30万吨合成氨设计.doc

1、北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 1 - 年产三十万吨合成氨装置的粗煤气 一氧化碳耐硫变换工艺设计 摘 要 本文介绍了合成氨生产基本情况以及年产三十万吨合成氨系统流程，介绍了一氧化碳变换的基本原理，工艺条件以及工艺参数和变换催化剂的选择原则。并且对第一和第二变换炉进行热量和能量衡算，对催化剂装填量进行计算，掌握了变换系统的设计方法。 关键词 ： 变换，催化剂，工艺条件，一氧化碳含量 北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 2 - 目 录 第一章 前言 （ 4） 第 1 1 节 合成氨在国民经济中的重要地位 （ 4） 第 1 2 节 合成氨 工业发展简介 （ 5） 第 1 3 节 天脊集团

2、 合成 氨的生产方法 （ 5） 第二章 设计说明 （ 7） 第 2 1 节 设计目的 （ 7） 第 2 2 节 工艺原理 （ 7） 第 2 3 节 工艺条件对一氧化碳含量的影响 （ 7） 第 2 4 节 上下流程配置 (8) 第 2 5 节 催化剂的选择 (8) 第 2 6 节 热量回收 (9) 第三章 设计计算 （ 10）第 3 1 节 已知条件与要求 （ 10） 第 3 2 节 核算蒸汽是否够用 （ 10） 第 3 3 节 计算煤气成分 （ 11） 第 3 4 节 变换炉温升的估算 （ 11） 第四章 物料衡算 （ 13） 第 4 1 节 第一变换炉的物料衡算 （ 13） 第 4 2 节

3、第二变换炉的物料衡算 （ 15） 第五章 热量衡算 （ 18） 第 5 1 节 第二换热器进口煤气温度的计算 （ 18） 第 5 2 节 第一换热器进口煤气温度的计算 （ 19） 第 5 3 节 第一换热器热量衡算 （ 21） 第 5 4 节 第二换热器热量衡算 （ 21） 第 5 5 节 第一变换炉热量衡算 （ 22）北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 3 - 第 5 6 节 第二变换炉热量衡算 （ 23） 第六章 变换炉 的工艺计算 （ 23） 第 6.1 节 催化剂用量的计算 （ 23） 第 6.2 节 变换炉工艺尺寸的计算 （ 25） 第 6.3 节 催化剂床层阻力的计算 （ 26

4、） 第七章 换热器选型 （ 29） 第 7.1 节 第一换热器的选型与计算 （ 29） 第八章 设备一览表 (34) 第九章 设计结果分析和改进方向 （ 34） 第十章 参考文献 （ 35） 第十一章 致谢 （ 36） 北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 4 - 第一章 前 言 第 1 1 节 合成氨工业在国民经济中的重要地位 合成氨是化工的重要组成部分，在国民经济中有相当重要的位置。氨是化学工业的重要原料之一，用途十分广泛。 以氮和氢为原料合成氨，是目前世界上采用最广泛，也是最经济的一种方法。氨的用途很广。以氨为主要原料可以制造各种氮素肥料和复合肥料。氨本身就是一种高效肥料，液氨含氮 8

5、2.3%，一些国家已大规模直接施用液氨。可见， 合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着十分重要的作用。 氨是氮肥的主要原料，可生产尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；氨还可用来生产多种复合化肥，如磷酸氢铵等。对农业生产有重大意义。 氨也是一些工业部门的重要原料。工业用氨量已占合成氨产量的百分之十以上。基本化学工业中的硝酸、纯碱、各种含氮无机盐，有机化学中的各种含氮中间体。制药工业中的磺胺类药物和高分子化学工业中的氨基塑料、聚酰胺纤维、丁腈橡胶等，都需直接或间接以氨为原料。食品工业中，氨广泛用作冷冻剂，冶金工业、石油加工工业、机械工业亦需使用氨或其加工产 品。 氨还应用于国防和尖端科学技术部门

6、。制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纤维等多种炸药都要消耗大量的氨。生产导弹、火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。不仅如此，合成氨工业的迅速发展，又促进了一系列科学技术和化学合成工业的发展。如高压低温技术、催化和特殊金属材料的应用、固体燃料气化、液体和气体燃料的合理使用，以及尿素、甲醇、高级醇的合成，石油加氢，高压聚合物（如高压聚乙烯）的生产等，都是在合成氨工业的基础上发展起来或应用其生产技术成就而获得成功的。随着科学和生产技术的发展，合成氨工业在国民经济各部 门中的作用必将日益显著。 北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 5 - 第 1 2 节 合成氨工业发展简介 1784 年，

7、有学者证明氨是由氮和氢组成的。 19 世纪，人们试图利用高温、高压、电弧、催化剂等手段试验直接合成氨，均未成功。 19 世纪末，在化学热力学、动力学和催化剂等领域取得一定进展后，对合成氨反应的研究有了新的进展。 1901 年法国物理化学家吕查得利开创性地提出氨合成的条件是高温、高压，催化剂存在。 1912 年在德国建立了世界上第一个日产 30 吨的合成氨厂。在以后的生产过程中，人们对合成氨的生产工艺进行了不断改进和完善，如变换工艺的改进。原料气净化方法 的革新及合成塔的改造等，但工艺路线没有大的变化。 改革开放以来，我国合成氨工业发展很快，产量不断增加，在原料气制造方面，基本掌握了煤、油、气不

8、同原料的气化技术。为了满足我国社会主义建设发展的需要，在发展煤炭加工业的同时，还积极开发石油和天然气资源，开展综合利用，逐步扩大了合成氨工业的原料来源。近年来，由于透平式离心压缩机和电子计算机自动控制等新技术的应用，使我国合成氨工业朝现代化方向迈进了一步。但是，单位氨产量的能量消耗、劳动生产率等方面和工业发达国家相比仍有较大差距。按人口平均的化肥产量（吨 /人年）和单 位种植面积施肥量仍然较低。所以高速发展合成氨工业仍是一项紧迫的任务。 第 1 3 节 天脊集团 合成氨的生产方法 天脊煤化工集团有限责任公司是我国于 20 世纪 80年代初从国外成套引进技术和设备而兴建的 ，以煤为原料生产硝酸磷

9、 复合肥 的大型煤化工 基地 。 其年产 30 万吨合成氨装置采用 MARK-IV 型鲁奇加压气化炉气化制 成 的粗煤 气， 在 一氧化碳变换工序 中经过 两 段钴钼系耐硫催化剂床层 进一步提高 H2 含量，冷却后的变换气进入低温甲醇洗工序除去变换气中 CO2、 H2S，除去 CO2、 H2S的合成气再进入液氮洗工序 ，脱除 CO 的同时将 N2和 H2配比成适当的比例经合成气压缩机提压后送入托普索 100 型合成塔进行氨合成。在 2004 年我公司将托普索 100 型合成塔技术改造为卡萨利 300 型轴径向型北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 6 - 合成塔，在 2005 年我公司又进行

10、了扩产改造，在原基础上增加部分设备使装置生产能力提高到年产合成氨 45 万吨。 中国是世界上少有的以煤为原料进行合成氨和甲醇生产的国家。众所周知，煤化工与石油化工、天然气化工比较，具有先天不足。主要表现在：工艺流程长，技术复杂；产品较单一，产业链较短；废物排放多，环保问题突出；装置投资高，经济效益较差。但是，随着煤化工技术的发展和国际石 油形势的日趋紧张，发展煤化工是必然的选择，煤化工产业已成为中国国民经济持续发展的重要保障。山西是煤炭大省，煤种齐全，为发展煤化工提供了得天独厚的资源条件。山西是我国重要的煤化工基地，煤化工以焦化、气化和乙炔化工为主，代表企业有天脊、三维、山焦、太化、丰喜、兰花

11、等。天脊煤化工集团有限公司前身为山西化肥厂，属中国“六五”重点建设工程，是 20 世纪 80 年代初成套引进德国、日本、法国、挪威等八个国家的十一项专利技术建成的大型高效复合肥生产基地，充分发挥了山西的煤炭资源优势，弥补了中国复合肥的不足，是山西省有代表性的煤化工企业。经过 80 年代建设、 90 年代完善改造和近几年快速发展，天脊目前已形成了年产合成氨 81 万吨、硝酸 81 万吨、硝酸磷肥 90 万吨、尿素 60万吨、多孔硝铵 20 万吨、水泥 30万吨、塑料编织袋 7500 万条的生产能力。 北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 7 - 第二章 设计说明 第 2 1 节 设计目的 本设

12、计为年产三十万吨合成氨装置中的一氧化碳变换工序，目的是为了提高从造气工序生产出的粗煤气中的氢含量，降低其中的一氧化碳含量。 第 2 2 节 工艺原理 一氧化碳和水蒸气在催化剂的作用下反应生成二氧化碳和氢气。其反应式： CO+H 2O CO2 +H2+410894kJ/kmol 称做水煤气变换反应，简称变换反应。 变换反应为放热等分子可逆反应。因此降低反应温度和增加蒸汽用量都可降低变换气中 CO 的平衡浓度，若温度高，蒸汽量少，将不利于变化反应甚至还可能发生逆变换反应过程。在要求变换气中 CO浓度一定的条件下，降低反应温度是降低蒸汽用量的必要手段。在不能降低反应温度条件下，片面追求降低 CO浓度

13、，将会造成极大的蒸汽浪费。 第 2 3 节 工艺条件对 CO 含量的影响 除催化剂、反应热以外，对一氧化碳变换反应产生影响的还有反应温度、水蒸气、 CO2、 压力等工艺条件。 2.3.1 反应温度的影响 由化学反应平衡移动原理可知，反应温度越低，越有利于 CO 的变换，但工业生产中，降低反应温度和催化剂的性能综合考虑，反应开始时为提高反应速度一般在比较高温度下进行，在反应后段，为使反应进行比较完全，必须降低反应温度。通常情况下，反应器入口温度要高出催化剂起活温度 20-30。另外由于煤气被水蒸气饱和，出口温度还要高出露点温度25-30。 2.3.2 水蒸气含量的影响 北京化工大学毕业设计（论文

14、）专用纸 - 8 - 适度增加水蒸气的含量，也就提高了反应物浓度，有利于变换反应的进行，鲁奇炉产生的高水汽比煤气含有的水蒸气 ，足以满足反应的需要。 2.3.3 CO2含量的影响 如果在每次反应后除去 CO2，则反应向生成 H2的方向移动，但是这样会导致流程复杂，设备增多。随着宽温耐硫变换催化剂的研制成功和推广应用，解决了这一问题。 2.3.4 压力的影响 从理论上讲，压力对变换反应无多大影响，因为变换反应是气体等分子反应。但是实际生产中，由于高汽气比的水煤气含大量的水蒸气，压力升高，水蒸气分压随着升高，各段入口变换气露点随之升高，为保护催化剂，势必各段的温度也要提高，出口温度提高， CO 的

15、含量就不能保证，因此压力对变换反应的影响不可小视 。 第 2 4 节 上下流程配置 从气化工序来的粗煤气，绝对压力 2.94MPa，冷却到被蒸汽饱和的181后进入本变换工序，经过一氧化碳变换后进入低温甲醇洗脱硫脱碳和液氮洗脱除一氧化碳、甲烷。 第 2 5 节 催化剂的选择 一氧化碳变换反应催化剂的选用，主要根据合成氨生产工艺要求来确定，主要依据为原料气和变换气中一氧化碳和二氧化碳的含量、原料气中硫化氢和有机硫化物的含量以及原料气最终精制工艺的要求。本合成氨装置采用低温甲醇洗 -65 脱硫脱碳以及液氮洗脱除一氧化碳、甲烷，和甲烷蒸汽转化的工艺路线。变换入口粗煤 气中一氧化碳和二氧化碳的含量较高，

16、硫化氢干基含量达 0.77。 铁铬系高变催化剂虽然对工艺气中低浓度的硫化物不敏感，但是硫化物浓度太高，高于 50010 -6，则催化剂会产生硫中毒（硫中毒反应Fe3O4+3H2S=3FeS+4H2O），生成的 FeS 在水蒸气和高温的作用下，又会发生分解而放出 H2S，从这个意义上说，高变催化剂硫中毒是可逆的，当原料气中北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 9 - 的硫含量降到很低时，催化剂的中毒现象可基本消失，但是 FeS 的生成和分解，使催化剂的强度下降，因此当原料气中硫含量较高时，不宜选用。而硫和氯就是传统的低变催化剂最主要 的毒物，可使低变催化剂发生永久性中毒，硫可与催化剂的活性金属

17、铜发生反应而生成硫化铜，使催化剂的有效成分减少，活性下降。据介绍，低变催化剂中的硫含量只要达到 0.25，其活性将下降一半，原料气中硫含量即使只有 110 -6，也会使催化剂中毒而失去活性，大大缩短使用寿命。因此，本变换系统不能选用铁铬系变换催化剂和铜系催化剂，须选用钴钼系宽温耐硫变换催化剂。 钴钼系宽温耐变换催化剂与铁铬系变换催化剂相比具有以下优异特点： 1、良好的低温变换活性，操作温度可比铁铬系变换催化剂低 100以上， 2、很宽的活性温区，但作为宽 温变换催化剂的使用是有条件的，需要存在一定的硫化氢浓度，操作温度越高，汽气比越大，要求的最低硫化氢含量也就相应提高， 3、突出的耐硫和抗毒性

18、能，活性成分以硫化物形式存在，因此对硫化氢浓度上限无要求，同时少量的毒物对其活性基本没有影响， 4、可再生，失活后可通过蒸汽或空气处理，然后进行硫化使其活性恢复， 5、强度高，载体通常为 -Al2O3或 MgAl2O4，硫化后强度可提高 3050， 6、选择性好，无论是高压或低压，高温或低温，在变换工艺条件下基本不发生副反应， 7、使用寿命与工艺条件有关，一般 3 5a，如条件缓和会更长。 8、能够将有机硫降解为无机硫，从而使硫化物从工艺系统脱除后便于回收利用。 本合成氨流程低温甲醇洗脱硫脱碳工序放到了变换工序之后决定了在变换炉中必须采用耐硫催化剂，并且按热量能级顺序首先进行变换反应，然后 再

19、 进行低温甲醇洗，降低了合成系统的能耗。 根据以上原则和钴钼系宽温耐变换催化剂的特点以及后序的净化流程，在本设计中采用齐鲁石化研究院生产的 QCS-04 耐硫变换催化剂。 第 2 6 节 热 量 回收 变换反应是一个强放热反应，大量余热的利用对吨氨能耗有很大的影北京化工大学毕业设计（论文）专用纸 - 10 - 响，做好变换装置的热回收设计对工厂的经济意义重大 。同时，段间热量的及时移出有利于反应的进行。变换热利用的合理性，不仅体现在热能的充分回收上，还表现在热能尽可能不降级使用，即较高温度（较高能级）的热能加热高温物料或直接生产蒸汽，低温余热用于加热低温物料，使能级不同的变换热能做到物尽其用，

20、获得最大的回收效益。 第三章 设计计算 第 3 1 节 已知条件与要求 已知条件：从造气工序来的粗煤气，绝对压力 2.94MPa,被冷却到被蒸汽饱和的 181后，进入本工序。总湿气量为 164000 hNm/3 。 粗煤气（干基）的主要成分（ 体积）： 组成 N2 CO CH4 CO2 H2 合计 含量 2.35 22.78 8.54 26.75 39.59 100 要求：出变换工序的 CO 含量要达到 3（干基），因为后工序要进行的甲烷蒸汽转化反应是吸热反应，用这部分未被变换的 CO作为燃料气来为甲烷蒸汽转化反应提供热量，所以不能把 CO 全部变换掉。 第 3 2 节 核算 核算：从造气工序来的粗煤气中的水蒸汽对变换反应是否充足。 查 181时的饱和水蒸气压 PS=1.0254 MPa 则： 5 3 5 6.00 2 5 4.194.2 0 2 5 4.1 sspp p而干气中 CO的百分含量是 22.78， 35.22 2 7 8.0 5 3 5 6.02 COOH 因为变换反应中 CO 和 H2O（ g）之比为 1： 1，所以在 181、 2.94MPa 下被水蒸汽饱和的粗煤气进行变换反应，其中的水蒸汽已经足够了，不用再补加水蒸汽。