小合成氨廠低溫變換工段工藝設計資料

1、化工工藝設計化工工藝設計任務書課題 內(nèi)容變換工段在合成氨生產(chǎn)起的作用既是氣體凈化工序， 又是原料氣的再制 造工序，經(jīng)過變換工段后的氣體中的 CO含量大幅度下降，符合進入甲 烷化或者銅洗工段氣質(zhì)要求。要求：繪制帶控制點的工藝流程圖系統(tǒng)物料、能量合算系統(tǒng)主要設備能力及觸媒裝填量核算該工段設備多，工藝計算復雜，分變換爐能力及觸媒裝填量核算、系統(tǒng) 熱量核算和系統(tǒng)水循環(huán)設備及能力核算課題進度按化工設計要求進度進行基本 條件 要求1. 入工序氣體流量：6000kmol/h （干基）壓力：2.47Mpa溫度：40C2. 入 口氣體組分：CO%=2.79%CO2%=11.95%出=39.71%N2%=13.9

2、3% CH4%=0.21% 出0%=31.23% Ar=0.18 %（體積比）3. 出口氣體組分：CO%0.34% （體積比）3變換工藝設計說明書設計題目小合成氨廠低溫變換工段工藝設計課題來源小合成氨廠低溫變換工段工藝設計 變換工段化學工藝設計標準 變換工段在合成氨生產(chǎn)起的作用既是氣體凈化工序，又是原料氣的再制造工序，經(jīng)過變換工段后的氣體中的 CO含量大幅度下降，符合進入甲烷化或者銅洗工段氣質(zhì)要求。要求：1.繪制帶控制點的工藝流程圖2. 系統(tǒng)物料、能量衡算3. 系統(tǒng)主要設備能力及觸媒裝填量核算4該工段設備多，工藝計算復雜，分變換爐能力及觸媒裝填量核算、系統(tǒng)熱量核算和系統(tǒng) 水循環(huán)設備及能力核算。

3、變換工藝流程低壓機四段來的半水煤氣壓力2.0 MPa，溫度40C的半脫氣經(jīng)熱水洗滌塔除去氣體中的油污、雜質(zhì)，進入飽和塔下部與上部噴淋下來的166175 C的熱水逆流接觸，進行傳質(zhì)傳熱，使氣體中的水汽含量接近飽和，從塔頂出來到蒸汽噴射器，補入外管來的高壓蒸汽，進一步提高氣體的溫度和水氣比，使出0/干氣=0.60.7。達到變換所需的液氣比值。接著氣體進入半水煤氣換熱器I,半水煤氣換熱器n管內(nèi)加熱，溫度升至300 C,經(jīng)過加壓電爐進入中變爐內(nèi)。中變爐觸媒分三段，每段各裝一層觸媒，上段出口變換氣CO含量1315%，溫度437C，通過甲烷化加熱器殼程換熱和增濕器降溫，增濕溫度降至370C進入中變二段，二

4、段出口 CO變換率89%，溫度403 C進入增溫器，三段出口變換氣中，CO 33.5%，溫度386C，經(jīng)過半水煤氣換熱器n和半水煤氣換熱器I的管間，加熱進中變的半水煤氣，溫度 降至285C然后進入一水加熱器被管內(nèi)的循環(huán)熱水降溫至185C,進入低變爐進行低溫變換。低變爐觸媒分上、下兩段，每段各層一層耐硫變換催化劑，上段出口變換氣溫度222C，含CO 0.50.6%，進入段間冷卻器管間，溫度降至190C，進入低變爐下段反應，出口變換氣溫度232 C,含CO 0.20.3%，進入二水加熱器降溫后，溫度170 C進入熱水塔與飽和塔底出來的熱水逆流接觸，進行傳質(zhì)傳熱，進一步降溫并回收熱量，147C的變換

5、氣接著又進入脫鹽水預熱器管內(nèi)與來自脫鹽水站的脫鹽水換熱后進入變換氣水冷器管間，出來后溫度降至40 C,在變換氣水分離器內(nèi)，分離冷凝水后去變脫工段。變換工段化學工藝設計原則1. 入工序氣體流量： 6000kmol/h （干基）壓力：2.47Mpa溫度：40 C2. 入 口氣體 組分：CO%=2.01%CO2%=10.95%出=41.49%2%=13.93%CH4%=0.21% H2O%=31.23%Ar=0.18 %（體積比）3. 出口氣體組分：CO% 0.34% （體積比）目錄1. 前言1.1.1. 變換氣反應原理 1.1.2. CO變換反應的化學平衡的影響因素： 31.3. CO低溫變換催化

6、劑4.1.4. 工藝流程簡述5.2. 物料及熱量衡算7.2.1. 設計條件7.2.2. 低溫爐變換第I段催化劑層物料及熱量衡算 72.2.1. 低溫變換第I段催化劑層 H20/干氣 72.2.2. 低溫變換第I段催化劑層CO的平衡轉(zhuǎn)換率計算 82.2.3. 出口溫度校核8.2.2.4. 低溫爐變換第I段催化劑層物料及熱量衡算 92.3. 第二變換爐第U段催化劑床層物料及熱量衡算 92.3.1. 第二變換爐第二段催化劑層CO的平衡轉(zhuǎn)化率計算102.3.2. 第二變換爐第二段催化劑熱量衡算 1 02.3.3. 平衡溫距校核 1.13. 主要設備計算1.23.1. 低變換爐的計算 123.1.1.

7、低溫變換第一段催化劑用量計算 1 23.1.2. 第二變換爐第二段催化劑用量計算1 33.2. 煤氣換熱器的計算143.2.1. 設備直徑及管數(shù)確定1.43.2.2. 設備規(guī)格的確定153.2.3. 傳熱系數(shù)計算163.2.4. 傳熱面積計算203.2.5. 列管長度的計算204. 主要設備一覽表215. 主要參考文獻22化工工藝設計丄、F亠一1.刖言合成氨生產(chǎn)常用的原料包括：焦碳、煤、焦爐氣、天然氣、石腦油和重油。不論以固體、液體或氣體為原料，所得到的合成氨原料氣中均含有一氧化碳。固體燃料氣化所得半水煤氣中的一氧化碳含量為28%30%，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化為12%13%,焦爐轉(zhuǎn)化氣為11%15%，重

8、油部分氧化為44%48%。一氧化碳的清 除一般分為兩次。大部分一氧化碳，先通過變換反應，即在催化劑存在的條件下， 一氧化碳與水蒸氣作用生成氫氣和二氧化碳。通過變換反應，既能把一氧化碳變 為易于清除的二氧化碳，同時，又可制得與反應了的一氧化碳相等摩爾的氫， 而 所消耗的只是廉價的水蒸氣。因此，一氧化碳的變換既是原料氣的凈化過程， 又 是原料氣制造的繼續(xù)。最后，殘余的一氧化碳再通過銅氨液洗滌法、液氮洗滌法 或甲烷化法等方法加以清除。變換工段是指CO與水蒸氣反應生成二氧化碳和氫 氣的過程。目前，變換工序主要有 全低變”工藝和 中低變”工藝，此次設計運用的是 中 低變串聯(lián)”工藝是90年代在我國小合成氨

9、廠開始使用的，是從“中低變”演變而 來，使用低溫活性較好的 B302Q、B303Q等耐硫變換催化劑，各段進口溫度均 在200 C左右。經(jīng)過幾年的發(fā)展，隨著耐硫低溫催化劑的開發(fā)利用，“全低變”的工藝和設備不斷完善，操作水平也進一部提高，目前“全低變”工藝已進入成 熟階段。該工藝具有蒸汽消耗低、系統(tǒng)阻力小、生產(chǎn)強度大等優(yōu)點。1.1.變換氣反應原理合成氨生產(chǎn)需要的原料氣是 H2和N2,而半水煤氣中含有約30%左右的CO, 需要將其除去。變換工段的目的就是將半水煤氣中的 CO除去，在本質(zhì)上是原料 氣凈化的一個過程。為了將 CO除去，工業(yè)上采用的方法是：在催化劑存在的條 件下，利用較為廉價的水蒸氣與 C

10、O反應，生成H2和CO2。原料氣中的一氧化碳與水蒸汽的變換反應可用下式表示：CO + H O C2O 尹Q( 1-1此反應為可逆放熱反應，反應熱為 40964 J/mol,當開車正常生產(chǎn)后，即可利用 其反應熱來維持過程的繼續(xù)進行。在一般情況下，一氧化碳與水蒸汽直接進行反應，其變換反應的速度是很慢的，如果用催化劑催化，則可以加快反應速度，大大有利于變換反應的進行。 隨著一氧化碳變換反應的進行，伴隨著微量的副反應發(fā)生，主要有如下幾種:（1）甲烷的生成CO 3H2 二CH4 H2O QCO 3H2 二CH4 H2O QCO2 4H2 = CH 4 2H 2O Q（2）一氧化碳的分解反應2C0 二 C

11、 CO2 Q（3）有機硫的轉(zhuǎn)化反應COS h2 二 CO h2sCOS H2O =CO2 h2sCS2 2H2O 二 CO2 2H2SCO變換反應化學平衡一氧化碳和水蒸汽的變換反應系可逆反應。(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-6)(1-7)(1-8)CO H2O = CO2 H2 Q其平衡常數(shù)為:.,yCO2 yH 2 rCO Ch 2Kp -yCO yH2OrCOrH2O(1-9)式中：yi各組分的摩爾分數(shù)r 氣體的逸度系數(shù)Kp CO的平衡常數(shù) =0. 02 4M Pasu 出=0.0123MPa.su C0=0. 021MPa.su O2 =0.0282MPa.s由于CH4和0

12、2含量很低，可忽略。則由以上數(shù)據(jù)代入式（3-8）可求得21.01 1.62,18 24.33 2.47 . 28 17.85 2.49 , 28 29.86 1.23 . 25.53 2.19 . 44-(21.01 匯麗 +24.33漢 728 +17.85漢壓 +29.86江寸勺 +5.53疋阿)漢 102=0.0212 MP s =0.0764kg/(m h)同理可求得則由雷諾準數(shù)計算公式代入數(shù)據(jù)可得由普朗特準數(shù)計算公式入 m=0.2332J/m?h?Kr*22.6。.。點 2 39 08 90.0 76 4代入數(shù)據(jù)可得0.0764 1.720.2332二 0.563管內(nèi)傳熱系數(shù)可用下面

13、的公式計算:內(nèi)=0.023Re0.8 Pr0.4d(3-7)式中：d列管直徑。代入數(shù)據(jù)可得0 2332a 內(nèi)=0.023239080.80.5630.14 = 589.88 kJ/m2?h?K內(nèi)0.023(2)殼側(cè)給熱系數(shù)計算 擋板采用圓缺板，板間距取 0.83 m,缺口高度為直徑的30%，給熱系數(shù)由下面 公式計算= 1.72(de)0.f譽)0竽八($)w0.14(3-8)Gm流體在壁下的粘度，kg/(m?h)式中：de設備當量直徑按流道基準截面積計算的流體重量流速，kg/(m2?h)do管外徑，mF 0.4在本計算范圍內(nèi)，由于溫度對氣體的粘度影響不大，故粘度校正項上i可忽luw丿略不計。在

14、286C，壓力1.0 MPa下，變換氣的物性數(shù)據(jù)如下：Cp(m)=33.56 kJ/kmol?K卩=0.0857 kg/m?h入=0.342 kJ/ m?h?K殼程流道基準面積由下面公式計算式中，S1流體橫過管束時的流道截面積，m2;S2弓形缺口處流道截面積，m2。對于正六邊形排列的換熱管，流體橫過管束時的流道截面積S1可由下面的公式計算plV hD1十)(3-9)S?二 Sa弓形缺口處流道截面積S2可由下面公式計算(3-10)其中，Sa可由下面公式計算:-hAi r丿r _ h , Dh - (h)2(3-11)式中，Sa弓形截面積，m2h 弓形高度，mr擋板半徑，mh擋板間距，m0.028

15、 5=0.83 1.2 (1)0.032= 0.125m2Sa3.14 (0.6)2 cost。6 一.3) -(0.6 -0.3)、1.2 0.3 - 0.32180 0.62= 0.221 m二 0.067 m2Sm 二.SjS2.0.125 0.0672= 0.092 m變換氣質(zhì)量流量1907.3 18.933600= 10.029 kg/s變換氣質(zhì)量流速w 變10.029Sm 0.0922=109.01kg/m s當量直徑de由下式計算deD2 - nd02D nd0代入數(shù)據(jù)可得deD2 - nd；1.22 -980 0.0282D nd01 980 0.028=0.024 m將以上計

16、算得到的數(shù)據(jù)代入可以得到0 6，外九72 O.814 (.024) .0.028= 2032.13kJ/m2 h K,0.028 109.01 36000.6 ,0.0857 33.38J3( )( )0.08570.0814(3) 總傳熱系數(shù)的確定總傳熱系數(shù)可由下面公式計算內(nèi)外(3-12)式中，R管、殼程污垢熱阻，根據(jù)經(jīng)驗各取 0.001SI管管壁厚度，m入一-壁傳熱系數(shù)，kJ/m2?h?K則總傳熱系數(shù)K =110.00250.001589.88 2032.13402=259.74 kJ/ m .h.K3.2.4.傳熱面積計算以變換氣放出的熱量為熱負荷的計算基準 平均溫差：t360 -200

17、 - 200 -187,360 200In200 -187= 58.57 C傳熱面積20-91 106 -1426 10 437.12m258.57 259.742設富裕量為30%，可知F實=437.12 1.3=568.27m3.2.5.列管長度的計算568.27(0.028-0.0025) 3.14 980二 7.24 m實際取7.4m （加上管板厚度所需要的管長）4. 主要設備一覽表主要設備的型號、尺寸及工作條件見表3-6。表3-6主要設備一覽表序號 名稱位號臺數(shù)型號、規(guī)格1低溫變換爐RO42021煤氣換2熱器EO42011變換氣3換熱器EO42021材質(zhì)：16MnR操作溫度 280 C

18、操作壓力 1.69MPa催化劑床層直徑：4.0 m催化劑用量：一段8.6 m3,二段24.4 m雙管程單殼程式換熱器，列管：$ 28X2.5 mm, 980 根，長 7.4 m2總傳熱面積 568.27 m工作壓力：1.7 MPa工作溫度：360 C工作壓力：1.7 MPa工作溫度：230 C5. 主要參考文獻1. 化工工藝設計手冊.國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設計院，1986年.2. 化工過程及設備設計華南理工大學出版社，1986年.3譚天恩，麥本熙，丁惠華等編，上下冊（第二版），化學工業(yè)出版社4. 黃仲九，房鼎業(yè).化學工藝學M.北京:高等教育出版社,2001.5. 化工手冊編委會編.化工手冊（第一篇），化學工業(yè)出版社，1980.6. 朱思明，湯善普等編，化工設備機械基礎，華南理工大學出版社，1991.7 時均，汪家鼎，余國琮等.化學工程手冊M. 2版.北京：化學工業(yè)出版社，1996. 8石油化學工業(yè)部化工設計院主編.小氮肥廠設計手冊.石油化學工業(yè)出版社， 1979.9 石油化學工業(yè)