合成氨中变炉及废热锅炉设计.docx

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合成氨中变炉及废热锅炉设计

辽宁科技学院

（2015届）

本科毕业设计

题目：

合成氨中变炉及废热锅炉设计

专题：

主换热器的计算

专业：

应用化学

班级：

应化BG112

姓名：

李双

学号：

6414111210

指导教师：

吕萍

设计共64页，其中：

专题2页，译文10页

摘要

本文是关于以天然气为原料年产量5万吨合成氨中废热锅炉和变炉的初步设计。

对于合成氨生产，一氧化碳变换反应是极其重要的一步反应。

一氧化碳不能作为合成氨反应原料，而且在特定条件下可以与合成氨的铁系催化剂发生反应，导致催化剂失去活性，必须经变换反应除掉。

变换反应是将没有用的一氧化碳转化为非常有用的氢，并得到副产物二氧化碳可以作为化工产品的原料。

本次设计的主要有工艺路线的确定；中温变换炉、低温变换炉、关于废热锅炉的物料衡算及其能量衡算；催化剂用量的有关计算；中温变换炉工艺的计算和相关设备选型；换热器的物料衡算及能量衡算和设备选型等。

通过以上内容的设计及计算，完成对合成氨设备变换工段的起始设计并绘制其工艺流程图。

本设计主要的任务是关于年产量5万吨合成氨的变换工段设备的设计,要求出中变炉的变换气的干组分中CO%小于2%，其结果：

变换炉催化剂的使用量为12.66M3，催化剂的堆重量为12403.6Nm3/h，空速为979.7Nm3干气/（h*m3触媒），及确定固定管板式换热器，公称的直径为：

600mm，公称的面积为：

120m2，管子的总数为：

254，管长为：

6m，管程数为：

2，壳的程数为：

1，管子为：

Φ25×2.5管子的适宜排列方式：

三角形。

关键词：

能量衡算；中温变换炉；一氧化碳变换；物料衡算

Abstract

Thispaperisthepreliminarydesignofthenaturalgasastherawmaterialintothefurnaceandwasteheatboilerwithanannualoutputof50000tonsofsyntheticammonia.Intheproductionofsyntheticammonia,carbonmonoxideconversionreactionisanimportantreaction.Carbonmonoxidecannotbecometheammoniasynthesisreactionofrawmaterials;andtheironcatalystandundercertainconditionsandtheammoniasynthesisreaction,leadtothedeactivationofthecatalyst,mustbethroughthetransformationreactiontoremove.Shiftreactionwillbeuselessforcarbonmonoxideintousefulhydrogen,andcarbondioxideasaby-productofotherchemicalproductsasrawmaterials.

Thedesignmainlyincludestheprocessroute;Materialbalancetransformfurnace,lowtemperaturewasteheatboilerfurnace,changeinthebalanceandenergybalance;Calculationoftheamountofcatalyst;Mediumtemperaturetransformationfurnaceprocesscalculationandequipmentselection;theheatexchangerofthematerialbalanceandenergybalance,equipmentselection.Bydesigningandcalculatingtheabovecontent,thecompletionofthepreliminarydesignofsmallsyntheticammoniaequipmenttransformationprocessanddrawingprocessflowdiagram.

Thedesigntaskistodesignanannualoutputof50000tonsofsyntheticammoniaconversionsectionoftheequipment,RequiredtochangegasfurnaceinthedrycomponentofCO%islessthan2%.Results:

transformationfurnace12.66M3ofcatalyst,catalystbulkweightis12403.6Nm3/h,spacevelocityof979.7Nm3drygas/（h*m3catalyst）,Thechoiceoffixedtubeplateheatexchanger,nominaldiameter:

600mm,nominalarea:

120m2,thetotal:

254,length:

6m,tubenumber:

2,shellnumber:

1,pipe:

Φ25×2.5tubearrangement:

triangle.

Keyword:

carbonmonoxideconversion;Mediumtemperaturetransformationfurnace;materialbalance;energybalance.

致谢...............................................................47

附录...............................................................54

外文文献...........................................................55

1.绪论

氨是非常重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的第一位;并且也是能源消耗的主要对象,世界上大概有10%的能源被用于生产合成氨。

氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的基础反应,也是传统煤化工的重要组成部分之一。

氨本身是重要的氮肥,其余氮肥也大多是首先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐的肥料,这部分大概占据70%的比例,其被称为化肥氨;同时氨也是重要的无机化学及有机化学工业的主要基础原料,用于生产铵、炸药、染料、合成树脂、合成纤维、制药的原料,这部分大概占30%的比例,因此称之为工业氨。

受能源结构的影响，我国合成氨生产的原料主要是煤，天然气为辅助原料。

煤气化技术成为我国合成氨发展的主要影响因素。

煤气炉的技术的更新，近几年来又有新的进步，为提高煤气炉的气化能力和降低煤的消耗起了主要作用。

据调查，化工行业的余热资源为整个行业燃料使用量的15%。

余热回收可以带来能源上的经济效益，还可以降低环境污染。

在氨的合成中，首先必须制备符合的氢、氮原料气。

氢气通常用含有烃类的燃料，即通过无烟煤、焦炭、重油、天然气等为原料与水蒸气反应进行的方法来制取得到；氮气可通过空气液化分离而得到，还可以使空气通过燃烧方法，将生成的CO,CO2除去而制备得到。

在合成氨的生产过程中，包括三个步骤如下：

（1）造气：

制备氢、氮的原料气体。

（2）净化：

通过适宜的方法除去对合成氨有害的各种杂质，将气体原料净化。

（3）合成和压缩：

将符合的氮、氢混合气压缩到高压状态下，在铁作为催化剂的情况下合成氨。

用不同燃料、方法制得的原料气，均含有一些量的一氧化碳，一般通过固体燃料制得的水煤气中含有35%-37%的CO，而半水煤气中含有25%-34%的CO，天然气的蒸汽转化获取的转化气中含CO少，一般为12%-14%，一氧化碳不是合成氨生产所需要的原料，同时在一定条件下还会与合成氨的铁系催化剂进行反应，使催化剂失活。

因此，使用原料气之前，必须将一氧化碳除掉。

一氧化碳改变是去掉CO的合理方法。

一氧化碳变换是在某个压力和温度下，使半水煤气中CO在催化剂的作用下，与水蒸气反应生成H2、CO2达到去除大多数CO，生成H2。

一氧化碳变换使原料气得到净化，也是原料气制造的开始。

可用在CO比较多的原料气当中。

该方式可以脱除较多CO。

再经中温变换，残余的CO可降低到大约3%，且中温变换的催化剂操作温度较宽，价格低，寿命长。

因此本设计采用中温变换来脱除CO。

本设计为年产5万吨合成氨变换工段的初步设计，采用中串低工艺流程，使原料气中CO含量降至2%左右，一氧化碳变换是一个可逆放热反应，因此温升对反应不利，在催化剂活性范围内提高温度可加快反应速度，在同一气体组成和气液比的条件下选择适宜的温度有利于一氧化碳平衡变换率的提高，以达到最佳反应效果及最合理的催化剂用量。

催化剂活性温度越低，在相同条件下，CO平衡变换率越高，即变换气中含CO越低，从而可节省蒸汽用量。

此设计分别对中温变换工艺过程选择、论证、变换原理以及相关物料、能量衡算，设备的计算、选型作了比较详细的阐述，以实际工艺生产为指导，以理论计算为依据，将理论与实际相结合起来。

2.物料与热量衡算

已知条件：

表2-1:

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

计算生产一吨氨需要变换气的量：

（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31M3（标）

因为在生产过程中物料可能有损失，因此变换气量取3000M3（标）

年产5万吨合成氨生产能力（一年连续生产330天）：

日生产量：

50000/330=151.5T/d=6.31T/h

要求出中变炉的变换气干组分中CO%小于2%

进中变炉变换气干组分：

表2-2:

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

M3（标）

288

342.6

1671.3

676.8

9.9

11.4

3000

kmol

12.86

15.29

74.61

30.21

0.44

0.51

133.92

假设进中变炉的变换气温度为330℃，取变换气出炉与进炉的温差为35℃，出炉的变换气温度为365℃。

进中变炉干气压力为P中=1.75Mpa.

2.1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=3.5×342.6=1199.1M3（标），n（水）=54.50kmol

因此进入变换炉的变换气湿组分：

表2-3:

组分

CO2

CO

H2

N2

O2

CH4

H2O

合计

含量%

6.83

8.11

39.60

16.03

0.23

0.27

28.92

100

M3（标）

288

342.6

1671.3

676.8

9.9

11.4

1199.1

4199.1

kmol

12.86

15.29

74.61

30.21

0.44

0.51

54.54

188.42

2.2中变炉CO的实际变换率的求取

假定湿转化气为100mol，其中CO的湿基含量为8.11%，要求变换气中的CO含量为2%，故根据变换反应：

CO+H2O=CO2+H2，

则CO的实际变换率公式为：

（2-1）

式中Ya、Y`a分别为原料气及变换气中CO的摩尔分率（湿基）

所以：

XP=[（8.11—2）×100]/[（100+2）×8.11]=73.86%

则反应掉的CO的量为：

8.11×73.86%=5.99

则反应后各组分的量分别为：

H2O%=28.92%-5.99%+0.46%=23.41%

CO%=8.11%-5.99%=2.12%

H2%=39.6%+5.99%-0.46%=45.11%

CO2%=6.83%+5.99%=12.82%

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。

2.3中变炉催化平衡曲线

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

①

V=KPAB-CD②

③

U=KP（A+B）+（C+D）④

W=KP-1⑤

其中A、B、C、D分别代表CO、H2O、CO2及H2的起始浓度（湿组分）

计算结果于下表：

表2-4:

t

300

320

340

360

380

400

420

T

573

593

613

633

653

673

693

XP%

0.9173

0.8762

0.8454

0.8112

0.7734

0.7335

0.6910

中变炉催化剂平衡曲线如下：

图2-1

2.4最佳温度曲线计算

由于中变炉采用C6型催化剂，

最适宜温度曲线由式：

进行计算

查《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。

在中变炉催化剂平衡曲线上查的Te值，根据最适温度计算公式可算出最适温度，结果见下表：

表2-5:

Xp

0.9173

0.8762

0.8454

0.8112

0.7734

0.7335

0.6910

Te

573

593

613

633

653

673

693

T

427.7

438.7

449.6

460.3

470.7

481.0

491.2

t

154.7

165.7

176.6

187.3

197.7

208.0

218.2

将以上数据作图即得最适宜温度曲线如下图：

图2-2

2.5中变炉一段催化床层物料衡算

已知条件：

进一段炉一段催化床层变换气的温度为：

330℃

进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：

表2-6:

组分

CO2

CO

H2

N2

O2

CH4

H2O

合计

含量%

6.83

8.11

39.60

16.03

0.23

0.27

28.92

100

M3（标）

288

342.6

1671.3

676.8

9.9

11.4

1199.1

4199.1

kmol

12.86

15.29

74.61

30.21

0.44

0.51

54.54

188.42

假设CO在一段催化床层的实际变换率为60%

假使O2和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%×342.6=205.56M3（标）=9.18kmol

出一段催化床层的CO量为：

342.6-205.56=137.04M3（标）=6.12kmol

故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为：

1671.3+205.56-2×9.9=1857.06M3（标）=82.9kmol

在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：

288+205.56=493.56M3（标）=22.03kmol

故出中变炉一段催化床层的变换气干组分体积：

V总=137.04+493.56+1857.06+676.8+11.4=3175.86M3（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%=137.04/3175.86=4.30%

同理得：

CO2%=493.56/3175.86=15.54%

H2%=1857.06/3175.86=58.47%

N2%=676.8/3175.86=21.31%

CH4%=11.4/3175.86=0.36%

所以出中变炉一段催化床层的变换气干组分：

表2-7:

组分

CO2

CO

H2

N2

CH4

合计

含量%

15.54

4.30

58.47

21.31

0.36

100

M3（标）

493.56

137.04

1857.06

676.8

11.4

3175.86

kmol

22.03

6.12

82.90

30.21

0.51

141.77

剩余的M3（标）：

1199.1-205.56+2×9.9=1013.34M3（标）=45.24kmol

故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的体积：

V总（湿）=137.04+493.56+1857.06+676.8+11.4+1013.34=4189.2M3（标）=187.02kmol

故出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中H2O的含量：

H2O%=1013.34/4189.2=24.19%

出中变炉一段催化床层的变换气湿组分中CO2的量为：

CO2%=493.56/4189.2=11.78%

同理得：

CO%=137.04/4189.2=3.27%

H2%=1857.06/4189.2=44.33%

N2%=676.8/4189.2=16.16%

CH4%=11.4/4189.2=0.27%

所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（%）

表2-8:

组分

CO2

CO

H2

N2

CH4

H2O

合计

含量%

11.78

3.27

44.33

16.16

0.27

24.19

100

M3（标）

493.56

137.04

1857.06

676.8

11.4

1013.34

4189.2

kmol

22.03

6.12

82.90

30.21

0.51

45.24

187.02

2.6对出中变炉一段催化床层的变换气温度进行估算

已知出中变炉一段催化床层的变换气的湿组分的含量如上表

根据Kp=（H2%+CO2%）/（H2O%+CO%）计算得Kp=6.6

查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》得知：

当Kp=6.6时，t=460℃

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：

460℃-35℃=425℃

2.7中变炉一段催化床层的热量衡算

已知条件：

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：

425℃

可知反应热Q：

在变换气中含有CO,H2O,O2,H2这4种物质会发生以下两种反应：

CO+H2O=CO2+H2

O2+2H2=2H2O

这两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》可知为简化计算，拟采用统一基准焓计算。

以P=1atm，t=25℃为基准的气体的统一基准焓计算式为：

HT=Δ

=Cpdt

式中：

HT—气体在

在TK的统一基准焓，kcal/kmol（4.1868kJ/kmol）

Δ

—该气体在25℃下的标准生成热，kcal/kmol（4.1868kJ/kmol）

T—绝对温度K

Cp—气体的等压比热容，kcal/（kmol.℃）[4.1868kJ/（kmol.℃）]

气体等压比热容与温度的关系有以下经验式：

Cp=A0+A1×T+A2×T2+A3×T3+......（2-2）

式中A0、A1、A2、A3······气体的特性常数

带入积分可得统一基准焓的计算通式：

Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4（2-3）

式中常数a0、a1、a2、a3、a4与气体特性常数及标准生成热的关系为：

a1=A0，a1=A1/2,a3=A3/4,a4=A3/4

a0=Δ

-298.15a1-298.152a2-298.153a3-298.154a4（2-4）

采用气体的统一基准焓进行热量平衡计算，不比考虑系统中反应如何进行，步骤有多少，只要计算出过程始态和末态焓差，即得出该过程的总热效果。

ΔH=（∑ni×Hi）始-（∑ni×Hi）末

式中：

ΔH—过程热效应，为正数时是放热，为负数时系统为吸热，kcal，（4.1868kJ）

ni—始态或末态气体的千摩尔数，kmol

Ni—始态温度下或末态温度下气体的统一基准焓，kcal/kmol，（4.1868kJ/kmol）

现将有关气体的计算常数列于气体统一基准焓（通式）常数表：

表2-9:

分子式

a0

a1

a2

a3

a4

O2

1.90318×103

5.80298

2.15675×10-3

-7.40499×10-7

1.08808×10-10

H2

-2.11244×103

7.20974

-5.55838×10-4

4.8459×10-7

-8.18957×10-11

H2O

-6.0036×104

7.11092

1.29319×10-3

1.28506×10-7

-5.78039×10-11

N2

-1.97673×103

6.45903

5.18164×10-4

2.03296×10-7

-7.65632×10-11

CO

-2.83637×104

6.26627

8.98694×10-4

5.04519×10-9

-4.14272×10-11

CO2

-96377.88867

6.39600

5.05×10-3

-1.135×10-6

0.00

计算O2的基准焓：

根据基准焓计算通式：

Ht=a0+a1×T+a2×T2+a3×T3+a4×T4

在425℃时T=698K

将O2的常数带入上式得：

Ht=1.90318×103+5.80298×698+2.15675×10-3×6982-7.40499×10-7×6983+1.08808×10-10×6984=1903.18+4050.48+1050.78-251.82+25.83=6778.45kcal/kmol=28380.01kJ/kmol

同理根据以上方法计算可得变换气的各个组分的基准焓列于下表：

表2-10:

组分

O2

H2

H2O

CO

CO2

Ht（kcal/kmol）

6778.45

2794.74

-54412.55

-