合肥工业大学第七组化工工艺课程设计 08级

目录中文摘要 (1)英文摘要 (2)1 绪论 (3)1.1 中串低变换系统概述 (3)1.2 饱和热水塔的作用 (5)1.3 湿气体的热力学性质 (5)1.4 饱和热水塔的平衡曲线与操作线 (7)1.5 循环水量 (8)2本论 (10)2.1 变换系统基本工艺计算 (10)2.2 系统内部分温度估计 (12)2.3 水加热器的物料、热量衡算 (14)2.4 饱和塔的物料、热量衡算 (15)2.5 热水塔的物料、热量衡算 (16)2.6 饱和热水塔平衡线与操作线 (17)2.7 理论板数计算 (24)3心得体会 (26)参考文献 (27)附录 (28)合肥工业大学化工学院填料式饱和热水塔工艺设计摘要:本设计为年产三万吨合成氨厂变换工段饱和热水塔工艺设计，采用能耗较低的中串低流程。

饱和热水塔是变换工段的主要热能回收设备。

设计中对水加热器、饱和塔和热水塔进行物料衡算，能量衡算，计算了饱和塔和热水塔的平衡曲线和操作线。

经反复试算调整，确定适宜的循环水量和两塔理论塔板数。

绘制了中串低变换系统工艺管道与仪表流程图。

关键词：中串低流程饱和热水塔设计填料式饱和热水塔工艺设计（汽气比0.55）Abstract:This design is a project for the technological procedure of the gas saturator/water heater column of the middle-string-low shift system, whichrunning in ammonia plant of 30 000 t annually. Middle-string-low flowtechnological procedure is known for its lower energy costs. Gassaturator/water heater column is major equipment for heat recovery andcomprehensive utilization in the shifting system. This design and operationdirectly affect the consumption of the system, which in the bottom place ofthe ammonia plant. We calculated the heat and matter in the water hotter andgas saturator and the water heater. The balance curve and the operating curve ofthe gas saturator/water heater column are calculated. The cycling water yieldand the number of theoretical plates of the gas saturator/water heater columnare calculated too. The flow diagram of the process pipe and instrument ofthe middle-string-low temperature shifting system has been drawn. [13] [14] Keywords: middle-string-low temperature shifting flow process; gas saturator/water heater column design合肥工业大学化工学院1 绪 论1.1 中串低变换系统概述[1][2]1.1.1 变换系统在合成氨生产中的意义氨是一种重要的化工产品。

在合成氨的流程中，氢气是一种十分重要的原料，氢气的生产在本流程中使用的是一氧化碳的中串低流程，一氧化碳和水在变换反应炉中充分催化反应后，绝大部分一氧化碳可以被转变为二氧化碳，并且产生原料气氢气。

变换反应为：0222298()41.19/CO H O g CO H H kJ mol +⇔+∆=-在中变炉中反应结束后，与换热器换热后一次变换气进入串联的低变炉，继续反应，反应过程与中变炉中一样。

反应后的二次变换气通过管道进入水加热器，与热水塔来水进行换热。

这样，通过一氧化碳变换反应就能把CO 变为易于除去的CO 2,而且CO 2又是工业上生产碳酸氢铵、纯碱、尿素等化工产品的重要原料，同时又可制得与反应掉的CO 等摩尔的H 2，所消耗的只是廉价的水蒸汽。

一氧化碳变换过程,既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续，在合成氨生产流程中是非常重要的一个环节。

1.1.2中串低变换系统流程及其特点图1.1 中串低系统流程示意图中串低系统中气体的流程为：半水煤气进入系统后，首先经过油水分离器，除填料式饱和热水塔工艺设计（汽气比0.55）去原料气中的油脂和部分水之后进入过滤器，除去半水煤气中的结焦碳，除去油分、杂质后，进入饱和塔，在塔内气体与从塔上流下的热水逆流换热，进行热量和物质的交换，半水煤气温度升高，湿度加大。

出饱和塔的半水煤气进入预混器，同时补充过热蒸汽，使半水煤气的汽气比达到设计要求值，然后进入汽水分离预热器，半水煤气经预热后，再进入热交换器,与变换气换热，温度升高。

进入中变炉进行三段中变反应，从中变炉出来的变换气进入蒸汽过热器，用变换气加热饱和蒸汽为过热蒸汽，变换气降温。

一次变换气从蒸汽过热器流向热交换器，在热交换器中一次变换气与半水煤气进行换热。

换热后的一次变换气进入低变炉进行一氧化碳变换反应，气体出来后，进入水加热器，给循环水加热，变换气自身降温，再进入热水塔继续与循环水换热、降温，气体再进入第二热水塔换热，出来的变换气再进入水冷器，经过水冷却后进入汽水分离器，分离出气体与液态水，最后变换气去碳化或压缩。

中串低流程中的水的流程为：热水从饱和塔塔顶进入与半水煤气换热，半水煤气升温、增湿，热水降温，热水从饱和塔塔底出来。

经过一个U型管进入热水塔，在热水塔中与变换气进行热量交换，变换气降温，热水升温，热水从热水塔塔底出来。

经过水加热器，与变换气换热，升到一定温度再进入饱和塔进行循环。

这过程中会损失少量水，在热水塔中补充一部分，保持恒定的循环水量，如此不断循环下去。

中串低与单一中变流程相比，既可降低汽气比和变换气中的CO含量，从而降低蒸汽消耗和减轻精炼工段的负荷，并且提高原料气的利用率，又可提高变换系统的生产能力，取得较好的效果。

但中串低流程存在某些不足，主要是由于中变二、三段使用的仍是铁铬系催化剂，要求在较高的温度下进行反应，因而造成该催化剂的利用率较低，而且中变二、三段气体中的CO含量已较低，离反应平衡较近，降低了反应的推动力。

为了保证二、三段的平衡温距，反应速率不致于太慢，还需维持较高的汽气比，这也不利于进一步降低汽耗。

1.1.3中串低变换系统催化剂的选择在中串低系统中使用的变换催化剂有中温变换催化剂和钴钼耐硫宽温变换催化剂两种。

中温变换催化剂的主体为氧化铁氧化铬催化剂。

在我国中、小型化肥厂普遍采用，如B302Q、B303Q(EB-4)等催化剂。

钴钼耐硫宽温变换催化剂的优点有低温活性合肥工业大学化工学院好，活性温度范围宽；耐硫和抗毒性好；强度高，遇水不粉化，使用寿命长；可再硫化，不含钾的Co-Mo 系催化剂部分失活后，可通过再硫化使活性大部分获得恢复。

1.2 饱和热水塔的作用[3]目前，大多数中小型氮肥厂变换系统采用的都是带有饱和热水塔工艺流程。

饱和热水塔的作用是：（1）提高半水煤气温度；（2）增加半水煤气中水蒸汽含量，以节省补充蒸汽量；（3）清洗有害气体和灰尘。

饱和塔、热水塔和水加热器是变换系统中回收热量的主要设备，变换气经过一系列与水的热量交换，可以将变换过程中的热量传递给水。

出塔半水煤气温度愈高，则其夹带的蒸汽亦愈多，也就是回收的蒸汽量愈多，则外供蒸汽量就愈少，能耗越低，经济效益越好。

总结而言，饱和热水塔的作用就是将热量在热水与气体间进行交换，回收变换反应中的热量。

1.3 湿气体的热力学性质[4]1.3.1 饱和度φ气体中水蒸汽分压P H2O 与同一温度下水的饱和蒸汽压P H 之比，称为气体中水蒸汽饱和度，即2100%H OH p p Φ=⨯饱和塔出口气体中的水蒸汽含量，最大达到出口温度下的饱和湿含量，即φ＝100％，实际生产中是达不到饱和的，一般φ＝90～95％。

1.3.2 湿含量m指1kg 干气体中所含有的水蒸汽质量kg/kg(干气)22221818H O H O H O H H O HM p p p m M p M p p M p p Φ⋅=⋅=⋅=⋅--Φ⋅干干干干 M 干——干气体分子量 P――气体总压，绝对压力1.3.2热含量I即单位质量气体所含有的热量。

一种物质在某一状态下的热含量是从某一基准状填料式饱和热水塔工艺设计（汽气比0.55）态变化到该状态时所吸收的热量。

基准状态是人为选定的，一般为0℃。

对于湿气体它的热含量应是干气体的显热与所包含的水蒸汽的显热与潜热之和，以1 kg 干气体为基准的湿气体的热含量为p I C t m i =⋅+⋅p C ――干气体的平均比热容，kJ/k g•℃Ⅰ――水蒸汽在t ℃时的焓，kJ/kg1.3.4 露点温度t d湿气体在湿含量不变的条件下冷却到饱和时的温度，称为露点温度，达到露点时φ＝100％。

欲求某一气体的露点只需从饱和蒸汽表中查出与该气体的水蒸汽分压相应的饱和温度即是该气体的露点温度。

水加热器出气温度应比露点温度高10℃左右。

1.3.5 绝热饱和温度t s当不饱和的气体与足够量的水在绝热情况下相接触时，水含量逐渐增加，当水汽含量达到饱和时，气体温度将不再因蒸发水份而降低，这时的温度称为气体的绝热饱和温度。

绝热饱和温度是气、水直接接触时，水能被加热或冷却的极限温度。

在变换系统中，出热水塔的热水温度，取决于入塔变换气的绝热饱和温度。

故在变换系统的设计计算中，必须首先计算入热水塔变换气的绝热饱和温度，而后才能进一步确定出系统的温度分布。

出热水塔的热水温度，应比绝热饱和温度低1.0～1.5℃。

气体的绝热饱和温度决定于它的最初温度和湿含量。

由热平衡可知,若以 1 kg干气体为计算基准，则 ()1111p s s s p s s p C t m i C t m i m m t C ⋅+⋅=⋅+⋅+-⋅水当达到绝热饱和温度时，气体的最终热含量将等于它的初始热含量加上以水蒸汽状态而进入到气体中的水的热含量。