年产10万吨合成氨变换工段工艺设计毕业设计论文文档格式.docx
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一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
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评阅教师评阅书
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一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
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教学系意见：
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第1章绪论
1.1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CO2和氨合成所需要的H2。
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[1]。
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。
1.2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。
合成氨变换工段是指CO与水蒸气反应生成CO2和H2的过程。
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%[2]。
合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。
变换反应如下：
。
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CO2和H2；
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[1]。
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。
1．3合成氨工业概况
1.3.1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5000万吨/年左右[3],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。
1.3.2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,进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发[4]。
大型化、集成化、自动化,形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向[5]。
单系列合成氨装置生产能力将从2000t/d提高至4000~5000t/d。
以天然气为原料制氨吨氨能耗已经接近了理论水平,今后难以有较大幅度的降低,但以油、煤为原料制氨,降低能耗还可以有所作为。
在合成氨装置大型化的技术开发过程中,其焦点主要集中在关键性的工序和设备,即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机[6]；
在低能耗合成氨装置的技术开发过程中,其主要工艺技术将会进一步发展；
实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。
生产过程中不生成或很少生成副产物、废物,实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善；
提高生产运转的可靠性,延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。
有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术,包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。
1.3.3应用领域
氨在国民经济中占有重要的地位，现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。
除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氨肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氨混肥和复肥，都是以氨为原料的[2]。
氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维和塑料。
从氨可以制的硝酸，继而再制造硝酸铵、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纤维素等。
在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿酸作为氮源，生产已内酰胺，己二胺、人造丝、全脂树脂和脲醛树脂等产品[7]。
氨的其他工业用途也十分广泛，例如作为制冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面生产磺胺类生物、维生素、蛋氨酸和其他氨基酸等。
1.4变换工艺介绍
1.4.1中温变换工艺
中温变换工艺早期均采用常压，经节能改造，现在大都采用加压变换。
加压中温变换工艺主要特点是：
采用低温高活性的中变催化剂，降低了工艺上对过量蒸汽的要求；
采用段间冷激降温，减少了系统的热负荷和阻力，减小外供蒸汽量；
合成与变换，铜洗构成第二换热网络，合理利用热能。
其中有两种模式，一是“水流程”模式，二是“汽流程”模式。
前者指在合成塔后设置水加热器以热水形式向变换系统补充热能，并通过变换工段设置的两个饱和热水塔使自产蒸汽达到变换反应所需的汽气比。
后者在合成塔设后置式锅炉或中置式锅炉产生蒸汽供变换用，变换工段则设置第二热水塔回收系统余热供精炼铜液再生用；
采用电炉升温，革新了变换工段燃烧炉升温方法，使之达到操作简单、平稳、省时、节能效果。
1.4.2中串低变换工艺
所谓中温变换串低温变换流程，就是在B107等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-Mo系宽温变换催化剂[1]。
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较大幅度的降低；
根据催化剂低温性能，低变炉入口温度可控制在180～230℃。
这样，由于催化剂终态温度降低，可以减少蒸汽添加量，达到节能的效果。
另外，由于变换效率的提高，合成氨产量可以相对增加。
与中变流程相比,中串低工艺蒸汽消耗下降,饱和塔负荷减轻。
1.4.3中低低变换工艺
中低低流程是在一段铁铬系中温变换催化剂后直接串二段钴钼系耐硫变换催化剂，利用中温变换的高温来提高反应速率，脱除有毒杂质，利用两段低温变换提高变换率，实现节能降耗。
这样充分发挥了中变催化剂和低变催化剂的特点，实现了最佳组合，达到了能耗低、阻力小、操作方便的理想效果。
该流程与中变串低变相比，关键是增加了第一低变，填补了280～250℃这一中变串低变所没有的反应温区，充分利用了低变催化剂在这一温区的高活性。
比全低变工艺操作稳定在于中低低工艺以铁铬系中变催化剂为净化剂，过滤煤气中氧和油污，起到了保护钴钼系耐硫催化剂的作用。
1.4.4全低变工艺
全低变工艺是全部采用低温活性钴钼系变换催化剂进行一氧化碳变换的工艺过程，作为一种节能新工艺,节能降耗的效果显著。
低变炉各段进口温度均在200℃左右，床层温度比传统的床层温度下降100～300℃，有利于变换反应平衡。
汽气比降低，蒸汽消耗大幅下降，在几种变换流程中蒸汽消耗最低。
热回收率高，有效能损失小，热交换设备换热面积可减少1/2左右。
与原高变催化剂比较，催化剂用量可以减少一半以上，降低了变换炉床层阻力，降低了压缩功耗。
余热回收效果好。
催化剂段间换热等用水加热器逐级回收、逐级加热饱和热水塔循环热水，出饱和塔半水煤气的温度及饱和度高，出热水塔变换气温度可降到100℃以下。
1.5变换工艺的选择
1.5.1工艺原理
一氧化碳变换反应式为：
（1）
（2）
其中反应
（1）是主反应，反应
（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应
（1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生[8]。
一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。
变换过程中还包括下列反应式：
（3）
1.5.2工艺条件
（1）压力
压力对变换反应的平衡几乎没有影响，但是提高压力使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。
单就平衡而言，加压并无好处，但从动力学角度，加压可提高反应速率。
从能量消耗上看，加压也是有利。
由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。
具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定。
一般小型氨厂操作压力为0.7～1.2MPa,中型氨厂为1.2～1.8Mpa。
本设计压力取1.75Mpa。
（2）温度
变化反应是可逆放热反应。
从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即CO平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的。
因而存在着最佳反应温。
对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为[9]：
注：
式中Tm、Te—分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。
（3）汽气比
水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料气。
改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。
增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡变换率，从而有利于降低CO残余含量，加速变换反应的进行。
由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分Fe3O4的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。
但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，将造成催化剂床层阻力增加；
CO停留时间缩短，余热回收设备附和加重等，所以，中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：
H2O/CO=3～5，经反应后，中变气中H2O/CO可达15以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求。
1.5.3工艺流程确定
一氧化碳变换工艺的流程安排应做如下考虑。
若一氧化碳体积分数较高，应采用中温变换，因为中变催化剂操作温度范围较宽，而且价廉，寿命长，大多数合成氨原料气中一氧化碳高于10%，故都可先通过中变除去大部分一氧化碳。
对一氧化碳体积分数高于15%者，一般可考虑适当分段，段间进行冷却降温，尽量靠近最适宜温度操作。
其次，根据原料气的温度和湿含量情况，则考虑适当预热和增湿，合理利用余热。
如允许变换气中残余CO体积分数在3%左右，只采用中变即可。
如要求在0.3%左右，则将中变和低变串联使用。
目前的变化工艺有：
中温变换，中串低，全低及中低低4种工艺。
本设计参考自贡市鸿鹄化工厂的生产工艺，选用中串低工艺。
从压缩工段来的半水煤气进入饱和热水塔，在饱和塔中半水煤气从30℃升温到109℃，在饱和塔出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。
再通过换热器将转换气的温度降到180℃左右，进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到0.3%以下，再进入脱碳工段。
工艺流程图如图1-1所示。
图1-1合成氨变换工段工艺流程图
1.5.4主要设备的选择说明
中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、饱和热水塔、换热器等[10]。
中变炉选用C6型催化剂，计算得中变催化剂实际用量38.25m3。
以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的CO浓度。
第2章物料与热量衡算
2.1已知生产条件
已知天然气进入变换工段时的组分如表2-1所示。
表2-1天然气进入变换工段时的各组分含量百分比
组分
CO2
CO
H2
N2
O2
CH4
合计
含量，％
9.60
11.42
55.71
22.56
0.33
0.38
100
计算基准：
1吨氨/小时。
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10万吨合成氨工厂日生产能力（一年连续生产330天）：
日生产量：
100000/330=303.03t/d=12.63t/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如表2-2所示。
表2-2进中变炉的变换气干气组分含量
9.6
11.42
55.71
22.56
0.33
m3（标）
284.44
338.32
1650.41
668.34
9.78
11.26
2962.50
kmol
12.696
15.103
73.679
29.837
0.436
0.503
132.25
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
=1.75mpa。
2.2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=1184.11m3（标），n（水）=52.862kmol。
因此进中变炉的变换气湿组分如2-3所示。
表2-3进中变炉的变换气湿气组分含量
H2O
含量％
6.86
8.16
39.80
16.12
0.24
0.27
28.56
284.42
1650.4
9.77
11.2
1184.1
4146.61
12.69
15.10
73.68
29.84
0.44
0.50
52.86
185.12
2.3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（4）
则CO的实际变换率公式为：
Xp％=
×
100（2-1）
式中
、
分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基）。
所以：
Xp=
=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℃[5]，中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。
2.4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》上的有关公式：
XP=
100％（2-2）
V=KPAB-CD（2-3）
q=
（2-4）
U=KP（A+B）+（C+D）（2-5）
W=KP-1（2-6）
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（2-4）。
表2-4不同温度下CO的转换率
t
300
320
340
360
380
400
420
440
460
T
573
593
613
633
653
673
693
713
733
Xp
0.91
0.87
0.84
0.81
0.77
0.71
0.69
0.64
0.60
中变炉催化剂平衡曲线如图2-1所示。
图2-1中变炉催化剂平衡曲线图
2.5最佳温度曲线的计算
中变炉选用C6型催化剂。
查资料得最适宜温度曲线由式：
进行
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