西南科技大学本科生毕业论文 IV 2.9 中变炉二段催化床层的物料与热量衡算 ........................................................... 18
2.9.1中变炉二段催化床层的物料衡算： .......................................................... 19 2.9.2 中变炉二段催化床层的热量衡算： ......................................................... 21 2.10 中变炉物料、热量恒算结果列表 ..................................................................... 23 2.11 低变炉的物料与热量衡算 ................................................................................. 24
2.11.1 低变炉的物料衡算.................................................................................... 24 2.11.2 低变炉的热量衡算.................................................................................... 26 2.12 低变炉催化剂平衡曲线 ..................................................................................... 28 2.13 最佳温度曲线的计算 ......................................................................................... 29 2.14 废热锅炉的热量和物料衡算 ............................................................................. 30 2.15 水蒸汽的加入 ..................................................................................................... 32 2.16 主换热器的物料与热量的衡算 ......................................................................... 33 2.17 调温水加热器的物料与热量衡算 ..................................................................... 34 第3章 设备的选型 ........................................................................................................... 36
3.1 中变炉的计算 ....................................................................................................... 36
3.1.1触媒用量的计算 .......................................................................................... 36 3.1.2第一段床层触媒用量 .................................................................................. 36 3.1.3 第二段床层触媒用量 ............................................................................... 37 3.1.4 触媒直径的计算 ......................................................................................... 39 3.2主换热器的计算 .................................................................................................... 41
3.2.1传热面积的计算 .......................................................................................... 41 3.2.2 设备直径与管板的确定 ............................................................................. 42 3.2.3 传热系数的验算 ......................................................................................... 42 3.2.4 壳侧对流传热系数计算 ............................................................................. 44 3.2.5 总传热系数核算 ......................................................................................... 45 3.2.6传热面积的核算 .......................................................................................... 45 3.3 其他主设备 ........................................................................................................... 46 第4章 设备一览表 ........................................................................................................... 47 参考文献 ............................................................................................................................. 48 致 谢 ................................................................................................................................... 49
西南科技大学本科生毕业论文 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。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。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：CO?H2O = CO2?H2。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。
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西南科技大学本科生毕业论文 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。
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西南科技大学本科生毕业论文 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；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。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
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