河北科技大学化工工艺课程设计剖析

化工工艺与化工设计概论

课程设计

题目年产四万吨合成氨变换工段工艺初步设计系别化学与制药工程学院

专业化学工程与工艺

姓名曹泽众

学号100101401

指导教师刘洪杰孙立明赵瑞红

目录

1.前言 (2)

2.工艺原理 (2)

3.工艺条件 (2)

4.设计规模及设计方案的确定 (3)

5.工艺流程简述 (4)

6.主要设备的选择说明 (4)

7.对本设计的综述 (4)

第一章变换工段物料及热量衡算 (6)

第一节变换炉物料及热量衡算 (6)

第二节主要设备的物料与热量衡算 (15)

第二章设备的计算 (17)

主要设备一览表................................................‥ (25)

前言

氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产经过多年的发展，现已发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可使氨合成触媒中毒，必须进行净化处理，所以，

变换工段的任务就是，使co转化为易于清除的CO

2和氨合成所需要的H

2

。因此，CO变换既是原

料气的净化过程，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与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。

工艺原理：

一氧化碳变换反应式为：

CO+H

2O=CO

2

+H

2

+Q (1-1)

CO+H

2 = C+H

2

O (1-2)

其中反应（1）是主反应，反应（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应（1—1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。变换过程中还包括下列反应式：

H 2+O

2

=H

2

O+Q

工艺流程的选择

合成氨变换工艺发展至今，工艺主要有4种：全中变、中串低、全低变和中低低。对于每一种变换工艺，由于采用不同的热回收方式而使变换工艺的流程及设备结构有所不同。

合理选择变换工艺应考虑一下因素：半水煤气、水和蒸汽的质量，半水煤气中硫化氢的质量；变换气中CO含量要求；对变换后续工段的影响；企业现有管理水平和操作水平。

本设计采用全低变流程。

变换炉的段间降温方式有：半水煤气冷机降温、水冷激降温和蒸汽冷激降温。由于水的蒸发潜热大，少量的水就能达到降温的目的，用它降温既方便又灵敏，另外，由于水冷激降温是将气体的显热转变为蒸汽的潜热，降温后系统内总的热负荷并没有增加多少，相应的系统阻力也变化较小。所以，本次设计变换炉段间降温方式采用水冷激降温。

工艺流程简述

下边

原料及主要工艺条件

写任务书上的

其他条件

任务书

压力:压力对变换反应的平衡几乎没有影响。但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。单就平衡而言，加压并无好处。但从动力学角度，加压可提高反应速率。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，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压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0.7-1.2MPa,中型氨厂为1.2-1.8Mpa。本设计压力取1.7MPa.

温度：变化反应是可逆放热反应。从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的。因而存在着最佳反应温度。对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为

Tm=

式中Tm、Te—分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。

汽气比：水蒸汽比例一般指H

2

O/CO比值或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。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，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分Fe

3O

4

的稳定而不

被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，将造成催化剂床层阻力增加；CO停留时间缩短，余热回收设备附和加重等。

设计规模及设计方案的确定

1）原料组成

本设计采用的原料的组成，如表1所示。

表1 半水煤气的组成（干基）

组分H2CO CO2O2N2CH4合计

含量/％41.0 27.0 12.0 0.3 18.7 1.0 100

2）建设规模

年生产40000t合成氨厂生产能力，年工作日按330天计，日产量 40000/330/24=5.05t/h。3）设计方案

本工艺采用以煤为原料一氧化碳低温变换工艺设计。催化剂采用B302Q,该催化剂的活性温度为180℃～500℃之间，变换炉为二段，一二段采用换热器降温，最终一氧化碳的变换率达到符合生产的需要。

工艺流程简述

半水煤气温度35℃，压力0.88MPa，进入饱和塔加热增湿，出塔气体补充蒸汽达到所需的蒸汽比后进入蒸汽混合器，饱和塔出气所夹带的少量水雾皆可蒸发成蒸汽，而保证进入热换热器的半水煤气的干燥，半水煤气在热交换器中被加热到38℃左右，进入变换炉，经一段变换后的气体由变换炉引到热交换器降温后气体再回到变换炉二段触媒层，完成全部变换反应，出炉气体先去热交换器与部分半水煤气换热后依次进入水加热器和热水塔加热系统中循环热水，出热水塔的变换气进入第二水加热器加热锅炉给水后，再进入冷凝塔，被冷却水所洗涤和冷却。然后进变换气储罐。画方框图

图1 一氧化碳变换生产流程

主要设备的选择说明

低温变换流程中，主要设备有低变炉、饱和热水塔、换热器、水加热器等。以上设备的选择主要是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以及变换气中所要求的CO浓度。

对本设计评述

半水煤气的变换是合成氨生产中较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的变换气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满