年产8万吨小合成氨厂中温变换工段工艺设计

-1-2008届化学与材料工程系《化工工艺设计任务书》课题名称年产8万吨小合成氨厂中温变换工段工艺设计类型化工工艺设计导师职称课题来源课题内容变换工段在合成氨生产起的作用既是气体净化工序，又是原料气的再制造工序，经过变换工段后的气体中的CO含量大幅度下降，符合进入甲烷化或者铜洗工段气质要求。要求：1.绘制带控制点的工艺流程图2.系统物料、能量合算3.系统主要设备能力及触媒装填量核算4.该工段设备多，工艺计算复杂，分变换炉能力及触媒装填量核算、系统热量核算和系统水循环设备及能力核算课题进度按化工设计要求进度进行基本条件要求1.入工序气体流量：33000Nm3/h（干基）压力：2.0Mpa温度：40℃2.入口气体组分：CO%=32.5%CO2%=6.5%H2%=41.5%N2%=18%CH4%=1.0%O2%=0.5%(体积比)3.出口气体组分：CO%=4%（体积比）-2-变换工艺设计说明书设计题目年产8万吨小合成氨厂中温变换工段工艺设计课题来源年产8万吨小型合成氨厂变换工段变换工段化学工艺设计标准变换工段在合成氨生产起的作用既是气体净化工序，又是原料气的再制造工序，经过变换工段后的气体中的CO含量大幅度下降，符合进入甲烷化或者铜洗工段气质要求。要求：1.绘制带控制点的工艺流程图2.系统物料、能量衡算3.系统主要设备能力及触媒装填量核算4.该工段设备多，工艺计算复杂，分变换炉能力及触媒装填量核算、系统热量核算和系统水循环设备及能力核算。变换工段化学工艺设计主要技术资料1.变换技术方案CO2变换反应是放热反应，从化学平衡来看，降低反应温度，增加水蒸汽用量，有利于上述可逆反应向生成CO2和H2的方向移动，提高平衡变换率。但是水蒸气增加到一定值后，变换率增加幅度会变小。温度对变换反应的速度影响较大，而且对正逆反应速度的影响不一样。温度升高，放热反应即上述反应速度增加得慢，逆反应（吸热反应）速度增加得快。因此，当变化反应开始时，反应物浓度大，提高温度，可加快变换反应，在反应的后一阶段，二氧化碳和氢的浓度增加，逆反应速度加快，因此，需降低反应温度，使逆反应速度减慢，这样可得到较高的变化率。但降温必须与反应速度和催化剂的性能一并考虑，反应温度必须在催化剂的使用范围内选择。在本设计中我们选择三段中温变化工艺流程。2.工艺流程含32.5%CO、温度为40℃的半水煤气，加压到2.0Mpa，经热水洗涤塔除去气体中的油污、杂质，进入饱和塔下部与上部喷淋下来的120～140℃的热水逆流接触，气体被加热而又同时增湿。然后在混合器中与一定比例的300～350℃过热蒸汽混合，25%～30%的气体不经热交换器，作为冷激气体。其他则经热交换器进一步预热到320℃进入变换炉。进第一段催化反应后温度升高到460～500℃，冷激后依次通过二、三段，气体离开变换炉的温度为400～410℃，CO变换率达90%，残余CO含量为3%左右。变换气经热交换器加热原料气，再经第一热水加热器加热热水，然后进入热水塔进一步冷却、减湿，温度降到100～110℃。为了进一步回收余热，气体-3-进入第二热水加热器（即锅炉给水预热器），温度降到70～80℃，最后经冷凝塔冷却到常温返回压缩机加压。变换工段化学工艺设计原则1.年产8万吨合成氨2.如工序气体流量：33000Nm3/h，（干基）压力：2.0MPa，温度：40℃3.入口气体成分：CO%=32.5%，CO2%=6.5%，H2%=41.5%，N2%=18%，CH4%=1.0%，O2%=0.5%（体积比）4.出口气体成分：CO%=4.0%（体积比）教研室意见该设计符合化工工艺设计要求，同意接受此设计！-4-第1章引言1.1氨在国民经济中的地位与作用合成氨工业使基础化学工业之一。其产量居各种化工产品的首位。氨本身是重要的氮素肥料，除石灰石氮外，其它氮素肥料都是先合成氨，然后再加工成各种铵盐或尿素。将氨氧化制成硝酸，不仅可用来制造肥料，亦是重要的化工原料，可制成各种炸药。氨、尿素和硝酸又是氨基树脂、聚酰胺树脂、硝化纤维素等高分子化合物的原料。以其为原料可制得塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。作为生产氨的原料CO+H2合成气，可进行综合利用，以联产甲醇及羰基合成甲酸、醋酸、醋酐等一系列化工产品。以做到物尽其用，减少排放对环境的污染，提高企业生产的经济效益。已成为当今合成氨工业技术发展的方向。国际上对合成氨的需求，随着人口的增长而对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。据资料统计：1997年世界合成氨年产量达103.9Mt。预计2010年产量达180.8Mt。其化肥用氮分别占氮产量的81.7%和82.6%。我国2007年合成氨产量已达35Mt，专家预测2020年将增至45Mt。即今后10年间将增加到现在的1.3倍。因而合成氨的持续健康发展还有相当长的炉要走。未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过是由和钢铁。合成氨工业在国民经济中举足轻重。1.2合成氨生产的新进展世界需求氮肥（折氮量）2003年1112×108t增加到2007年1250×108。2005年前，全世界有约65×106t/a合成氨能力投产。沙特阿拉伯化肥公司兴建的世界最大单系列合成氨已于2005年投产，该装置能力为3000t/d（约1×106t/a）。我国氮肥工业经过多年的技术进步和技术改造，现已成为全球最大的氮肥生产国和尿素生产国。从召开的全国化工行业循环经济现场交流会上获悉，我国2005年共生产合成氨4629.85万吨，生产氮肥3200.7万吨(折纯氮)，其中尿素4147.13万吨(实物量)，已成为全球最大的氮肥生产国和最大的尿素生产国，并实现了氮肥的自给。我国现有氮肥生产企业564家，不仅数量多，分布也比较广。近年来，在中央和各级地方政府的关心和支持下，我国氮肥行业认真落实国家资源节约、综合利用和环境保护的方针政策，积极推进清洁生产和循环经济，大幅度减少污染物的排放，为行业的发展打下了一定基础。一些先进企业现在生产每吨合成氨的排水量，已从过去的50至60吨降到3至5吨，吨氨电耗降幅也达60千瓦时左右。据中国石油和化学工业协会化工防治污染技术协会介绍，我国氮肥工业生产技术水平与市场竞争力虽然有了很大提高，但是氮肥工业仍然是我国耗能和用水大户，全行业年耗天然气高达110-5-亿立方米，占全国总消费量的22%，耗标准煤5450.8万吨，占全国耗煤总量的3.6%，耗电585.5亿度，占全国耗电总量的2.4%，耗水27亿吨，平均吨氨耗水达58吨，因此在降耗节能和发展循环经济上，仍有巨大潜力可挖。为了使我国氮肥工业从生产大国继续向生产强国迈进，中国氮肥工业协会等有关部门目前正在加大废水、废气、废渣回用以及一些先进节能技术等在这一行业的推广。正在推广的这些技术中，仅“吨氨节电200度技术”，有关专家预计我国以煤为原料，年产合成氨8万吨以上的企业即使只有半数得到推广，年节电量也将达到19.6亿度。国外合成氨情况与国内有很大不同，从原料上看，目前主要产氮国中，美、英、法、荷兰等国几乎全部采用天然气，德国和日本液态烃占相当比重；上世纪80年代的资料显示，国外合成氨原料中，煤的比重已下降到2%以下；但近年来，由于天然气价格上涨，煤制氨比例有所上升。当今世界新技术革命深入发展，科学技术日新月异，科技更新进一步加快，经济发展从主要依靠物质资源逐渐向主要依靠科学技术迅速转化为生产力的时代过渡。我国百万合成氨工业科技工作者及生产大军，应对占世界人口近1/4的中国，应用科学技术更好地发挥土地、资源、环境条件的作用，为人类丰衣足食、绿化环境的美好生活，在合成氨工业生产科学创造出辉煌业绩，以载入人类史册。1.3变换工艺概述1.3.1简述在合成氨生产中，制取氢气，在生产中占有很大比重，因此要尽一切可能设法获得最多氢气。同时CO对氨合成催化剂有严重毒害，也必须除去。最好的办法使提高CO变换率。近几十年来，各国学者都做了不少工作，对催化剂不断改善，到目前为止，可使变换后气体中CO含量降到0.2%～0.4%。通过变换工序将CO变为H2使产品成本降低，工厂经济效益提高。由于制取合成氨原料气所用的原料不同，所选择的工艺也不一样，所以原料气中CO含量也不同。CO变换，视其原料和所采取的生产方法不同，也有不同的工艺流程。上世纪50年代以前，在常压下制取合成氨原料气，其变换大多是在常压下进行。此后，特别是上世界60年代以后，合成氨原料改用天然气、油田气、石油加工气和轻油等，生产方法大多采用加压的蒸汽转化法，变换则在加压下进行，一般在4.0Mpa以下。以煤、焦为原料的常压造气工厂，很多也改用加压变换，以降低能耗，用粉煤加压气化做原料气，其变换压力一般在5.5Mpa以下，以油渣为原料最高压力已达8.5Mpa。CO变换流程，对与固定层煤气化装置配套时，所用设备较多。与部分氧化法急冷流程相配套时，流程较简单，只需要在流程中设置变换炉和换热设备即可。-6-将半水煤气经过增湿加热，在一定的温度和压力下变换炉内，借助催化剂的催化作用，使半水煤气中的一氧化碳（28%）与水蒸气进行化学反应，转变为二氧化碳。和氢气制得合格的变换气（CO0.3%），以满足后工段的工艺要求。一氧化碳与水蒸气在催化剂上变换生成氢和二氧化碳的过程为一氧化碳的变换，这一过程很早就用于合成氨工业，在合成氨生产中，由于制取气的生产成本中占加大的比重。因此，要尽一切可能设法获得更多的氢气，煤气中的一氧化碳对于合成氨催化剂有严重的毒害，必须设法除去。利用一氧化碳与水蒸气作用生成氢和二氧化碳的反应，可以增加合成氨原料煤气中氢气的含量；根据不同的催化剂和工艺条件。煤气中的一氧化碳含量可以降低为0.2%～0.4%，由于二氧化碳的除去较一氧化碳要容易的多，这样就简化了煤气的精制过程。同时，经过回收后可以作为生产尿素、纯碱等的原料，因此，一氧化碳变换反应在合成氨工业中具有重要的意义。从小氮肥生产的发展趋势来看，发展方向是回收能量，另一方面是研究新型催化剂。此次设计的目的有二：一是必须达到所要求的变换率，即出口一氧化碳的百分含量为4%；另一方面是极可能地回收热量。变换率的实现是通过中温变换实现的，能量回收是利用第二热水塔，饱和热水塔等设备回收能量。1.3.2原理一氧化碳变换的反应式为222CO+HCO+H+41kJkmol催化剂一氧化碳变换为可逆反应，因此应尽可能使反应向有利于生成氢和二氧化碳的方向进行，而残余的一氧化碳则在以后的工序中用铜氨液洗涤去等除去。变换反应是放热反应，升高温度可促使反应平衡向左方移动，降温则向右移。因此，反应温度愈低，愈有利于变换反应，但降温必须与反应速度和催化剂的性能一并考虑，反应温度必须在催化剂的使用温度范围内选择。变换反应使等分子反应，因此从反应平衡看，提高变换压力，对反应平衡没有影响。但加压对析碳等副反应却是有利的。从反应动力学来看，提高变换压力使得分子间的有效碰撞次数增加，可以加快变换反应速度，提高催化剂的生产能力。当变换反应达到平衡时一氧化碳的变换率叫做平衡变换率，蒸汽比对平衡变换率的影响：随着蒸汽比的提高，平衡变换率增加，但增加的趋势是先快而慢，当蒸汽比提高到某一段数值后，平衡变换率的升高就很慢了，因此在蒸汽比过低的情况下，提高蒸汽比对提高平衡变换率和反应速度有利，但过高的蒸汽比则在经济上是不合理的。由固体原料间歇制气制得的半水煤气中含有CO（在本设计中体积比为34.5%），-7-CO并不是合成氨生产的原料气反而会使合成氨触媒中毒。因此，在合成前必须将它除掉。工业生产上采用在触媒作用下，用水蒸气与CO作用，大部分CO转化为CO2，同时获得合成氨所必须的氢气。由反应式知：①反应前后体积不变：从化学平衡角度来看，提高压力不能使化学反应向右移动，但可以促进分子间的有效碰撞，加快反应速度，提高催化剂生产能力。②反应为一放热反应：降温时反应向右移动，有利于CO变换，但触媒只有在一定温度下才具有较高的活性，所以，一般操作温度都是根据触媒活性温度的不同而不同。一般中变温度为300～500℃③此为一可逆反应：增加反应物浓度可促进正反应进行，故增加反