30.21154.14.50.2100出飽和熱水塔的原料氣組成：表 3-9 出飽和熱水塔的原料氣組成組分COCO2H 2H 2SO2H 2O合計Nm 330.21154.14.50.219.8119.8%25.219.1845.163.760.1716.52100變換爐進口氣體組成 ：表 3-10變換爐進口氣體組成組分COCO2H 2H 2SO

30、2H 2O合計Nm 330.21154.14.50.2105.7205.722/55%14.685.3526.302.190.1051.38100變換爐出口氣體組成：表 3-11 變換爐出口氣體組成組分COCO2H 2H2SH 2O合計Nm 31.9239.2881.984.577.82205.5%0.9319.1139.892.2037.87100廢熱鍋爐，第二換熱器的進出口變換氣組成與變換爐出口組成相同。第一換熱氣器進口變換氣組成：表 3-12 第一換熱氣器進口變換氣組成組分COCO2H 2H2SH 2O合計Nm 31.9239.2881.984.577.82205.5%0.9319.11

31、39.892.2037.87100第一換熱器出口變換氣組成：表 3-13第一換熱器出口變換氣組成組分COCO2H 2H2SH 2O合計Nm 31.9239.2881.984.570.92198.6%0.9619.7841.282.2735.711003.7 熱量匯總表以 25為計算基準 :表 3-14變換爐催化劑床層熱量平衡表反應(yīng)放熱 /kJ氣體吸熱 /kJ熱量損失 /kJ54385.1852753.621631.56表 3-15飽和塔熱量平衡表23/55帶入熱 /kJ帶出熱 /kJ原料氣1.965 1051.754106水1.334 1071.135107水蒸氣3.907 105熱損失合計1

32、.354 1071.349107表 3-16熱水塔熱量平衡表帶入熱 /kJ帶出熱 /kJ變換干氣3.334 1062.771106水1.127 1071.231107水蒸氣2.141 1061.626106熱損失合計1.675 1071.671107表 3-17第一換熱器熱量平衡表帶入熱 /kJ帶出熱 /kJ變換氣6.515 1065.475106水1.230 1071.334107合計1.882 1071.882107表 3-18 廢熱鍋爐熱量平衡表帶入熱 /kJ帶出熱 /kJ轉(zhuǎn)換氣1.360 1076.515106水07.085 106合計1.360 1071.360107表 3-19 第二換熱器熱量平衡表熱損失 /kJ46036熱損失 /kJ33480熱損失 /kJ熱損失 /kJ24/55帶入熱 /kJ帶出熱 /kJ熱損失 /kJ原料氣5.3971066.187106變換器1.4391071.360710合計1.9791071.9791074. 設(shè)備計算4.1. 變