68t氨/d 合成氨厂CO变换工艺设计
摘要
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；原料气的净化与氨合成。
一氧化碳变换是指一氧化碳与水蒸气反应生产二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。在合成氨生产中，原料气中的一氧化碳都来源于含碳氢物质，如煤、天然气、油等。半水煤气则是以煤为原料制得的含有氢气和一氧化碳等多种气体的混合物。一氧化碳会使催化剂中毒，而合成氨工艺中所需的氢气则是一氧化碳和水反应制得。因此在氨合成过程中必须进行一氧化碳变换。这样不但去除了一氧化碳同时产生了合成氨的原料气氢气。
本次设计的主要任务是设计完成合成氨过程中净化车间一氧化碳多段变换的工艺流程。本次设计采用中变串低变的工艺流程，在本流程中使用宽变催化剂可使操作条件有较大变化。它使入炉煤气的蒸汽比有较大幅度的降低，而且使一氧化碳含量降低。正是由于选用宽温催化剂，使得反应条件得以大大改进。选用该流程的目的是为了让原料气净化程度高，流程简单，操作方便，稳定性好，催化剂使用时间长。
设计说明书包括三部分：工艺设计说明、变换工段的工艺计算及主要设备的工艺计算。另外，附有四张设计图纸：一张管道及仪表流程图，一张平面布置图，一张物料流程图及一张设备一览表。
关键词：半水煤气、CO变换、催化剂
The CO Transform Process Design
Of 68t ammonia/d Synthetic Ammonia plant
Abstract
Ammonia is an important chemical product, mainly for the production of chemical fertilizers. The production of synthetic ammonia has developed into a mature chemical production process through years of development. It is mainly divided into: the preparation of the raw gas; the purification of the raw gas and a the synthesis of mmonia.
The transformation of carbon monoxide refers to the production of carbon monoxide and hydrogen response with carbon dioxide and water. It plays a very important role in the synthetic ammonia process. In the production of synthetic ammonia the carbon monoxide is containing comes from hydrocarbon, such as coal, oil and gas, etc. Semi-water gas is made for the raw coal and a mixture of gases including hydrogen and carbon monoxide. Carbon monoxide will make catalyst poisoned in the process , but hydrogen is made for the reaction of water and carbon monoxide. Therefore in the ammonia synthetic process must have the transformation of carbon monoxide. In addition to this , it also products the hydrogen gas which is the materal gas of synthetic ammonia. The main task of the design is to complete the transformation of carbon monoxide which is a part of the purification workshop of ammonia synthetic process . This design use the process of low temperature combined middle temperature, and the use of the wide temperature shift catalyst can make a significant changes in the operating conditions. It makes the ratio of steam into the furnace gas reduced significantly, and reduce the level of carbon monoxide. The reaction conditions can be improved greatly because of the selection of the wide temperature catalyst. The choice of using the process is to let the raw gas have a high degree purification, have a simple process , easy to operate, stability is good, catalyst have a long use time.
The design specification includes three components: the design specifications of the process, the process calculation of the transform section and the process calculation of
main equipment. In addition, four design drawings is accompanied: a piping and instrumentation diagrams, a layout plan, a material flow chart and an equipment list. Keywords: Semi-water gas, CO shift, catalyst
目录
摘要 ........................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 前言 (1)
第一章一氧化碳变换的工艺说明 (2)
1.1设计依据 (2)
1.2原料动力学消耗定额和消耗量 (2)
1.3一氧化碳变换原理 (2)
1.4一氧化碳变换催化剂 (3)
1.4.1 铁-铬系一氧化碳中温变换催化剂 (3)
1.4.2 一氧化碳宽温耐硫变换催化剂 (4)
1.5工艺流程说明 (5)
1.6设备选型及布置 (8)
1.6.1设备选型的基本要求 (8)
1.6.2 设备布置说明 (8)
1.7三废治理说明 (9)
1.8本工段各种工艺操作指标 (10)
第二章一氧化碳变换工艺计算 (11)
2.1设计条件 (11)
2.2中温变换炉物料及热量计算 (12)
2.2.1干变换气量及变换率的计算 (12)
2.2.2 总蒸汽比（汽/气）的计算 (13)
2.2.3中变炉一段催化剂层物料及热量衡算 (14)
2.2.4 中变炉二段催化剂层物料及热量计算 (20)
2.3低温变换炉物料及热量计算 (24)
2.3.1 物料计算 (24)
2.3.2 热量衡算 (25)
2.3.3平衡曲线、最适宜温度曲线及操作线计算 (26)
2.4饱和热水塔出口温度的估算 (27)
2.4.1 水加热器出口变换气温度计算 (27)
2.4.2 热水塔出口排水温度 (27)
2.4.3饱和塔出口半水煤气温度 (28)
2.5中间换热器物料及热量计算 (28)
2.5.1蒸汽过热段 (28)
2.5.2 半水煤气换热器 (30)
2.6主热交换器物料及热量横算 (31)
2.6.1 已知条件 (31)
2.6.2 进设备半水煤气温度计算 (32)
2.6.3 出热交换器的变换气温度计算 (33)
2.7调温水加热器中变换气放出的热量计算 (34)
2.8水加热器中低变气放出热量计算 (35)
2.9饱和热水塔物料及热量计算 (36)
2.9.1饱和塔物料及热量计算 (36)
2.9.2热水塔物料及热量计算 (38)
2.9.3 进饱和塔水温核算 (41)
第三章典型设备计算 (41)
3.1中温变换炉计算 (42)
3.1.1已知条件 (42)
3.1.2催化剂用量计算 (43)
3.1.3催化剂床层直径的确定 (44)
3.2低温变换炉计算 (46)
3.2.1 已知条件 (46)
3.2.2 催化剂用量计算 (47)
3.2.3 催化剂床层直径的确定 (47)
3.3饱和热水塔计算 (48)
3.3.1 饱和塔计算 (48)
3.3.2 热水塔计算 (53)
参考文献 (59)
附录1 (60)
附录2 (61)
附录3 (62)
附录4 (63)
致谢 (64)
前言
合成氨是化学工业的重要组成部分，在国民经济中有相当重要的位置。氨是氮肥生产的主要原料，可生产尿素，硫酸铵，碳酸氢铵等。对农业生产有重要意义。氨也是化学工业的主要原料。硝酸、纯碱及各种含氨的无机盐以及制冷工业中的制冷剂，有机工业中间体，磺胺药物，聚纤维，氨基塑料，冷却剂等都需要氨、氨的衍生物及化合物。也用于国防工业中生产三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等各种硝化炸药；导弹、火箭的助推剂和氧化剂等。
以煤为原料生产的半水煤气中含有硫化物，经一氧化碳变换后，含有大量的二氧化碳和少量的一氧化碳，这些都会使氨合成催化剂中毒。因此，在氨合成之前必须进行原料气的净化。
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。所谓中变串低变流程，就是在B109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，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。
第一章 一氧化碳变换的工艺说明
1.1 设计依据
内蒙古科技大学化学与化工学院下达的毕业设计任务书。
1.2 原料动力学消耗定额和消耗量
表1.1 原料消耗定额和消耗量表 名称 规格 单位 消耗定额 消耗量 备注
半水煤气 CO 27% 3Nm 380033Nm /tNH 107653Nm /h 年工作日320天
表1.2 动力消耗定额及消耗量表 序号 名称 规格 使用情况 消耗量 备注
1 水 化学软水 中变冷激 171.3kg /t 3NH 年工作日320天
补充热水塔 675.85kg /t 3NH
2 蒸汽 饱和蒸汽 补加蒸汽 430.524kg /t 3NH
1.3 一氧化碳变换原理
采用固体、液体或气体为原料所制得的合成氨原料气中均含有一氧化碳，其体积分数为12%～40%。一氧化碳不是合成氨的直接原料，而且能使氨合成催化剂中毒，因此，在送往合成工序之前，必须将一氧化碳脱除。
一氧化碳变换反应式为：
222C O H O C O H Q +=++ 式1-1 22CO H C H O +=+ 式1-2
其中反应（1-1）是主反应，反应（1-2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对反应式（1-1）具有良好选择性的催化剂，进而抑制其它副反应的发生。
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：
222H O H O Q +=+ 式1-3
CO 的变换反应是一个可逆放热反应。从化学反应平衡角度来讲，提高压力对化学平衡没影响，但有利于提高反应速度。降低反应温度和增加反应物中水蒸气量均有利于反应向生成2CO 和2H 的方向进行。平衡常数随温度的升高而降低，因此，降低温度有
利于变换反应向右进行，在同一气体组成和汽气比的条件下，选择适宜的温度，使它既有利于CO 平衡变换率的提高，又能使反应速度加快，以达到最佳反应效果及最合理的催化剂用量。
同时，在变换反应过程中，提高反应气中水蒸汽的含量，也有利于提高CO 的变换率。汽气比对反应速率的影响，一般在汽气比较低时反应速率随汽气比的增加而上升较快，而后随着汽气比的不断上升逐渐缓慢下来。
1.4 一氧化碳变换催化剂
一氧化碳与水蒸气作用生成二氧化碳和氢气，是典型的气固相催化反应。为了提高一氧化碳反应的速度，防止或减少副反应，许多国家研究并生产了大量的变换催化剂。按照主要化学组分来区分这些催化剂，可分为铁-铬系、铜-锌系和钴-钼系催化剂。
1.4.1 铁-铬系一氧化碳中温变换催化剂
20世纪初开始用CO 变换反应制取氢时，所用催化剂的主要组分为铁和铬的氧化物，通常称为铁-铬系CO 变换催化剂，即中温变换催化剂。
中温变换催化剂的组分是以氧化铁为主，氧化铬为主要助剂的铁-铬系催化剂。为提高催化剂的性能，一些型号的催化剂中还添加了2K O 、CaO 、MgO 或23Al O 等助剂。中变催化剂中23Fe O 不具有催化活性，必须在有水蒸气存在的条件下用2H 或CO 还原成34Fe O 才具有较高的活性。其还原过程为：
232
3423F e O +H 2F e O +H O → 233423F e O +C O 2F e O +C O
→ 2．中变催化剂的操作条件
(1)温度 温度升高能加快反应速度，但平衡常数则变小，反之则相反。我国绝大多
数中变催化剂的操作温度范围均在300～500℃，超出此范围则CO 转化率及使用效果受到影响。因此，中变催化剂的操作温度通常应遵循如下原则：只要能稳定达到指标——最终出口变换气CO 低于或等于某一浓度，催化剂的操作温度（通常指进口温度或操作温度）应尽可能在较低温度下操作，不轻易提高。
(2)压力 CO 变换反应是等分子可逆反应，压力对其化学平衡没有影响。工业设计中，常压变换时中变催化剂的干气空速取300～500-1h 。而压力为1.0～2.0MPa 时，空速达800～1500-1h 。由此可见压力对催化剂的活性有显著影响，由于加压下反应速度加快，变换催化剂的用量少于同规模下常压变换的用量。随操作压力提高，中变催化剂空速相应增大。
(3)汽气比 汽气比是指入变换炉水蒸气与干气中CO 的体积比，但设计中常用水蒸 气与干气的体积比作为汽气比。根据工厂实际操作经验，最适宜汽气比以2H O/CO 计为3～5。
2．中变催化剂的优点
在350～450℃时具有较高的活性；机械强度较高，不宜粉碎；对2H S 的毒害不如铜-锌系催化剂那样敏感，即使中毒，也很易再生；耐热性能较好；对CO 分解和生成甲烷的副反应具阻抑作用；使用寿命一般可达3～4年。
1.4.2 一氧化碳宽温耐硫变换催化剂
钴-钼系宽温变换催化剂于20世纪70年代初问世，我国于1985年开始在合成氨厂使用此类催化剂。钴钼系宽温变换催化剂有两大类：钴-钼-钾系和钴-钼-镁系。其中钴-钼-钾系广泛使用于以煤或重油为原料，变换压力低于3.0MPa 的合成氨厂。
宽变催化剂同其他类型的化肥催化剂一样，出厂产品为氧化态，需要经过硫化方可使用。硫化剂一般2CS ，（因2CS 沸点低、易燃烧、不宜运输，目前有的厂用泡沫硫和固体硫化剂代替2CS 进行宽变催化剂的硫化）：
2224CS +4H 2H S+CH →
O 322O 22M O +2H S +H
M S +3H O
→ O 2O 2C O+H S C S+H O → 一般来说，钴-钼催化剂的优点有：能耐很高浓度的硫化氢，故特别适用于重油部
分氧化法和以煤为原料的流程；活性温度较铁-铬催化剂低，而且机械强度较高；不产生甲烷化反应，能在0.75～3.5MPa、温度200～400℃的范围内操作；在使用过程中，如在催化剂上有高分子等化合物沉积时，可以用空气与惰性气，或空气与水蒸气混合进行燃烧再生，重新硫化使用。
所以，对于以重油或煤为原料的合成氨厂，可选用耐硫变换催化剂。
1.5 工艺流程说明
工艺流程设计的依据是原料中的CO含量，CO含量高于10％则应采用中温变换，因为中温催化剂操作温度范围较宽，而且价廉易得。大多数合成氨原料气中的CO均高于10%，故应通过中温变除去大部分CO，根据系统反应的绝热温升，为使催化剂在允许的活性温度范围内操作，对CO含量高于15%者，一般应考虑将反应器分为二段或三段。其次，根据进入系统的原料气温度及湿含量，当温度及水蒸气含量低，则应考虑气体的预热及增湿，合理利用余热。第三是将CO变换与脱除残余CO的方法结合考虑。如脱除方法允许残余CO含量较高，则仅采用中变即可；一氧化碳含量要求达到3-5％以下可将中变与低变串联，以降低变换气中一氧化碳含量。
在此设计中，原料气中CO含量为27%，残余CO含量为1.52%，故在设计中采用中变串低变的工艺流程。
由本设计工艺的要求，采用中变与低变串联的加压变换（见图1），以降低变换气中CO的含量。现对本流程简述如下：
半水煤气经脱硫后由压缩机加压至0.95MPa（绝）进入油分离器除去半水煤气中的煤焦油等杂质，送入饱和塔下部，与自上而下的热水逆流接触，进行热量和物质的传递，原料气被加热，并被水蒸气饱和从塔顶出来，与从中间换热器出来的水蒸气混合，补加部分蒸汽，温度达265℃，然后进入汽水分离器分离掉夹带的水滴。再依次进入主热交换器、中间换热器，与反应后的变换气换热，温度达300℃左右，进入中温变换炉一段进行CO变换反应，继而进入中间换热器过热段与水蒸气换热，经过增湿进入中变炉下段进行反应，使出炉变换气中CO含量（干基）降至7.0%以下。在两段催化剂层中间加有增湿装置，以增加变换气的湿含量，并降低变换气的温度。出中变炉的变换气依次进入主热交换器，调温水加热器，降温后，进入低温变换炉。发生反应，使出炉变换气中CO含量在1.52%以下。离开低温变换炉后，低变气进入水加热器加热由热水泵来的水，温度降至107℃，进入热水塔，在塔内变换气与自上而下的热水逆流接触，气体温度降
至98℃，再依次进入热水循环塔进行冷激、软水加热器、变换气水冷却器设备，使变换气温度降至35℃至常温送碳化或脱碳工段。
系统中的热水在饱和热水塔、水加热器、调温水加热器中循环，定期排污及加水，保持循环水的质量和水平衡。
1.6 设备选型及布置
化工设备是化工生产的重要物质基础，对工程项目投产后的生产能力、操作稳定性、可靠性以及产品质量等都将起重要作用。因此，对设备的选择和设计计算要充分考虑工艺上的要求；尽量选用先进设备并力求投资少、用量少；要运行可靠操作安全；便于连续化和自动化生产；要能创造良好的工作环境和无污染以便于购置和容易制造等。
1.6.1设备选型的基本要求
1．技术经济指标
（1）选用价格低廉,制造容易,结构简单的设备；
（2）选用管理费用低的设备,比降低产品成本；
（3）设备应能适应生产流程需要,且具有高效率。
2．设备结构上的要求
（1）必须符合化工机械设备规范要求；
（2）密封性要好；
（3）防腐性能好,使用年限长；
（4）便于操作检查。
1.6.2 设备布置说明
1．遵循生产工艺流程的自然顺序的原则，确保工艺流程路线最短；
2．对常联系的设备应尽量靠近，以方便操作；
3．布置设备时尽量创造良好的环境，给操作人员留有必要操作空间和安全距离，留有必要设备的检修空间；
4．对重型设备或易震动设备应布置在厂房的地表层；
5．布置设备要尽量利用工艺特点，让物料自动压送，一般升降设备布置在最高层，主要设备及反应器等布置在中层，贮槽设备布置在最底层；
6．本工段设备布置均采用露天成列布置，塔间中心距均以6m为准，设备布置利用工艺特点，让物料自动压送，节省能量，油分离器布置在最高层，冷凝液贮槽布置在最低层，其余设备布置在中层；
7．厂房布置以6—2.4—6m型布置，分两层设计，泵房布置在靠近设备的一侧，泵与泵、泵与墙间距不小于1.0m，并且成排布置。
1.7 三废治理说明
三废是指在生产过程中产生的“废气、废渣、废液”，产生的废气中，无毒的气体可以放空，有用气体可以回收利用；对有毒气体，则必须把有毒成分转化为无毒成分放空；废渣一般集中放置，统一回收管理；废液放入废液池中，回收有效成分以便利用。
化工设计必须全面贯彻“全面规划，合理布局，化害为利，保护环境，造福人民”的总方针。合理有效利用各种资源和能源，防止污染物和其他有害物质，保护人类的生存环境。
1.8本工段各种工艺操作指标
表1.3 一氧化碳多段变换工段各工艺指标
序号指标名称指标
1 半水煤气进设备温度℃35℃
半水煤气出设备温度℃35℃2中温变换炉一段出口℃420℃
中温变换炉二段出口℃360℃
低温变换炉出口℃232℃
3 进系统热水温度℃61℃
4 变换率％
中温变换炉一段出口％60.0％
中温变换炉二段出口％75.93％
低温变换炉出口％93.02％
5 变换气中一氧化碳含量（干基％）
出中温变换炉一氧化碳含量（干基％） 5.45％
出低温变换炉一氧化碳含量（干基％） 1.52％
7 进工段蒸汽压力（MPa） 1.1MPa
半水煤气工段压力（MPa）0.95MPa
第二章 一氧化碳变换工艺计算
2.1 设计条件
已知条件及计算基准表
(1)半水煤气
表2.1 半水煤气组分（干）
组分 CO 2CO 2H 2N 4CH 2O 合计
% 27 11 40 20.3 1.3 0.4 100 3Nm
1026.010 418.006 1519.997 771.411 49.392 15.210 3800 k mol
45.804
18.661
67.857
34.438
2.205
0.679
169.643
(2)压力
进工段煤气压力0.95MPa （绝）
蒸汽压力1.1MPa （绝）
压力损失:每相邻两设备之间的压降∆P =0.01MPa (3)温度
进变换工序的半水煤气温度35℃ 出变换工序的半水煤气温度35℃ 精炼来循环水温度61℃
进中变换炉一段催化剂气体温度300℃ 进低变催化剂层气体温度185℃ (4)要求
出中变炉变换气(干基)CO %≤（5.00～7.00）% 出低变炉变换气(干基)CO %≤1.52% (5)计算基准
以1吨氨为计算基准,则消耗半水煤气的量为38003Nm
设备处理能力以3.833t 氨／h 为基准 (6)催化剂型号
中温变换炉 铁－铬系催化剂 B 109 低温变换炉 钴－钼系催化剂 B 302Q
2.2 中温变换炉物料及热量计算
2.2.1 干变换气量及变换率的计算
设氧与氢在变换炉一段催化剂内完全燃烧生成水，由
2O +22H =22H O
知，实际参加CO 变换反应的半水煤气量为
22O H V V V V =--
实
式中：
223
O 3
H Nm
Nm V V 为混合气中的氧气量，为参加反应的氢气的量，
3
44303V 380015.233754.4 Nm V = -=-⨯=
氧实
则干变换气量为
CO V V V y x =+⋅⋅
变
式中：
3Nm CO %
co V y --半水煤气体积，混合气中含量，
由资料[1]式(4-3-5)知CO 总变换率为
''
()100100%(100)CO CO CO CO
V V X V V -⨯=⨯ +式中：
'CO %CO %
co co V V --变换前煤气中体积， 变换气中体积，
其中 :
00
380027100%27.33%
3754.4
CO co V y ⨯==
⨯=
由设计任务书知出低变炉变换气（干）中CO V ≤1.52%,故取'CO
V =1.52% CO 的总变换率为
(27.0 1.52)100
100%93.02%
(100 1.52)27.33
X -⨯=
⨯=+⨯
则
3
3800(193.02%27.33%)4766.05Nm V =⨯+⨯=变
CO 变换总量为
33754.427.33%93.02%954.46Nm 42.61kmol
⨯⨯==
最终变换气中CO 量为
33754.427.33%954.4671.62 Nm 3.197kmol ⨯-==
2.2.2 总蒸汽比（汽/气）的计算
设低温变换炉出口变换气温度为230℃，平衡温距取24℃，平衡温度为254℃，
CO 变换反应式
CO + 2H O ⇔ 2CO + 2H
设 a b c d 则a=27.0；c=11.0；d=40.0
CO 反应量
33ΔCO 27.093.02%25.115Nm /100Nm =⨯=干半水煤气
由资料[1]，表（4-2-6）查得254℃时，p K =81.671 22222(CO)(CO 2O )
81.671(CO)(CO 2O )
CO H p CO H O
P P c d K P P a b ⋅+∆+∆-⨯=
=
= ⋅-∆-∆+⨯
将a, c, d, 值代入上式
()()()()
1125.1154025.11520.481.67127.3325.11525.11520.4Kp b +⨯+-⨯=
=-⨯-+⨯ 解得b=39.40 即汽气比为39.40/100 上式中2O 为煤气中氧的浓度
需总蒸汽量（包括喷的冷凝水量）
3169.6440.394066.84kmol 1497.21Nm ⨯==
2.2.3 中变炉一段催化剂层物料及热量衡算
1．入炉蒸汽比（汽/气）计算
设CO 在一段催化剂层转化60%，且O 2在一段催化剂层与氢气完全燃烧而生成水，则CO 反应量为
33CO 60Nm /100Nm ∆=27.0⨯%=16.2干半水煤气
CO 总反应量
316.2
3800615.627.482100
Nm kmol ⨯
==
设气体出一段催化剂层温度为420℃，平衡温距取28℃，出口气平衡温度为448℃，由资料[1]表（4-2-6）得448℃时
7.5862
p K =
22222(CO)(CO 2O )
7.5862(CO)(CO 2O )
CO H p CO H O
P P c d K P P a b ⋅+∆+∆-⨯=
=
= ⋅-∆-∆+⨯
将a 、c 、d 及O 2等代入式，得
()()()()
1116.24016.220.47.58622716.216.220.4Kp b +⨯+-⨯=
=-⨯-+⨯
解得 b=33.79
即汽/气＝33.79/100=0.3491 入炉蒸汽量
333.79
38001284.0257.322100
Nm kmol ⨯
==
入炉湿气组成
摘要 本设计为年产36万吨合成氨一氧化碳变换工段工艺设计。变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用。介绍氨的基本性质和用途，阐述了变换工段工艺发展概况，优化了合成变换的工艺流程。确定本设计采用中变串低变的工艺流程，本次设计利用 ASPEN PLUS V.11对设计过程进行模拟，统筹多种因素合理安排合成工艺中的各种设备及其形式、参数，通过 ASPEN 软件中的 Simulation、Energy analysis 模块完成各部分及全过程的物料及能量衡算。并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算，做出了合成氨变换工段中变串低变的工艺流程图和设备布置图。所得结果基本满足设计要求，工艺流程可行。 关键词：合成氨一氧化碳 ASPEN PLUS V.11 中低温变换 第一章绪论 1.1氨的基本性质 氨（Ammonia），一种氮和氢的化合物，NH 是一种无色气体，有强烈的刺激性 3 气味，易溶于水，室温和大气压力1体积的水可以溶解700倍体积的氨，水溶液也称为氨水。它被冷却加压成液体，液氨是一种制冷剂。氨也是制造硝酸、肥料和炸药的重要原料。氨对地球上的生命很重要，它是许多食物和肥料的重要成分，氨水也是所有药物的直接或间接成分。氨有多种用途，但也有腐蚀性和其他危险性。由于其广泛的用途，氨是世界上最大的无机化合物生产商之一，其中80% 以上用于制造化肥。氨也是路易斯碱，因为它提供了孤对电子。 1.2 一氧化碳变换反应的意义与目的 在合成氨的生产过程的原料中存在着有害的一氧化碳成分，因此就要除去一氧化碳，在这一过程中CO变换起着至关重要的作用。反应所需的反应气来自天然气，但是天然气中含有一氧化碳成分。在合成过程所需的原料，不能用一氧化碳，
合成氨变换工段工艺设计 合成氨是化工工业中的重要原料，广泛应用于制取尿素、硝化铵等农业肥料，以及制取氨水、氨盐、化肥、染料等合成工艺中。合成氨变换工段是合成氨生产中的关键环节，其工艺设计对合成氨的产量、质量以及能耗等方面有重要影响。 一、工艺概述 合成氨的变换反应器是将反应物氮气和氢气通过催化剂的作用，在一定条件下发生气相合成反应，生成合成氨。反应器通常采用固定床催化剂反应器，催化剂的选择和催化剂床层的设计都是工艺设计的重要环节。 冷凝器主要用于对反应产生的氨气进行冷凝回收，常见的冷凝器有直接冷凝器和间接冷凝器两种形式，工艺设计中需要根据具体情况选择适用的冷凝方式。 循环气压缩机主要用于将反应器中未反应的气体通入新的循环，提高气相合成反应的转化率。在工艺设计中，需要考虑压缩机的压比、功率消耗等参数。 氨气的分离净化装置主要用于对合成氨中的杂质进行去除，提高合成氨的纯度。常用的分离净化装置有吸附装置、膜分离装置等，具体的工艺设计需要根据生产要求和经济效益进行选择。 二、工艺参数及控制 合成氨的变换工段的工艺参数主要包括反应温度、反应压力、空速、催化剂活性等。这些参数直接影响合成氨的产率、选择性和能耗。
反应温度是合成氨变换反应的重要参数，通过控制温度可以提高反应 速率和转化率，但过高的温度会导致副反应的发生，降低合成氨的选择性。反应压力主要用于控制氨气的产量和能耗，压力越高产氨越多，但能耗也 相应增加。空速是指单位时间内通过反应器的氮气体积，可以通过调控压 力和进气量来实现，过小的空速会影响反应的效果，而过大会导致固定床 催化剂的床层冲击和阻力升高，影响反应转化率。催化剂活性主要指催化 剂的活性组分含量和粒径等参数，这些参数会影响合成氨的选择性和催化 剂的寿命。 在工艺设计中，需要考虑这些参数的合理选择和控制，以提高合成氨 的产量和质量，并降低能耗。 三、能耗控制 合成氨的变换工段是合成氨生产中的能耗重点。能耗的控制主要体现 在压力控制、催化剂选择和热交换等方面。 通过适当提高反应压力可以增加反应速率和反应转化率，降低气体流 通阻力，从而降低能耗。同时，需要考虑压力增加对设备的要求和安全性。 催化剂的选择也可以影响能耗。选择具有高活性和稳定性的催化剂可 以提高合成氨的转化率和选择性，从而降低氢气的消耗。 热交换是工艺设计中重要的能耗控制手段。可以通过合理设置冷凝器 与加热器之间的热交换系列，利用高温冷凝汽洗液预热氮气前的净化液， 提高能量利用率。同时，在冷凝器的设计中，选择合适的冷却介质和冷却 方式也可以达到节能的目的。 四、安全控制
30kt/a合成氨变换工段工艺初步设计 摘要 变换工段是指一氧化碳与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制备的继续。目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程。本设计针对中低温串联变换流程进行设计，对流程中各个设备进行物料、能料衡算、以及设备选型，并绘制了带控制点的流程图。 关键词：合成氨,变换,工艺设计，设备选型
30kt/a Retention Of Ammonia Synthesis Process Preliminary Design Abstact Transform section refers to the reactions that produce carbon dioxide carbon monoxide and hydrogen and water vapor in the process. Carbon monoxide transformation is the gas material purification process, and the preparation of gas material to continue. At present, the transformation mainly by grow string sections of variable process low. This design of low-temperature series transformation process of process design, materials, each device can material calculation, and the equipment selection, and plotted take control in the flow chart and variable furnace equipment assembly drawing. Keywords：ammonia, transformation, process design,equipment choice
一氧化碳的变换技术 一、一氧化碳的变换的意义 无论以固体、液体或气体原燃料所制取的煤气中均含有CO 。CO 不是合成氨所需要的直接原料，而且对氨合成催化剂有毒害，因此必须清除。生产中通常分两步法除去。首先，利用CO 和水蒸气，在催化剂的作用下，发生化学反应，产生氢气和后工序易于脱除的CO 2，这一过程称为一氧化碳的变换，变换后的气体称为变换气。因此，一氧化碳的变换，既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续（产生氢气）。第二步，在后工序中采用铜氨液洗涤法、甲烷化或液氮洗涤法脱除变换气残余的微量CO 。 二、CO 变换基本原理和变换工艺条件的选择： 1 CO 变换基本原理 1）、变换反应可以用下式表示： 催化剂 CO ＋H 2O(汽2＋H 2＋Q 该反应是可逆、放热、等体积反应，降低反应温度，增加水蒸汽的添加量或者移走生成物中的CO 2，都会使反应向正方向移动。只有在催化剂的作 用下才有较快的反应速度。 2）变换反应是放热反应，反应热随温度的升高而有所减少，在227℃时反应热为：9522cal/mol ，在423℃时反应热为：9054cal/mol 。 3）变换反应的化学平衡 在一定条件下，当变换反应的正、逆反应速度相等时，反应即达到平衡状态，其平衡常数为：Kp=(P CO2*P H2)/(P CO *P H2O ) 注： P CO2、P H2、P CO 、P H2O 各组分的平衡分压（或平衡组成）。 Kp 值越大，说明原料气中CO 转化越完全，达到平衡时变换气中残余的
CO含量越少。 由于变换反应是放热反应，降低温度有利于平衡向右移动，因此平衡常数随温度的降低而增大。250℃时为86.51,450℃时为：7.311。 在工业生产中，受催化剂装填量、设备投资的经济效益等因素影响，反应不可能也没必要达到平衡，只能尽可能接近平衡。 实际的流程组合中，一般利用高温段之后再进行低温变换，就是为了提高反应平衡常数，从而提高变换率，降低变换气CO含量。 2、变换工艺条件的选择： 变换率定义：反映变换程度，定义为已变换的一氧化碳量与变换前的一氧化碳量的百分比。 最适宜温度Tm的概念：在气体组成和催化剂一定的情况下，对应最大反应速度时的温度称为在该条件下的最适宜温度。 反应开始时，变换率低，最适宜温度高，随着过程的进行，变换率逐渐上升，最适宜温度逐渐下降。最适宜温度一般比平衡温度低几十度。 变换过程如果始终能按最适宜温度曲线进行，则反应速度最大，催化剂的生产强度最高，在相同的生产能力下所需催化剂用量最少。 但实际上完全按最适宜温度曲线操作是不可能的，因为在反应开始时，最适宜温度最高（以中温变换催化剂为例，要达到620℃），大大超过催化剂的耐热温度，而且热量的来源是个问题。随着反应的进行，要不断地、准确地按照最适宜温度的需要移出反应热是极为困难的。变换过程的温度应综合各个方面因素来确定，主要原则是： 1）、反应开始温度应高于催化剂活性温度10~20℃左右。另外必须要高
3万吨NH3Y合成氨厂中变串低变工艺设计 目录 摘要 (2) Abstract (3) 第一章绪论 (4) 1.1 合成氨工艺的背景、现状及展望 (4) 1.2 氨的性质及用途 (5) 1.3 CO变换的基本原理及工艺流程 (7) 1.4 变换催化剂 (8) 1.5 中变串低变的意义 (10) 1.6 设备的选用及特点 (10) 1.7 设计说明书计算部分 (12) 第二章物料及热量衡算 (13) 2.1 课题条件 (13) 2.2 中变炉工艺条件的计算 (13) 2.3 中温变换炉的物料衡算 (19) 2.4 低变换炉的工艺条件计算 (21) 2.5 低变换炉的物料和热量衡算 (25) 2.6 热水塔出口热水温度的估算 (26) 2.7 半水煤气换热器物料热量衡算 (27) 2.8 饱和塔物料热量衡算 (28) 2.9 热水塔物料热量衡算 (29) 第三章设备计算 (31) 3.1 饱和热水塔计算 (31) 3.2 中变炉计算 (40) 总结 (43) 致谢 (45) 参考文献 (46)
摘要 3万吨NH3/Y合成氨厂中变串低变工艺设计 摘要：此次设计充分运用了化学基础知识和专业理论知识，结合国内外合成氨工艺现状背景，考虑了环境因素和节能减排方面的影响，用最合理的方法对整个工艺流程进行优化，使其达到预期效果。设计中涉及到大量参数，包括温度，压力，平衡常数，密度，黏度，饱和蒸汽压等。另外，设计中包括一些设备计算，如：物料衡算，热量衡算和设备计算三部分内容。 关键词：设计、参数、工艺、合成氨
Abstract The Design of Low-temperature Shift after High-temperature Shift Technology with Production of 30000t/y Ammonia Plant Abstract: The design of the full use of the chemical basis of theoretical knowledge and professional expertise, combined with the background of domestic and international status of synthetic ammonia process, taking into account environmental factors and energy saving aspects, the most reasonable way to optimize the entire process so that the desired effect. Design involves a large number of parameters, including temperature, pressure, equilibrium constant, density, viscosity, saturated vapor pressure and so on. In addition, the design includes a number of computing devices, such as: material balance, heat balance calculation of three parts and equipment. Keywords: design, parameters, process, ammonia wuhan institut
合成氨一氧化碳低温变换工段工艺设计任务书 班级： 姓名： 学号： 一、 设计题目： 合成氨一氧化碳低温变换工段工艺设计 二、设计条件 1、合成氨年产量为1+x 万吨（x 为学号的最后一位），年工作8000小时。 要将CO ％降到0.2％（摩尔分率）以下. 3. 要求使用低温变换工艺。 建议使用B302Q 型催化剂，计算催化剂体积。其宏观动力学方程为： r=1822(P /0.1013)0.5 exp 8 .02 3.0220.631 4.8184.410351--??? ???-H CO O H co y y y y T (1-O H CO p H CO y y K y y 222???) 式中：r 的单位：kmol*L -1 *h -1 ; P ：体系压力，MPa ; Kp ：温度T 下的反应平衡常数，Kp=exp(4757/ T —4.33)。 4．设计反应器尺寸，要求反应器压降小于0.3 MPa 。 5、其它条件如床层反应温度和压力等根据文献自拟或计算。 三、设计内容： 1、设计说明书：包括合成氨的生产历史及发展趋势，变换工段的生产原理及流程的选择、分析和确定。 2、工艺计算： 低温变换工段的物料和热量衡算。如床层的物料和热量衡算。 低温变换反应器设计。 3、工艺流程图（A2图纸） 4、设计评述 5、参考文献 四、参考资料 1. 王师祥，杨保和. 小型合成氨厂生产工艺与操作. 北京：化学工业出版社，1999 2. 程桂花.合成氨.北京：化学工业出版社，1999 3. 梅安华 等，小合成氨厂工艺技术与设计手册(上). 北京：化学工业出版社，1994 4. 黄德明.合成氨生产工艺学.北京：烃加工出版社，1989； 5.于遵宏，朱炳晨，沈才大等. 大型合成氨厂工艺过程分析. 北京: 中国石化出版社,1993
目录 一、 二、 三、 四、一发展历史············································ 五、二反应原理············································ 六、三催化剂············································ 七、四工艺条件············································ 八、五工艺流程············································ 九、六主要设备············································ 十、七结论············································
中变串低变方案设计 一. 发展历史 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。所谓中变串低变流程，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。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，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。 二. 反应原理 一氧化碳变换反应式为： Q H CO O H CO+ + = + 2 2 2 ( 1 ) + = +C H CO 2 O H 2 ( 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。 在某种条件下会发生CO分解等其他副反应，分别如下： 2CO＝C+CO2 2CO+2H2＝CH4+CO2 CO+3H2＝CH4+H2O CO2+4H2＝CH4+2H2O 这些副反应都消耗了原料气中的有效气体，生成有害的游离碳及无用的甲烷，避免副反应的最好方法就是使用选择性好的变换催化剂。 反应的特点是可逆、放热、反应前后气体体积不变，并且反应速度比较慢，只有在催化剂的作用下才具有较快的反应速度。 三. 催化剂 一氧化碳变换反应是在催化剂存在的条件下进行的，是一个典型的气固相催化反应。60年代以前，变换催化剂普遍采用Fe-Gr催化剂，使用温度范围为 350~550℃，60年代以后，开发了钴钼加氢转化催化剂和氧化锌脱硫剂，这种催化剂的操作温度为200~280℃，为了区别这两种操作温度不同的变换过程，习惯上将前者称为“中温变换”，后者称为“低温变换”。 中温催化剂:中变催化剂具有相当高的选择性，在正常操作条件下不会发生甲烷化和析碳反应，中变催化剂的使用寿命，与它的活性、强度、和操作条件有关，它的耐热性和抗毒性也与活性和强度有关，而且大型化工企业的中变催化剂的本体含硫量也有很高的要求。铁的氧化物是中变催化剂的活性组分，但纯Fe3O4的活性温度范围很窄，而且在低汽气比条件下有可能发生过度还原而变为FeO，甚至还原到铁，从而引起CO的甲烷化和歧化反应。工业上用的中变催化剂都是添加Cr2O3的，它起稳定剂的作用，可以防止和延缓催化剂因高温烧结而使晶粒长大和表面积减小，当Fe2O3还原成Fe3O4时，Cr2O3可提高活性相Fe3O4的分散度，增大比表面积。导致催化剂活性增加。铬的氧化物还起另外一个作用，在一般条件下，从Cr3+转变为Cr是非常困难的，而Fe3+还原为Fe是比较容易的，因
68t氨/d 合成氨厂CO变换工艺设计 摘要 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；原料气的净化与氨合成。 一氧化碳变换是指一氧化碳与水蒸气反应生产二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。在合成氨生产中，原料气中的一氧化碳都来源于含碳氢物质，如煤、天然气、油等。半水煤气则是以煤为原料制得的含有氢气和一氧化碳等多种气体的混合物。一氧化碳会使催化剂中毒，而合成氨工艺中所需的氢气则是一氧化碳和水反应制得。因此在氨合成过程中必须进行一氧化碳变换。这样不但去除了一氧化碳同时产生了合成氨的原料气氢气。 本次设计的主要任务是设计完成合成氨过程中净化车间一氧化碳多段变换的工艺流程。本次设计采用中变串低变的工艺流程，在本流程中使用宽变催化剂可使操作条件有较大变化。它使入炉煤气的蒸汽比有较大幅度的降低，而且使一氧化碳含量降低。正是由于选用宽温催化剂，使得反应条件得以大大改进。选用该流程的目的是为了让原料气净化程度高，流程简单，操作方便，稳定性好，催化剂使用时间长。 设计说明书包括三部分：工艺设计说明、变换工段的工艺计算及主要设备的工艺计算。另外，附有四张设计图纸：一张管道及仪表流程图，一张平面布置图，一张物料流程图及一张设备一览表。 关键词：半水煤气、CO变换、催化剂
The CO Transform Process Design Of 68t ammonia/d Synthetic Ammonia plant Abstract Ammonia is an important chemical product, mainly for the production of chemical fertilizers. The production of synthetic ammonia has developed into a mature chemical production process through years of development. It is mainly divided into: the preparation of the raw gas; the purification of the raw gas and a the synthesis of mmonia. The transformation of carbon monoxide refers to the production of carbon monoxide and hydrogen response with carbon dioxide and water. It plays a very important role in the synthetic ammonia process. In the production of synthetic ammonia the carbon monoxide is containing comes from hydrocarbon, such as coal, oil and gas, etc. Semi-water gas is made for the raw coal and a mixture of gases including hydrogen and carbon monoxide. Carbon monoxide will make catalyst poisoned in the process , but hydrogen is made for the reaction of water and carbon monoxide. Therefore in the ammonia synthetic process must have the transformation of carbon monoxide. In addition to this , it also products the hydrogen gas which is the materal gas of synthetic ammonia. The main task of the design is to complete the transformation of carbon monoxide which is a part of the purification workshop of ammonia synthetic process . This design use the process of low temperature combined middle temperature, and the use of the wide temperature shift catalyst can make a significant changes in the operating conditions. It makes the ratio of steam into the furnace gas reduced significantly, and reduce the level of carbon monoxide. The reaction conditions can be improved greatly because of the selection of the wide temperature catalyst. The choice of using the process is to let the raw gas have a high degree purification, have a simple process , easy to operate, stability is good, catalyst have a long use time. The design specification includes three components: the design specifications of the process, the process calculation of the transform section and the process calculation of
年产10万吨合成氨变换工序毕业设计完整说明书 目录 摘要III Abstract IV 第一章总论部分 1 1.1设计对象规格 1 1.2产品品种和产品性质 1 1.2.1产品品种 1 1.2.2产品性质 1 1.3原料的来源和规格 1 1.4合成氨在国民经济中的地位和用途 1 1.5建厂位置选择 2 1.6全厂生产路线的选择论证 3 1.6.1煤气化及造气炉选择3 1.6.2本设计造气基本原理7 1.6.3本设计造气工艺流程7 1.7原料气的净化8 1.7.1脱硫8 1.7.2变换10 1.7.3脱碳10
1.7.4精制12 1.8氨合成14 1.9年工作日和工作制度的确定16 第二章工艺部分17 2.1 重点设计工序(变换工序)的基本原理17 2.1.1变换反应的特点 17 2.1.2化学平衡17 2.1.3催化剂的选择21 2.1.4化学动力学27 2.2变换工序生产方法选择论证29 2.2.1工艺技术路线选择29 2.2.2全低变工艺流程 30 2.3变换炉主要参数31 2.4工艺操作条件的确定32 2.4.1温度32 2.4.2压力33 2.4.3 H2O/CO 33 第三章工艺计算..34 3.1物料及热量计算35 3.1.1计算基准及已知条件35 3.1.2全工段物料及变换率计算35 3.1.3 1#变换炉一段计算37
3.1.4 1#变换炉二段计算42 3.1.5 2#变换炉计算49 3.1.6 增湿器物料及热量衡算52 3.2设备计算57 3.2.1主换热器57 3.2.2 次换热器59 3.2.3 催化剂计算 62 第四章非工艺部分71 4.1环境保护及三废处理72 4.1.1废水72 4.1.2 废气72 4.1.3 废渣73 4.1.4噪声73 4.2技术经济指标73 参考文献 (73) 致谢.74 附录 (75) 年产10万吨合成氨工程项目工艺设计 (重点工序:变换工序,CO进口含量:28.0%) 摘要
产万吨合成氨厂变换工段工艺设计 1
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 2
前言.............................................................................................4 1.工艺原理....................................................................................4 2.工艺条件....................................................................................4 3.工艺流程的选择 (5) 4.主要设备的选择说明 (5) 5.工艺流程的说明 (6) 第一章物料与热量衡算 (7) 1．水汽比的确定 (7) 2．中变炉C O的实际变换率的求取 (8) 1
3．中变炉催化剂平衡曲线 (9) 4.最佳温度曲线的计算 (10) 5．中变炉一段催化床层的物料衡算 (11) 6．中变一段催化剂操作线的计算 (17) 7．中间冷淋过程的物料和热量衡算 (17) 8．中变炉二段催化床层的物料与热量衡算 (19) 9．中变二段催化剂操作线计算 (23) 10.低变炉的物料与热量衡算 (24) 11低变催化剂操作线计算 (29) 12低变炉催化剂平衡曲线 (29) 13.最佳温度曲线的计 2
算 (30) 14废热锅炉的物料和热量衡算 (31) 15.水蒸汽的加入 (34) 16主换热器的物料与热量的衡算 (34) 17.调温水加热器的物料与热量衡算 (36) 第二章设备的计算 (37) 1.中变炉的计算 (37) 2.主换热器的计算 (42) 设计的综述.......................................................................................6参考文献 (49) 3
一氧化碳变换反响工艺流程 一氧化碳变换流程有很多种，包含常压、加压变换工艺，两段中温变换 （亦称高变）、三段中温变换（高变）、高 -低变串连变换工艺等等。一氧化碳变 换工艺流程的设计和选择，第一应依照原料气中的一氧化碳含量高低来加以确 立。一氧化碳含量很高，宜采纳中温变换工艺，这是因为中变催化剂操作温 度范围较宽，使用寿命长并且价廉易得。当一氧化碳含量大于 15%时，应试虑将 变换炉分为二段或多段，以使操作温度靠近最正确温度。其次是依照进入变换 系统的原料气温度和湿度，考虑气体的预热和增湿，合理利用余热。最后还要 将一氧化碳变换和剩余一氧化碳的脱除方法联合考虑，若后工序要求剩余一氧 化碳含量低，则需采纳中变串低变的工艺。 一、高变串低变工艺 当以天然气或石脑油为原料制造合成气时，水煤气中CO含量仅为 10%～13% （体积分数），只要采纳一段高变和一段低变的串连流程，就能将 CO含量降低至0.3%，图 2-1是该流程表示图。 图 2-1一氧化碳高变 -低变工艺流程图 1-废热锅炉2-高变炉3-高变废热锅炉4-预热器5-低变炉6-饱和器7-贫液再沸器来自天然气蒸气转变工序含有一氧化碳约为13%~15%的原料气经废热锅炉 1降温至 370℃左右进入高变炉 2，经高变炉变换后的气体中一氧化碳含量可降至3%左右，温度为 420~440℃，高变气进入高变废热锅炉3及甲烷化进气预热器 4 回收热量后进入低变炉 5。低变炉绝热温升为 15~20℃，此时出低变炉的低变气
中一氧化碳含量在 0.3%~0.5%。为了提升传热成效，在饱和器6中喷入少许软水，使低变气达到饱和状态，提升在贫液再沸器7中的传热系数。 二、多段中变工艺 以煤为原料的中小型合成氨厂制得的半水煤气中含有许多的一氧化碳气 体，需采纳多段中变流程。并且因为来自脱硫系统的半水煤气温度较低，水蒸 气含量较少。气体在进入中变炉以前设有原料气预热及增湿装置。此外，因为 中温变换的反响放热多，应充足考虑反响热的转移和余热回收利用等问题。图 2-2为当前中小型合成氨厂应用许多的多段中温变换工艺。 半水煤气第一进入饱和热水塔1，在饱和塔内气体与塔顶喷淋下来的 130~140℃的热水逆流接触，使半水煤气提温增湿。出饱和塔的气体进入气水分 离器 2分别夹带的液滴，并与电炉5来的 300~350℃的过热蒸汽混淆，使半水煤气中的汽气比达到工艺条件的要求，而后进入主热互换器3和中间换热器 4，负气体温度升至 380℃进入变换炉，经第一段催化床层反响后气体温度升至 480~500℃，经蒸汽过热器、中间换热器与蒸汽和半水煤气换热降温后进入第二 段催化床层反响。反响后的高温气体用冷凝水冷激降温后，进入第三段催化剂 床层反响。气体走开变换炉的温度为400℃左右，变换气挨次经过主热互换器、第一水加热器、热水塔、第二热水塔、第二水加热器回收热量，再经变换气冷 却器 9降至常温后 图 2-2 一氧化碳多段中温变换工艺流程 1-饱和热水塔2-气水分别器3-主热互换器4-中间换热器5-电炉6-中变炉7-水加热器
天然气合成氨年产19万吨_设计说明书 天然气合成氨年产19万吨_设计说明书《化工设计》年产年产X 万吨天然气合成氨合成段的工艺设计任务书万吨天然气合成氨合成段的工艺设计任务书一、设计项目：一、设计项目： 年产X 万吨天然气合成氨合成段的工艺设计二、设计规模： 二、设计规模： X 万吨/年，年生产时间： 330 三、设计阶段： 三、设计阶段： 初步设计四、设计条件与要求四、设计条件与要求1、合成塔进口气体组成（V%）NH3： 2.26% H2： 58.79% N2： 19.55% CH4： 17.49% Ar： 1.91% 2、合成塔出口气体NH3含量： 17.8% 3、水冷器出口温度： 35℃4、合成塔操作压力： 30.0MPa 五、设计要求和工作量五、设计要求和工作量完成设计报告一份六、设计主要内容六、设计主要内容1、
工艺流程设计2、物料衡算3、热量衡算4、主要设备工艺设计与选型化工设计报告（（大体大体章节要求）章节要求）摘要第一章前言第二章天然气合成氨简介第三章合成氨工艺论证第四章工艺计算 4.1 物料衡算 4.2 能量衡算第五章主要设备的工艺计算及选型主要结构参数表第六章设计小结参考文献七、设计主要参考文献七、设计主要参考文献《化工原理》；《化工产品手册》；《化工工艺设计手册》；《小氮肥厂工艺设计手册》；《氮肥工艺设计手册》；《小合成氨厂工艺技术与设计手册》；《合成氨》；《无机化工生产技术》等八、设计时间： 八、设计时间： 2012.12.18-2012.12.24 《化工设计》II 目录目录摘要1 第一章前言2 第二章天然气合成氨简介3 2.1 氨的性质、用途及重要性3 2.1.1 氨的性质3 2.1.2 氨的用途及在国民生产中的作用3 2.2 合成氨生产技术的发展3 2.2.1 世界合成氨技术的发展.3 2.2.2 中国合成氨工业的发展概况.5 2.3 合成氨转变工序的工艺原理6 2.3.1 合成氨的典型工艺流程介绍6 2.3.2 合成氨转化工序的工艺原理7 2.3.3 合成氨变换工序的工艺原理.7 2.4 设计方案的确定8 第三章合成氨工艺论证9 3.1 氨合成过程的基本工艺步骤9 3.2 氨合产工艺的选择10 3.3 工艺参数的确定11 第四章工艺计算13 4.1 物料衡算13 4.1.1 初始条件.13 4.1.2 合成塔出口气组分.13
《化工工艺设计任务书》
变换工艺设计说明书 设计题目小合成氨厂低温变换工段工艺设计 课题来源小合成氨厂低温变换工段工艺设计 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。 变换工艺流程 低压机四段来的半水煤气压力2.0 MPa，温度40℃的半脱气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166～175℃的热水逆流接触，进行传质传热，使气体中的水汽含量接近饱和，从塔顶出来到蒸汽喷射器，补入外管来的高压蒸汽，进一步提高气体的温度和水气比，使H2O/干气＝0.6～0.7。达到变换所需的液气比值。接着气体进入半水煤气换热器Ⅰ，半水煤气换热器Ⅱ管内加热，温度升至300℃，经过加压电炉进入中变炉内。中变炉触媒分三段，每段各装一层触媒，上段出口变换气CO含量13～15%，温度437℃，通过甲烷化加热器壳程换热和增湿器降温，增湿温度降至370℃进入中变二段，二段出口CO变换率8～9%，温度403℃进入增温器，三段出口变换气中，CO 3～3.5%，温度386℃，经过半水煤气换热器Ⅱ和半水煤气换热器Ⅰ的管间，加热进中变的半水煤气，温度降至285℃然后进入一水加热器被管内的循环热水降温至185℃，进入低变炉进行低温变换。低变炉触媒分上、下两段，每段各层一层耐硫变换催化剂，上段出口变换气温度222℃，含CO 0.5～0.6%，进入段间冷却器管间，温度降至190℃，进入低变炉下段反应，出口变换气温度232℃，含CO 0.2～0.3%，进入二水加热器降温后，温度170℃进入热水塔与饱和塔底出来的热水逆流接触，进行传质传热，进一步降温并回收热量，147℃的变换气接着又进入脱盐水预热器管内与来自脱盐水站的脱盐水换热后进入变换气水冷器管间，出来后温度降至40℃，在变换气水分离器内，分离冷凝水后去变脱工段。 变换工段化学工艺设计原则 1. 入工序气体流量：6000kmol/h（干基）压力： 2.47Mpa 温度：40℃ 2.入口气体组分：CO%=2.01% CO2%=10.95% H2%=41.49% N2%=1 3.93% CH4%=0.21% H2O%=31.23% Ar=0.18 %(体积比) 3. 出口气体组分：CO%≤0.34%（体积比）
摘要 变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用 本次设计为70 kt/a合成氨变换工段的工艺设计。本设计采用全低变的工艺流程.。根据有关文献资料，完成物料、热量的计算。并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算。并做出了合成氨变换工段全低变的工艺流程图和设备布置图。所得结果基本满足设计要求，工艺流程可行。 关键词：合成氨；低温变换；热量衡算；物料衡算 Abstract Transform processes is one of the most important processes, and it p lays a very important role in the industry of synthetic ammonia. The task is the design of shift process in 70 kt/a NH3. The low-temperature shift technology was adopted in this calculation.According to the relevant cultural heritage data, complete the calculation of material, calories. Furthermore, the size and type of the equipments were determined such as heat exchanger, shift converter,
etc.Also do to synthesize an all of the ammonia transformation work segment low craft flow chart and equipments changing set out diagram.The results meet the requirements of the design task well, the craft process can go.
目录 1.前言 (4) 2.工艺原理 (4) 3.工艺条件 (5) 4.工艺流程的确定 (6) 5.主要设备的选择说明 (6) 6.对本设计的综述 (6) 第一章变换工段物料及热量衡算 (8) 第一节中变物料及热量衡算 (8) 1．确定转化气组成 (8) 2．水汽比的确定 (8) 3．中变炉一段催化床层的物料衡算 (9) 4．中变炉一段催化床层的热量衡算 (11) 5．中变炉催化剂平衡曲线 (13) 6.最佳温度曲线的计算 (14) 7．操作线计算 (15) 8．中间冷淋过程的物料和热量计算 (16) 9．中变炉二段催化床层的物料衡算 (17) 10.中变炉二段催化床层的热量衡算 (18) 第二节低变炉的物料与热量计算 (19) 第三节废热锅炉的热量和物料计算 (24) 第四节主换热器的物料与热量的计算 (26) 第五节调温水加热器的物料与热量计算 (28) 第二章设备的计算 (29) 1.低温变换炉计算 (29) 2.中变废热锅炉 (31)
参考文献及致谢 (35) 前言 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，因为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CO 2和氨合成所需要的H 2 。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。 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。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。 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。所谓中变串低变流程，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。在中变串低变流程中，因为宽变催化剂的串入，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。因为中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。 工艺原理： 一氧化碳变换反应式为： CO+H 2O=CO 2 +H 2 +Q(1-1) CO+H 2=C+H 2 O(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—1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。 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：
第一章物料与热量衡算 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/（2×0.2204）=2989.22 M3(标) 因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取3000 M3(标) 年产10万吨合成氨生产能力（一年连续生产300天）： 日生产量：100000/300=333.3T/d=13.89T/h 要求出低变炉的变换气干组分中CO％不大于0.3％。 假设进中变炉的变换气温度为370℃，取变化气出炉与入炉的温差为20℃，出炉的变换气温度为390℃。 进中变炉干气压力。P=1.8Mpa. 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H 2 O/CO=3.8 故V （水）=3.8 Vc=1531.02m3(标) ，n (水) =68.35kmol
2.中变炉的计算 2.1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8.87％，要求变换气中CO 含量为0.2％，故根据变换反应： CO+H 2O ＝H 2+CO 2， 则CO 的实际变换率公式为： X p ％=() a a a a Y Y Y Y '+' -1×100 （2-1） 式中a Y 、'a Y 分别为原料及变换气中CO 的摩尔分率（湿基） 所以：X p = ()()8.87210010028.87 -⨯+⨯ =75.93％ 则反应掉的CO 的量为： 8.87×75.93％=6.73 则反应后的各组分的量分别为： H 2O ％=33.73％-6.73％ =27％ CO ％=8.87％ -6.73％ =2.14％ H 2％ =36.32％+6.73％ =43.05％ CO 2％=5.99％+6.73％ =12.72％ 中变炉出口的平衡常数： Kp= （H 2％×CO 2％）/（H 2O ％×CO ％）=9.48 查得Kp=9.48时温度为424℃。 中变的平均温距为424℃-390℃=34℃ 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H 2O/CO 可用。