4产万吨合成氨厂变换工段工艺设计

班级：姓名：题目年产三万吨合成氨厂变换工段设计一．设计原始数据：以在自贡市鸿鹤化工厂的实际数据为原始数据组分CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.6011.4255.7122.560.330.38100前言…………………………………………………………………………………41.工艺原理…………………………………………………………………………42.工艺条件…………………………………………………………………………43.工艺流程的选择…………………………………………………………………54.主要设备的选择说明…………………………………………………………55.工艺流程的说明………………………………………………………………6第一章物料与热量衡算…………………………………………………71．水汽比的确定…………………………………………………………………72．中变炉CO的实际变换率的求取………………………………………………83．中变炉催化剂平衡曲线………………………………………………………94.最佳温度曲线的计算…………………………………………………………105．中变炉一段催化床层的物料衡算……………………………………………116．中变一段催化剂操作线的计算………………………………………………177．中间冷淋过程的物料和热量衡算……………………………………………178．中变炉二段催化床层的物料与热量衡算……………………………………199．中变二段催化剂操作线计算………………………………………………2310.低变炉的物料与热量衡算……………………………………………………2411低变催化剂操作线计算………………………………………………………2912低变炉催化剂平衡曲线………………………………………………………2913.最佳温度曲线的计算…………………………………………………………3014废热锅炉的物料和热量衡算…………………………………………………3115.水蒸汽的加入………………………………………………………………3416主换热器的物料与热量的衡算………………………………………………3417.调温水加热器的物料与热量衡算……………………………………………36第二章设备的计算……………………………………………………………371.中变炉的计算…………………………………………………………………372.主换热器的计算…………………………………………………………………42设计的综述……………………………………………………………………………6参考文献……………………………………………………………………………49致谢…………………………………………………………………………………50第一章物料与热量衡算已知条件：组分CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.6011.4255.7122.560.330.38100计算基准：1吨氨计算生产1吨氨需要的变换气量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31M3(标)因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取2962.5M3(标)年产3万吨合成氨生产能力（一年连续生产330天）：日生产量：30000/330=90.9T/d=3.79T/h要求出中变炉的变换气干组分中CO％小于2％。进中变炉的变换气干组分：组分CO2COH2N2O2CH4合计含量，％9.611.4255.7122.560.330.38100M3(标)284.44338.321650.42668.349.7711.262962.5kmol12.69815.10394.50838.2710.5600.645161.785假设进中变炉的变换气温度为330℃，取变化气出炉与入炉的温差为35℃，出炉的变换气温度为365℃。进中变炉干气压力中P=1.75Mpa.1．水气比的确定：考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.5故V（水）=3.5Vco=1184.113m3(标)，n(水)=52.862kmol因此进中变炉的变换气湿组分组分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量％6.868.1639.8016.120.240.2728.56100M3(标)284.4338.321650.42668.349.7711.261184.124146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.122.中变炉CO的实际变换率的求取：假定湿转化气为100mol，其中CO湿基含量为8.16％，要求变换气中CO含量为2％，故根据变换反应：CO+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率公式为：Xp％=aaaaYYYY1×100（2-1）式中aY、'aY分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）所以：Xp=16.8210010004.616.8=74％则反应掉的CO的量为：8.16×74％=6.04则反应后的各组分的量分别为：H2O％=28.56％-6.04％+0.48％=23％CO％=8.16％-6.04％=2.12％H2％=39.8％+6.04％-0.48％=45.36％CO2％=6.86％+6.04％=12.9％中变炉出口的平衡常数：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知Kp=12时温度为397℃。中变的平均温距为397℃-365℃=32℃根据《合成氨工艺与节能》可知中温变换的平均温距为：30℃到50℃，中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。3．中变炉催化剂平衡曲线根据H2O/CO=3.5，与文献《小合成氨厂工艺技术与设计手册》上的公式XP=AWqU2×100％V=KPAB-CDq=WVU42U=KP（A+B）+（C+D）W=KP-1其中A、B、C、D分别代表CO、H2O、CO2及H2的起始浓度计算结果列于下表：t300320340360380400T573593613633653673Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058t420440460T693713733Xp0.68590.64160.5963中变炉催化剂平衡曲线如下：0102030405060708090100300350400450500温度（℃）CO转化率Xp4.最佳温度曲线的计算由于中变炉选用C6型催化剂，最适宜温度曲线由式1212ln1EEEERTTTmee进行计算。查《3000吨合成氨厂工艺和设备计算》C6型催化剂的正负反应活化能分别为E1=10000千卡/公斤分子，E2=19000千卡/公斤分子。最适宜温度计算结果列于下表中：Xp0.90120.87370.84240.80740.76870.7058T526546.8564.2581.5598.8624.5t256273.8291.2308.5325.8351.5Xp0.670.640.610.580.550.52T638.2649.4660.7671681.6692.6t365.2376.4387.3398408.6419.6Xp0.490.45T702.6716.6t429.6443.6将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91250270290310330350370390410430450温度（℃）CO转化率Xp5．中变炉一段催化床层的物料衡算已知条件：进中变炉一段催化床层的变换气的温度为330℃进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：组分CO2COH2N2O2CH4H2O合计含量％6.868.1639.816.120.270.2428.56100M3(标)284.42338.181650.41668.349.7811.261184.114146.61kmol12.6915.1073.6829.840.440.5052.86185.125.1中变炉一段催化床层的物料衡算假设CO在一段催化床层的实际变换率为60％假使O2与H2完全反应，O2完全反应掉故在一段催化床层反应掉的CO的量为：60％×338.318=202.9908M3(标)=9.062kmol出一段催化床层的CO的量为：338.318-202.9908=135.3272M3(标)=6.0414kmol故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为：1650.409+202.9908-2×9.776=1833.8478M3(标)=81.868kmol故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：284.4+202.9908=487.3908M3(标)=21.758kmol故出中变炉一段催化床层的变换气干组分的体积：V总（干）=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258=3136.1638M3(标)故出中变炉一段催化床层的变换气干组分中CO的含量：CO％=1638.31363272.135=4.31%同理得：CO2％=1638.31363908.487=15.54%H2％=1638.31368478.1833=58.47%N2％=1638.313634.668=21.13%CH4％=1638.3136258.11=0.35%所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：组分CO2COH2N2CH4合计含量％15.544.3158.4721.130.35100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.253136.16kmol21.766.0481.8729.830.50140.01剩余的H2O的量为：1184.113-202.9908+2×9.776=1000.6742M3(标)=44.6729kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积：V总（湿）=135.3272+487.3908+1833.8478+668.34+11.258+1000.6742=4136.838M3(标)=184.68kmol故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中H2O的含量H2O％=838.41366742.1000=24.19%故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的含量CO2％=1554.01%54.15=11.78％同理可得：CO％=0413.010413.0=3.27％H2％=5847.015847.0=44.33％N2％=2131.012113.0=16.16％CH4％=0003510035.0=0.27％所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）：组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.331833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.685.2对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行估算：已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）组分CO2COH2N2CH4H2O合计含量％11.783.2744.3316.160.2724.19100M3(标)487.39135.321833.84668.3411.261000.674136.92koml21.766.0481.8729.830.5044.67184.68根据：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）计算得K=6.6查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》知当Kp=6.6时t=445℃设平均温距为35℃，则出中变炉一段催化床层的变换气温度为：445℃-35℃=415℃5.3．中变炉一段催化床层的热量衡算以知条件：进中变炉一段催化床层的变换气温度：330℃出中变炉一段催化床层的变换气温度为：415℃可知反应放热Q：在变化气中含有CO，H2O，O2，H2这4种物质会发生以下2种反应：CO+H2O=CO2+H2（1）O2+2H2=2H2O（2）这2个反应都是放热反应。根据《小合成氨厂工艺技术与设计手册》