变换炉设计

10万吨/年合成氨厂两段中间间接换热式变换炉的最佳工艺设计学院：化学化工学院班级：20101331班学号：2010133108姓名：姚正贤指导老师:王智娟完成时间:2013年8月30日目录绪论........................................................................................................................5一、合成氨原料....................................................................................................51、合成氨生产工艺......................................................................................52、氨的用途................................................................................................5二、合成氨的生产现状........................................................................................61、世界合成氨生产现状..............................................................................62、我国合成氨生产现状..............................................................................6三、合成氨技术的发展趋势................................................................................7设计条件................................................................................................................8一、最佳设计条件式的建立................................................................................8二、最佳温度变换率分配方案和接触时间的计算............................................91、已知条件..................................................................................................92、在T~x图上标绘出平衡曲线和最佳温度曲线...................................113、由条件式确定第一段出口状态和第二段入口状态。.....................12（1）绝热操作线方程及绝热温升的确定........................................124.用条件式2T确定二段出口状态..........................................................15三、催化剂用量的计算......................................................................................171、第一段11001VCR.......................................................................172、第二段20022VCVTR.........................................................................183、总用量3+13.5310.4214.95m12VVVRTRR.............................18四、变换炉工艺尺寸的确定..............................................................................18五、附录............................................................................................................211、正负面积求变化率：............................................................................212、求接触时间............................................................................................2210万吨/年合成氨厂两段中间间接换热式变换炉的最佳工艺设计摘要本设计根据效益最好的原则，以变换炉催化剂体积最小为目标函数，导出了间接换热式变换炉最佳设计的条件式，并通过计算机求解，得出年产十万吨合成氨厂变换炉所需B113型催化剂的理论体积，可供有关设计部门和生产单位参考。关键词间接换热式最佳设计变换炉绝热温升接触时间前言一氧化碳变化是合成氨生产中一个重要组成部分。它的的任务是将前工序送来的半水煤气中的一氧化碳在催化剂的作用下与水蒸汽变换位氢气和二氧化碳，这样对合成氨催化剂有毒害作用的一氧化碳就变成了合成氨的原料气氢气和尿素的原料气二氧化碳，因此一氧化碳的变换生产的还坏直接关系到氨合成及尿素生产的成本高低，历来是合成氨厂中十分关键的生产工序之一。在化工生产中，根据不同的情况可采用多种不同换热形式的变换炉，常用的间接换热式、直接冷激式级混合换热式变换炉三种类型，按段数多少可分为单段、两段和三段几种。本设计经比较后选用两段间接换热式反应器作为变换炉，它是变换生产中的关键设备。变换炉的设计大都采用经验定额计算，特点是简单、可靠、快速，但缺乏理论分析，有时误差较大，数据偏于保守。本设计从过程的原理出发，以反应速率最大即催化剂用量最少为目标函数来确定设计方案，可得到最佳的经济效果，这种方法称为最佳设计。绪论一、合成氨原料1、合成氨生产工艺氨是普里斯特利在1754年将袖砂(氯化按)和石灰加热时发现的。1913年9月9日第一个合成氨厂在德国路德维希港的BAFS联合工厂投产，产量很快就达到日产30t的设计水平。第一次世界大战结束后，德国战败而被迫公开合成氨技术。目前，工业生产合成氨的原料有三种:煤、天然气和重油或轻油。不管采用哪一种原料，合成氨生产的工序都必须经过原料气的制取(H2和N2的制取)、原料气的净化(包括CO变换，H2S、CO、CO2等脱除)、原料气精制(少量CO、CO2的脱除)、原料气压缩及合成工段，只不过是不同的生产装置、不同的生产工艺在具体的细节选择上有所不同。以煤为原料的合成氨厂的工艺流程大体依次经过造气、除尘、脱硫、变换、二次脱硫、脱碳、精炼，最后在合成工段生产出氨。我国是世界上煤炭资源比较丰富的国家之一，煤炭储量远大于石油、天然气储量。因此，煤炭是我国合成氨的主要原料来源。我国生产合成氨的原料有2/3是煤炭。以焦炭或煤为原料合成氨的流程是采用间隙的固定层气化法生产半水煤气，经过脱碳、变换、脱除CO和CO2等净化后，可获得合格的氮氢混合气，并在催化剂及适当的温度、压力下合成氨。2、氨的用途氨在国民经济中占有重要的地位。现在大约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生成其它化工产品的原料。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素，磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨，氨水以及含氮混肥和复肥为原料的。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制取硝酸，进而再制造硝酸铵，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、硝酸和尿素等作为氮源，生产己内酰胺、尼龙6单体、人造丝、丙烯晴、酚醛树脂和尿醛树脂等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，作用制冰、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用做生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。二、合成氨的生产现状1、世界合成氨生产现状2003年全球合成氨产能为1629亿吨，北美为22540k/ta，南美8560k/ta，西欧12180k/ta，东欧31320k/ta，中东和非洲1325k/ta，亚太地区750030k/ta。近年来合成氨装置大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前世界最大单系列合成氨装置规模已达1300k/ta，该装置属于委内瑞拉的FertiNitro公司。俄罗斯约有35套合成氨装置，合成氨平均规模为400k/ta;美国有50多套合成氨装置，合成氨平均规模300k/ta以上。2、我国合成氨生产现状2002年，我国合成氨实际产量36750k/ta，2003年生产能力为41600k/ta，总生产能力和产量均居世界第一位，但单系列装置规模较小，合成氨装置平均规模为50kt/a。目前我国共有合成氨装置800余套，其中300k/ta以上大型成氨生产装置34套(其中一套为400k/ta)，设计总生产能力为109000k/ta，实生产能力为100000k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能力的22%。300k/ta以上大型合成氨生产装置，除山东华鲁恒升化工股份有限公司和上海吴径化工厂为国产化技术和设备外，其余均系国外引进。我国共有中型合成氨生产装置55套生产能力为4600k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能力的11%;我国共有小合成氨设备700多套，生产能力为28000k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能的66%。中海石油化学有限公司在海南富岛建设的450k/ta合成氨装置，是目前国单套生产能力最大的合成氨装置。三、合成氨技术的发展趋势合成氨技术的发展趋势由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步,以“天然气、轻油、重油、煤”作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化。基于装置经济性考虑,“轻油”和“重油”型合成氨装置已经不具备市场竞争能力,绝大多数装置目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。其结构调整包括原料结构、品质构调整。由于煤的储量约为天然气与石油储量总和的10倍,以煤为原料制氨等煤化工及其相关技术的开发再度成为世界技术开发的热点,煤有可能在未来的合成氨装置原料份额中再次占举足轻重的地位,形成与天然气共为原料主体的格局。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。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。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。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。第一,以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。第二,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