合成氨变换工段工艺设计

武汉工程大学本科毕业设计11.4工艺流程简述全低变的工艺流程示意图见图1-1。图1-1低温变换工艺流程示意图Fig1-1Schematicdiagramofthelowtemperatureconversionprocess半水煤气首先进入油水分离器，脱除部分固体和液体杂质后进入活性炭滤油器，进一步脱除杂质。经净化的半水煤气进入变换气换热器与从第二变换炉出来的变换气进行逆向热交换，使其温度上升到180℃左右，变换气温度下降到160℃左右。出变换气换热器的半水煤气再进入煤气换热器与从第一变换炉出来的变换气进行逆向热交换，变换气自身的温度下降到300℃左右，半水煤气升温到200℃左右。出煤气换热器的半水煤气与来自管网的中压水蒸气混合，一方面使半水煤气温度上升到变换反应温度，另一方面使半水煤气增湿，并达到设计要变换气换热器煤气换热器淬冷过滤器Ⅰ淬冷过滤器Ⅱ第一变换炉变换气冷却器油分离器活性炭滤油器半水煤气变换气工段第二变换炉武汉工程大学本科毕业设计2求所需要的汽气比进入第一变换炉发生变换反应，在第一变换炉内CO的变换率可达到60%左右。经第一变换炉变换后出来的变换气进入煤气换热器与半水煤气逆向换热后进入淬冷过滤器I，逆向与喷淋下来的冷却水换热并使冷却水汽化，此时变换气的温度下降到230℃左右，冷却水和变换气换热后汽化，从而使蒸汽含量达到设计要求，湿变换气进入第二变换炉第一段催化剂床层进行变换反应。经第二变换炉第一段催化剂床层变换反应后CO的变换率可达到85%左右，温度上升到280℃左右进入淬冷过滤器II，逆向与喷淋下的冷却水进行热交换，使其温度下降到190℃左右，同时补充水蒸气，达到设计要的汽气比进入第二变换炉第二段催化剂床层进行变换，最终CO的变换率可达到99%。出第二变换炉第二段的变换气经过变换气换热器后，再经过变换气冷却器降温至40℃左右，去后续工段。第二章物料衡算及热量衡算2.1设计条件计算基准：1吨NH3。设备生产能力：t/h7222.92430010703由设计所给条件取每吨氨耗用半水煤气3520Nm3,则每小时的半水煤气用量为：3520×9.7222=34222.2Nm3/h初始半水煤气组成见下表2-1。表2-1初始半水煤气组成Table2-1Thecompositionoftheinitialsemi-watergas组分CO2COH2CH4O2N2合计%7.030.837.81.50.322.6100Nm32395.610540.412936.0513.3102.77734.234222.2kmol106.9470.6577.522.94.6345.31527.8武汉工程大学本科毕业设计32.2CO全变换过程总蒸汽比的计算选用B302Q型催化剂，设第二变炉出口变换气温度为200℃，平衡温距为24℃，则计算时取变换温度为t=224℃。CO和H2O的反应方程式为：222HCOOHCO设ABCD设CO变换反应的变换量为△CO，则变换反应的平衡常数Kp：222COH2COHO2(CO)(CO2O)(CO)(CO2O)pppCD%KppAB%（2-1）本设计所给条件CO的变换率为99%，则:CO30.8%99%30.49%查文献[1]可知在220℃时CO变换的平衡常数Kp=140.96。并由表2-1可知A、C、D的值分别为30.8%、7.0%、37.8%，将A、C、D和Kp的值代入式（2-1）求得：B=75.0。即可知总水气比为75.0/100。2.3第一变换炉催化剂床层物料与热量衡算2.3.1入第一变换炉催化剂床层汽气比设CO在催化剂床层转化率为60.0%，且O2全部和H2燃烧生成H2O，则CO的反应量△CO为：30.8%×60%=18.48Nm3/100Nm3干半水煤气则CO的总反应量为：kmol3.282Nm3.632410048.182.342223设气体出催化剂床层的温度为360℃，取平衡温距为20℃，则计算所取温度为380℃。查文献[1]知380℃时的Kp=14.6，由式（2-1）代入数据可得：)3.0248.18()48.188.30()3.0248.188.37()48.180.7(6.14B解上式得B=25.72武汉工程大学本科毕业设计4即此时的汽气比为25.72/100。入炉蒸汽量kmol0.393Nm2.880210072.252.342223入炉湿气的量34222.2+8802.2=43024.4Nm3=1920.7kmol由此可计算出入炉的湿气组成，结果见下表2-2。表2-2入第一变换炉湿半水煤气组成Table2-2Thecompositionofthewetsemi-watergasintothefirstshiftconverter组分CO2COH2CH4O2H2ON2合计%5.5724.5030.071.190.2420.4617.98100Nm32395.610540412936.0513.3102.779103.17734.243024.4kmol106.9470.6577.522.94.6406.4345.31920.72.3.2CO平衡变换率及出催化剂床层气体的组成设360℃时的平衡变换率为Xp，360℃时的Kp=18.371]，代入式（2-1）得：2.70)24.0250.2446.24()50.2450.24()24.0250.2407.30()50.2487.5(37.18ppPpXXXX则实际变换率为平衡变换率%47.85%1002.7060由以上计算知实际反应掉的CO的量为10540.4×0.6=6324.2Nm3。出催化剂层干气体量3Nm5.400407.10232.63244.34024由以上计算可得出催化剂干气体组成，见下表2-3。表2-3出第一变换炉催化剂变换气干气体组成Table2-3Thecompositionofthedriedsemi-watergasoutthefirstconverter组分H2COCO2CH4N2合计%48.1010.5221.781.2819.32100Nm319260.24216.28719.8513.37734.2400040.5武汉工程大学本科毕业设计5kmol859.8188.2389.322.9345.31787.5出一段催化剂层剩余湿气量34024.4+8802.2-102.7=42723.9Nm3剩余蒸汽量3Nm4.26837.10222.63242.8802剩余CO的量10540.4-6324.2=4216.2Nm3CO在湿气中含量%87.9%1009.427232.4216同理，可求出CO2、H2、CH4、N2、H2O在湿气中的含量，结果见下表2-4。表2-4出第一变换炉催化剂变换气湿气组成Table2-4Thecompositionofthewetsemi-watergasoutletthefirstconverter组分H2COCO2CH4N2H2O合计%45.089.8720.411.2018.105.73100Nm319260.24216.28719.8513.37734.22984.242723.9kmol859.8188.2389.322.9345.3133.21907.32.3.3第一变炉热量衡算（1）第一变换炉内CO变换反应放热量为Q1气体由200℃上升到360℃，平均温度tm=280℃。查文献[1]知CO变换反应的kJ/kmol39572)(H，则由表2-2和表2-4中的数据可求出kJ10117.139550)2.1886.470(71Q（2）氧气和氢气燃烧放热Q2查文献[2]可知氧气和氢气燃烧焓为484017kJ/kmol，则kJ10226.24840176.462Q（3）气体温度上升吸热Q3武汉工程大学本科毕业设计6在平均温度285℃和平均压力0.92MPa下可查出Cp(H2)=29.38kJ/kmol∙KCp(N2)=30.39kJ/kmol∙KCp(CO)=30.57kJ/kmol∙KCp(CO2)=46.32kJ/kmol∙KCp(CH4)=49.1kJ/kmol∙KCp(O2)=31.78kJ/kmol∙KCp(H2O)=35.59kJ/kmol∙K则平均比热容：59.350573.01.49012.032.46241.039.30181.057.300987.038.294508.0)(mPC=33.84kJ/kmol∙K气体吸热tQ84.333.19073设热损失Q4=3.9×106kJ由热平衡方程式1234QQQQ将上述数据代入热平衡方程式知：△t=160℃。可知道结果与实际所取温度一致，故不需要进行重复计算。2.4第二变换炉第一段催化剂层物料及热量衡算2.4.1第二变换炉第一段催化剂层汽/气比设在此段CO的总转化率达到88%，可知CO在此段催化剂层的总转化量为09.41456.9275%884.105403NmCOkmol则知CO在此段催化剂层的转化量为9275.56-6324.26=2951.3Nm3=131.75kmol根据以上计算可得CO在此段的转化率为%0.70%1002.421630.2951设气体入口、出口温度分别为230℃、280℃，平衡温距取70℃，则出口气体平衡温度为350℃。查文献[1]知此时的Kp=20.66。由前面的计算可知A=9.75、C=20.40、D=45.08代入式（2-1）解得B=30.58则可以得到汽气比为30.58/100。武汉工程大学本科毕业设计7此时所需总蒸汽量为3Nm4.1224410058.30)4.26839.42723(则需补充的蒸汽量为12244.4-2683.4=9561.0Nm3此时总的蒸汽量为42723.9+9561.0=52286.9Nm3由以上的计算可求出此时的入炉湿气组成，结果见下表2-7。表2-7入第二变换炉第一段变换气组成Table2-7Thecompositionoftheshiftgasinletthefirstparagraphofthesecondshiftconverter组分H2COCO2CH4N2H2O合计%38.088.4217.421.0315.4624.47100Nm319260.24216.28719.8513.37734.212244.452286.9kmol854.7188.2389.322.9345.3546.72234.22.4.2第二变换炉第一段催化剂层CO的平衡转化率计算由出口平衡温度350℃，查文献[1]知Kp=20.66，由公式（2-2）代入数据得：%27.58)42.847.24)(42..842.8()42.808.38)(42.842.17(66.20pppppXXXXX出口湿气体组成计算如下：CO的量9.1264)7.01(2.42163NmCO2的量1.116713.29518.87193NmH2的量3Nm5.222113.29518.19054H2O的量1.92933.29514.122443Nm由上面的计算可得出出口湿变换气的组成,结果见下表2-8表2-8出第二变换炉第一段催化剂变换气组成武汉工程大学本科毕业设计8Table2-7Thecompositionofthegasoutletthefirstparagraphofthesecondshiftconverter组分H2COCO2CH4N2H2O合计%44.382.5323.321.0215.4618.57100Nm322211.51264.911671.1513.37734.29293.152286.9kmol991.656.5521.022.9345.3414.92234.22.4.3出口温度校核03.221857.00253.