年产50万吨合成氨中变换工段设计

年产50万吨合成氨中变换工段设计

[摘要]变换工段工序是合成氨生产中关键的一步，其主要任务是将变换气中的一氧化碳转化为二氧化碳。

本设计采用中串低工艺流程。首先对工艺流程和工艺条件进行简单说明；然后对全厂布置进行合理的设计；其次根据工艺参数对中变炉、低变炉、饱和热水塔等主要设备进行物料、热量衡算；再次对变换炉、换热器进行总体结构设计和计算；最后对变换炉进行强度校核。

[关键词]中串低；变换工段；工艺设计

目录

1 概述 (1)

1.1目的和意义 (1)

1.2合成氨工业概况 (1)

1.2.1基本现状 (1)

1.2.2发展趋势 (1)

1.2.3应用领域 (2)

1.3变换工艺介绍 (2)

1.3.1中温变换工艺 (2)

1.3.2中串低变换工艺 (2)

1.3.3中低低变换工艺 (2)

1.3.4全低变工艺 (3)

1.4变换工艺的选择 (3)

1.4.1工艺原理 (3)

1.4.2工艺条件 (3)

1.4.3工艺流程确定 (3)

1.4.4主要设备的选择说明 (4)

2 全厂总平面布置 (5)

2.1全场总平面布置的任务 (5)

2.2全厂总平面设计的原则 (5)

2.3全厂总平面布置内容 (5)

2.4全厂平面布置的特点 (5)

2.5全厂人员编制 (5)

3 物料与热量衡算 (7)

3.1已知条件及计算基准 (7)

3.2中温变换炉物料及热量计算 (7)

3.2.1水汽比的确定 (7)

3.2.2中变炉CO的实际变换率的求取 (7)

3.2.3中变炉催化剂平衡曲线 (8)

3.2.4最佳温度曲线的计算 (8)

3.2.5中变炉一段催化床层的物料及热量衡算 (9)

3.2.6中变炉二段催化床层的物料及热量衡算 (12)

3.3低变炉的物料及热量衡算 (15)

3.3.1低变炉物料计算 (15)

3.3.2出低变炉的变换气温度估算： (16)

3.3.3低变炉的热量衡算 (16)

3.3.4低变催化剂操作线计算 (17)

3.3.5低变炉催化剂平衡曲线 (18)

3.4饱和热水塔的热量和物料衡算 (19)

3.4.1 饱和塔的热量和物料衡算 (19)

3.4.2热水塔的物料和热量衡算 (20)

3.5主换热器的物料与热量的衡算 (22)

3.6中间变换器物料与热量衡算 (23)

4 设备的计算 (25)

4.1中温变换炉的计算 (25)

4.1.1触媒用量的计算 (25)

4.1.2第一段床层触媒用量 (25)

4.1.3 第二段床层触媒用量 (26)

4.1.4 触媒直径的计算 (27)

4.1.5中变炉进出口管径的选择 (28)

4.2低温变换炉的计算 (29)

4.2.1催化剂用量计算 (29)

4.2.2催化剂床层阻力 (29)

4.3主换热器的计算 (30)

4.3.1传热面积的计算 (30)

4.3.2设备直径与管板的确定 (31)

4.3.3传热系数的验算 (31)

4.3.4壳侧对流传热系数计算 (32)

4.3.5总传热系数核算 (33)

4.3.6其他换热器的选择 (33)

4.4泵的选择 (34)

5 变换炉机械设计及校核 (36)

5.1变换炉筒体和裙座壁厚计算 (36)

5.2变换炉的质量载荷计算 (36)

5.2.1塔壳和裙座的质量 (36)

5.2.2封头质量 (36)

5.2.3 裙座质量 (37)

5.2.4塔内构件质量 (37)

5.2.5人孔、法兰、接管与附属物质量 (37)

5.2.6保温材料质量 (37)

5.2.7平台、扶梯质量 (37)

5.2.8操作时塔内物料质量 (37)

5.3地震载荷计算 (38)

5.3.1计算危险截面的地震弯矩 (38)

5.4风载荷计算 (39)

5.4.1风力计算 (39)

5.4.2风弯矩计算 (40)

5.5各种载荷引起的轴向应力 (40)

5.5.1计算压力引起的轴向应力 (40)

5.5.2操作质量引起的轴向压应力 (40)

5.5.3最大弯矩引起的轴向应力 (40)

5.6筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 (41)

5.6.1筒体的强度与稳定性校核 (41)

5.6.2裙座的稳定性校核 (41)

5.7裙座和筒体水压试验应力校核 (42)

5.7.1筒体水压试验应力校核 (42)

5.7.2裙座水压试验应力校核 (43)

5.8基础环设计 (43)

5.8.1基础环尺寸 (43)

5.8.2基础环尺寸的应力校核 (43)

5.8.3基础环厚度 (44)

5.9地脚螺栓计算 (44)

5.9.1地脚螺栓承受的最大拉应力 (44)

5.9.2地脚螺栓直径 (44)

总结 (46)

设备一览表 (47)

符号说明 (48)

参考文献 (49)

致谢 (50)

附图说明 (51)

1 概述

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 是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过CO 变换反应，使其转化为易于清除的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。变换工段工序是合成氨生产中的第一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。

1.1目的和意义

氨是重要的无机化工产品，在国民经济中占有重要地位。随着世界人口的不断增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以及其他化工产品的氨用量也在增长。在化学工业中，合成氨工业已经成为了重要的支柱产业。据统计，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。

合成氨的生产主要分为原料气的制取和原料气的净化与合成。粗原料气中常含有大量的C ，由于CO 是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过CO 变换反应，使其转化为易于清除的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。

合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外，整个生产过程还需消耗较多的电力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。现在合成氨能耗约占世界能源消费总量的3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。因而能耗是衡量合成氨技术水平和经济效益的重要指标。

变换工段是指CO 与水蒸气反应生成CO 2和H 2的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO ，其体积分数一般为12%~40%。合成氨需要的两种组分是H 2和N 2，因此需要除去合成气中的CO 。变换反应如下：222CO H O = CO H ++。由于CO 变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO 含量。第一步是高温变换，使大部分CO 转变为CO 2和H 2；第二步是低温变换，将CO 含量降至0.3%左右。因此，CO 变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程，这是从80年代中期发展起来的。所谓中变串低变流程，就是在B106等Fe-Cr 系催化剂之后串入Co-Mo 系宽温变换催化剂。在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的CO 含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。

变换过程需在高温高压使用催化剂条件下进行，因此变换工序是合成氨生产的高成本工序,其成本降低对合成氨成本的降低有重要意义。

1.2合成氨工业概况

1.2.1基本现状

我国的氮肥工业自20世纪50年代以来,不断发展壮大,目前合成氨产量已跃居世界第一位,已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术,形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力为4500万吨/年左右,氮肥工业已基本满足了国内需求,在与国际接轨后,具备与国际合成氨产品竞争的能力,今后发展重点是调整原料和产品结构,进一步改善经济性。

1.2.2发展趋势

根据合成氨技术发展的情况分析,估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变,其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,改善经济性”的基本目标,进一步集中