目錄1.前言42.工藝原理43.工藝條件54.工藝流程的確定65.主要設備的選擇說明66.對本設計的綜述6第一章變換工段物料及熱量衡算8第一節中變物料及熱量衡算81確定轉化氣組成82水汽比的確定83中變爐一段催化床層的物料衡算94中變爐一段催化床層的熱量衡算115中變爐催化劑平衡曲線136.最佳溫度曲線的計算147操作線計算158中間冷淋過程的物料和熱量計算169中變爐二段催化床層的物料衡算1710.中變爐二段催化床層的熱量衡算18第二節低變爐的物料與熱量計算19第三節廢熱鍋爐的熱量和物料計算24第四節主換熱器的物料與熱量的計算26第五節調溫水加熱器的物料與熱量計算28第二章設備的計算291.低溫變換爐計算292.中變廢熱鍋爐31參考文獻及致謝35前言氨是一種重要的化工產品，主要用于化學肥料的生產。合成氨生產經過多年的發展，現已發展成為一種成熟的化工生產工藝。合成氨的生產主要分為：原料氣的制?。辉蠚獾膬艋c合成。粗原料氣中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化劑的毒物，所以必須進行凈化處理，通常，先經過CO變換反應，使其轉化為易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯甲烷化法加以脫除。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。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，這是從80年代中期發展起來的。所謂中變串低變流程，就是在B107等Fe-Cr系催化劑之后串入Co-Mo系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中的CO含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統的操作彈性大大增加，使變換系統便于操作，也大幅度降低了能耗。工藝原理：一氧化碳變換反應式為：CO+H2O=CO2+H2+Q(1-1)CO+H2=C+H2O(1-2)其中反應（1）是主反應，反應（2）是副反應，為了控制反應向生成目的產物的方向進行，工業上采用對式反應（11）具有良好選擇性催化劑，進而抑制其它副反應的發生。一氧化碳與水蒸氣的反應是一個可逆的放熱反應，反應熱是溫度的函數。變換過程中還包括下列反應式：H2+O2=H2O+Q工藝條件1.壓力：壓力對變換反應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易于進行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學角度，加壓可提高反應速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數小于干變換氣的摩爾數，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底。具體操作壓力的數值，應根據中小型氨廠的特點，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1.21.8Mpa。本設計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉化而來，故壓力可取1.7MPa.1.溫度：變化反應是可逆放熱反應。從反應動力學的角度來看，溫度升高，反應速率常數增大對反應速率有利，但平衡常數隨溫度的升高而變小，即CO平衡含量增大，反應推動力變小，對反應速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學角度推導的計算式為Tm=1212ln1EEEERTTee式中Tm、Te分別為最佳反應溫度及平衡溫度，最佳反應溫度隨系統組成和催化劑的不同而變化。1汽氣比：水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是工業變換反應中最主要的調節手段。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，加速變換反應的進行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分Fe3O4的穩定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應不易發生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標，盡量減少其用量對過程的經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，余熱回收設備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=35，經反應后，中變氣中H2O/CO可達15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。工藝流程確定目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低4種工藝。本設計參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產工藝，選用中串低工藝。轉化氣從轉化爐進入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從920降到330，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達到3到5之間，以后再進入中變爐將轉換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉換氣的溫度降到180左右，進入低變爐將轉換氣中一氧化碳含量降到0.3%以下，再進入甲烷化工段。主要設備的選擇說明中低變串聯流程中，主要設備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低變爐選用C6型催化劑，計算得低變催化劑實際用量10.59m3。以上設備的選擇主要是依據所給定的合成氨系統的生產能力、原料氣中碳氧化物的含量以及變換氣中所要求的CO濃度。對本設計評述天然氣變換工段工序是合成氨生產中的第一步，也是較為關鍵的一步，因為能否正常生產出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運轉的前提條件。因此，必須控制一定的工藝條件，使轉化氣的組成，滿足的工藝生產的要求。在本設計中，根據已知的天然氣組成，操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。首先對中，低變進行了物料和熱量衡算，在計算的基礎上，根據計算結果對主要設備選型，最終完成了本設計的宗旨。設計中一共有中溫廢熱鍋爐，中變爐，主換熱器，調溫水換熱器，低變爐幾個主要設備。由于天然氣變換工段工序是成熟工藝，參考文獻資料較多，在本設計中，主要參考了小合成氨廠工藝技術與設計手冊和合成氨工藝學這兩本書。由于時間有限，設計可能不完善，請各位老師指出。謝謝！第一章變換工段物料及熱量衡算第一節中溫變換物料衡算及熱量衡算1確定轉化氣組成：已知條件中變爐進口氣體組成：組分CO2COH2N2CH4O2合計%9.611.4255.7122.560.380.33100計算基準：1噸氨計算生產1噸氨需要的變化氣量：（1000/17）22.4/（222.56）=2920.31M3(標)因為在生產過程中物量可能會有消耗，因此變化氣量取2962.5M3(標)年產5萬噸合成氨生產能力：日生產量：150000/330=454.55/d=18.93T/h要求出中變爐的變換氣干組分中CO小于2進中變爐的變換氣干組分：組分CO2COH2N2O2CH4合計含量，9.611.4255.7122.560.330.38100M3(標)474563.862750.681113.916.2918.7634937.5假設入中變爐氣體溫度為335攝氏度，取出爐與入爐的溫差為30攝氏度，則出爐溫度為365攝氏度。進中變爐干氣壓力中P=1.75Mpa.2水汽比的確定：考慮到是天然氣蒸汽轉化來的原料氣，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=1973.52m3(標)n(水)=88.1kmol因此進中變爐的變換氣濕組分:組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53中變爐CO的實際變換率的求取：假定濕轉化氣為100mol，其中CO基含量為8.16，要求變換氣中CO含量為2，故根據變換反應：CO+H2OH2+CO2，則CO的實際變換率為：X=aaaaYYYY1100=74式中Ya、aY分別為原料及變換氣中CO的摩爾分率（濕基）則反應掉的CO的量為：8.1674=6.04則反應后的各組分的量分別為：H2O=28.56-6.04+0.48=23CO=8.16-6.04=2.12H2=39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86+6.04=12.9中變爐出口的平衡常數：K=（H2CO2）/（H2OCO）=12查小合成氨廠工藝技術與設計手冊可知K=12時溫度為397。中變的平均溫距為397-365=32中變的平均溫距合理，故取的H2O/CO可用。3.中變爐一段催化床層的物料衡算假設CO在一段催化床層的實際變換率為60。因為進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分CO2COH2N2O2CH4H2O合計含量，6.868.1639.816.120.240.2728.56100M3(標)474563.862750.681113.916.2918.7631973.526911.02koml21.1625.172122.79849.730.7270.83888.1308.53假使O2與H2完全反應，O2完全反應掉故在一段催化床層反應掉的CO的量為：60563.86=338.318M3(標)=15.1koml出一段催化床層的CO的量為：563.86-338.318=225.545M3(標)=10.069koml故在一段催化床層反應后剩余的H2的量為:2750.68+338.318-216.29=3056.41M3(標)=136.447koml故在一段催化床層反應后剩余的CO2的量為：474+338.318=812.318M3(標)=36.26koml出中變爐一段催化床層的變換氣干組分：組分CO2COH2N2CH4合計含量15.5443.158.4721.130.35100M3(標)812.318225.5453056.411113.918.765226.94koml36.2610.069136.44749.730.838233.35剩余的H2O的量為：1973.52-338.318+216.29=1667.79M3(標)=74.45koml所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分：組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(標)812.318225.5453056.411113.918.761667.796894.73koml36.2610.069136.44749.730.83874.45307.8對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進行計算：已知出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的含量（）：組分CO2COH2N2CH4H2O合計含量11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(標)812