年产15万吨合成氨工艺本科设计

年产15万吨合成氨工艺本科设计内容摘要：

变换，将 CO 含量降至 ％ 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。 脱碳过程 ： 粗原料气经 CO变换以后，变换气中除 H2 外，还有 CO CO和 CH4 等组分，其中以 CO2 含量最多。 CO2 既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸 氢铵等氮肥的重要原料。 因此变换气中 CO2 的脱除必须兼顾这两方面的要求。 一般采用溶液吸收法脱除 CO2。 根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。 一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法 (Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。 一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化 MDEA 法， MEA 法等。 气体精制过程 :经 CO 变换和 CO2 脱除后的原料气中尚含有少量残余的 CO和 CO2。 为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定 CO 和 CO2 总含量不得大于10cm3/m3(体积分数 )。 因此，原料气在进入合 成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。 目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。 深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻 (100℃ )条件下用液氮吸收分离少量 CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体 100cm3/ m3 以下的 6 氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。 甲烷化法是在催化剂存在下使少量 CO、 CO2 与 H2 反应生成 CH4 和 H2O 的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量 (体积分数 )一般应小于 ％。 甲烷化法可以将气体中碳的氧化物 (CO+CO2)含量脱除到 10cm3/m3 以下，但是需要消耗有效成分 H2，并且增加了惰性气体 CH4 的含量。 甲烷化反应如下： CO+3H2→ CH4+H2O ΔH=； CO2+4H2→ CH4+2H2O ΔH=； (3)氨合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。 氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。 氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10％ ～ 20％ ，故采用未反 应氢氮气循环的流程。 氨合成反应式如下： N2+3H2→ 2NH3 ΔH=； 合成氨变换工序的工艺原理 变换工序是指 CO 与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程 [4]。 在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。 目前，各种方法制取的原料气都含有 CO，其体积分数一般为 12％～ 40％， 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。 变换工段主要利用 CO 变换反应式： CO+H2O→ CO2+H2 ΔH 298=在不同温度下分两步进行，第 一步是中温变换（简称中变）使大部分 CO 转化为 CO2和 H2，第二步是低温变换简称低变，将 CO 含量降到 ％左右。 因此， CO 变换既是原料气制造的继续，又是净化的过程。 一氧化碳变换反应式为： CO + H2O → CO2 + H2 +Q (11) CO + H2 → C + H2O (12) 其中反应（ 11）是主反应，反应（ 12）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（ 11）具有良好选择性催化剂， 进而抑制其它副反应的发生。 有氧存在时，变换过程中还包括下列反应式： H2 + O2 = H2O +Q 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。 每反应1％（体积、湿基）的 CO，可使气体温度升高 11～ 12℃ ，生产上对于变换反应进行的程度常用变换率来表示： 7 变换率 =（ Vco Vco’） /[ Vco（ 100+ Vco’） ]100％ 上式中 Vco—转化气 CO 体积百分数， Vco’—变换气中 CO 体积百分数 从制氢和净化的角度考虑，最终变换率越高越好，如果气体中 CO 含量高，在甲烷化过程中消耗大 量的氢。 一个体积的 CO 需要水消耗三个体积的氢而生成甲烷， CH4在合成氨中是惰性气体，它会降低合成的有效压力，增大驰放气量和冷冻量的消耗，所以要求有较高的变换率 [5]。 一般将低变出口气（ CO）浓度降至 ～ ％左右即可。 工艺条件 综合对反应热力学、动力学及催化剂的讨论并考虑工艺的其它特点，变换过程工艺条件综述如下 ： 压力 压力对变换反应的平衡几乎没有影响。 但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。 单就平衡而言加压并无好处。 但从动力学角度，加压可提高反应速率。 从能量消耗上看，加压 也是有利。 由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。 具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机 投 各段压力的合理配置而定 [6]。 一般小型氨厂操作压力为 ～ ,中型氨厂为 ～ ，以天然气为原料的大型氨厂变换压力由蒸汽转化的压力决定 [7]。 本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取。 温度 变化反应是可逆放热反应。 从反应动力学的角度来看，温度升高， 反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO 平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的。 因而存在着最佳反应温对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为 Tm=1212ln1 EEEERTTee 式中 Tm、 Te—分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。 汽气比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料气（摩尔比） .改变水蒸汽比例 8 是工业变换反应中最主要的调节手段。 增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡变换率，从而有利于降低 CO 残余含量，加速变换反应的进行。 由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分 Fe3O4 的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。 但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，水蒸汽比例过高，将造成催化剂床层阻力增加； CO 停留时间缩短，余热回收设备附和加重等，所以中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：H2O/CO=3～ 5，经反应后，中变气中 H2O/CO 可达 15 以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求 [8]。 工艺流程 确定 工艺流程设计的依据，首先是原料气中 CO 含量。 CO 含量高则采用中（高）温变换。 目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低 4 种工艺。 本设计是以天然气蒸汽转化法制氨， CO 含量是 ％，由于原料气中 CO 含量较低，选用中串低工艺，即中变催化剂只需配置一段。 而后变化气经主换器冷却后进入低变炉。 流程工序简述 由二段转化炉来的转化气，经转化气废热锅炉换热， 在废热锅炉中变换气从 910℃降到 310℃ ，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到 3 到 5 之间， 并且调温至300—370℃ 后进入中温变换炉，转化气中 的 CO 和 H2O 在 350—450℃ 和铁催化剂的作用下，反应生成 CO2 和 H2，使 CO≤3％（干基）以下，在降温至 200—250℃ 后，进入低温变换炉，在此温度和铜催化剂的作用下，进一步进行 CO 的变换反应，是低变出口气体中 CO≤％， 再进入甲烷化工段 [9]。 主要设备的选择说明 中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。 低变炉选用 B302Q 型催化剂。 以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的 CO 浓度。 第二章 物料与热量衡 算 已知条件 天然气成分：原始数据 9 表 中变炉进口干气含量 (基准： 1tNH3/h) 组 分 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 合计 含量 ,％ 100 年工作日 330 天 ,其余数据自定。 中变炉进口干气含量如表 所示 计算 基准： 1 吨氨 计算生产 1 吨氨需要的 变换气量： （ 1000/17） （ 2） = 因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取 Nm3 年产 150000 吨合成氨生产能力（一年连续生产 330 天）： 日生产量： 150000/330=要求出中变炉的变换气干组分中 CO％小于 3％。 进中变炉的变换气干组分： 表 中变炉进口干气体组成 (基准： 1tNH3/h) 组 分 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 合计 含量 ,％ 100 Nm3 kmol 假设进中变炉的变换气温度为 315℃ ，取 变化气 出炉与入炉的温差为 65℃ ，出炉的 变换气温度为 380℃。 进中变炉干气压力 中P =. 中变炉的物料与热量衡算 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 H2O/CO= 故 V（水） = Vco== ， n(水 )= 因此进中变炉的变换气湿组分 表 中变炉入口湿气组成 (基准： 1tNH3/h) 组 分 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 H2O 合计 含量 ,％ 100 Nm3 kmol 10 中变炉 CO 的实际变换率的求取 要求变换气中 CO 含量为 3％，故根据变换反应： CO+H2O＝ H2+CO2， 则 CO 的实际变换率公式 [1]为： Xp％ =  aaaa YY YY  1 100% 式中 aY 、 39。 aY 分别为原料及变换气中 CO 的摩尔分率（干基） Xp=()100/[（ 100+3） ]100%=％ 中变炉的 物料衡算 已知： 进中变炉的变换气湿组分 如表 所示 CO 的实际变换率为 %. 则反应掉的 CO 的量为： %= Nm3= 出中变炉的 CO 的量为： = Nm3= 则反应后出中变炉的各组分的量分别为： H2: += Nm3= CO2: += Nm3= 故出中变炉的变换气干组分的量： V 总（干） =+++++= Nm3 = 故出中变炉的变换气干组分中 CO 的含量： CO％ =（ 247。 ） 100％ =％ 同理得： CO2％ =（ 247。 ） 100％ =％ H2％ =（ 247。 ） 100％ =％ N2％ =（ 247。 ） 100％ =％ Ar％ =（ 247。 ） 100％ =％ 11 CH4％ =（ 247。 ） 100％ =％ 出中变炉的变换气干组分： 表 中变炉出口干气组成 ( 基准： 1tNH3/h) 组 分 CO2 CO H2 N2 Ar CH4 合计 含量 ,％ 100 Nm3。