氨制造過程中CO轉換成CO2變換爐設備設計TOC\o"1-3"\h\u3637摘要 摘要變換工序是氨制造的主要的環(huán)節(jié)，是把CO轉換成CO2，。由天然氣制成的原料氣體含有一氧化碳氣體，不可用來生產合成氨，而CO對催化劑有不利的危害，因此需要變換工段除去CO。本設計說明書先分析工段的工藝路線；然后按照要求對變換爐等設備進行物料等計算；最后對計算設備的結構以及設備選型的說明等。關鍵詞：一氧化碳變換變換反應工藝設計第一章概述氨是一種可用于制造化肥的重要化學產品?，F(xiàn)在相關氨生產技術已經成熟，有相關的技術流程。其反應物有CO，但是CO對催化劑有毒，需要對原料氣進行精制。通常，精制是通過變換反應將CO反應轉換成CO2和H2。因此，CO變換反應既精制原料氣，又能生產原料。最后，通過液態(tài)氨清洗或低溫位移串聯(lián)甲烷化去除少量的CO。變換反應主要是除去其中的CO雜志，消耗通入的H2O，轉換生成CO2和H2。這個過程是合成氨制造的第一步，在氨合成中有重要的作用。1.1目的和意義氨是一類無機化學品，在國家經濟中起著重要作用。隨著人口增多，糧食需求增多，氨需求也增加。在化學工業(yè)中，合成氨產業(yè)是重要的支柱產業(yè)，大部分氨都用來生產化肥，少部分作為原料生產其余物質。變換反應主要是除去其中的CO雜紙，消耗部分H2O，轉換生成CO2和H2。其中CO會污染催化劑，因此需要消除CO。變換反應如下：。此過程顯示進行高溫變換，消耗除去大部分CO。然后再進行低溫變換，繼續(xù)消耗CO雜志，直到含量減少到大約為0.3%。因此，此工段生成的H2可作為原料回收使用，有又CO2生成，為后續(xù)工藝所用。變換工段技術運用的是30多年前就發(fā)明的中變串低變其方法。中變串低變主要使用兩種類別催化劑，在使用一類鐵-鉻催化劑，還需要使用了另外一種Co-Mo寬溫催化劑。在此過程中，因為使用了寬溫催化劑，會造成反應環(huán)境的改變。另一方面，隨著爐中蒸汽比減少，而變化氣中CO也會隨之減少。通過催化劑的作用，反應更容易操作，能量消耗也大幅降低。1.2氨業(yè)分析1.2.1我國狀況中國氨量飛躍到世界第一，擁有焦炭，無煙炭，焦爐煤氣，天然氣等多種原料生產技術。目前，以形成了使用多種不同的原料，大型、小規(guī)模等不同規(guī)模生產氨的格局。目前，我國的每年產合成氨4.5億噸，總生產量基本符合國內需求。1.2.2重心方向以后重心在“降低成本，提高經濟”上。此外，不同規(guī)模、結構優(yōu)化、節(jié)能和更多產品等將進一步得到研究開發(fā)。今后，低成本、環(huán)境友好性、高經濟將成為氨工藝發(fā)展方向。單一串聯(lián)氨成套設備的生產能力成倍增加，以后會調整不同原料，減少油和煤作為原料的消耗。在低能量消耗氨廠的技術開發(fā)過程中，進一步開發(fā)工藝技術的實現(xiàn)環(huán)保清潔生產是未來氨廠不可避免的最優(yōu)選擇。在今后生產過程中，更加安全、污染小的技術將會投入生產，減少污染。包括工藝優(yōu)化技術和高度控制技術在內的技術將被重視，這些技術有助于“提高生產率和擴大工廠運轉周期”。1.3工程選取1.3.1反應原理CO反應式為：(1-1)(1-2)在化工廠中，為創(chuàng)造更多經濟效益，會選擇使用觸媒，獲得大量產物。有些選擇性觸媒，能提高(1-1)的反應速度，抑制(1-2)的速度。1.3.2影響條件(1)壓力：對于平衡來講，加壓不好的。但是，先壓縮后變換步驟需要的資源低于常壓變換后壓縮的過程。本設計壓力為。(2)溫度：CO平衡含量的增加和反動力的減少對反應速度不利。因此，存在最佳的反應溫度，計算公式是:(1-3)(3)汽氣比可以通過更改汽其比來控制反應。水蒸氣量的增加可以改善CO的平衡轉換速度，有助減少CO的余量，促進變換反應。過多水汽會導致催化劑中Fe3O4不會被還原，導致影響副反應的發(fā)生。但是，變換過程中蒸汽的用量決定消費指標，減少蒸汽用量可以產生更大的經濟效益。1.3.3流程決定一般反應氣中CO的量比較多時，首先用中變反應來盡可能多消耗CO。當CO含量高于15%時，考慮分段，有必要在不同段間冷卻，并盡可能接近溫度運行。只要氣體中CO的量約3%，但是只有一種方式可用——中變。如需要CO的量低于0.3%時，則需要兩種工藝共同作用的方式，以此可以采取中變、低變串聯(lián)的方法。目前有四種變換工藝：中變、中低、全低、中低低。在飽和塔中，加熱半煤水氣，在飽和塔的出口處再加入蒸汽，使蒸汽比在3~5之間，控制變換時氣體中CO含量在3%以下。然后，通過轉換氣體的溫度降低到約180℃的℃熱交換器，轉換氣體中的一氧化碳含量在進入變換爐爐后減少到小于0.3%，然后進入脫炭工藝。1.3.4主要設備的選擇說明此變換工段設計，需要的主要裝置有變換爐和換熱器等。工段反應還需要用到觸媒參與反應，其中在變換爐需要選用C6型觸媒，計算得觸媒的大概用量為30m3。但是實際，可能會有偏差，應所需設備需要依據產品生產能力、CO等雜志含量所定。第二章物料與熱量衡算2.1已知條件及計算基準假定開始中變爐中不同原料及雜質的含量如下：表2-1原料初始量假設先產1T產物，所需原料量：因為設計目標42T/N,得日產量：由此可得輸入設備的初始原料量：表2-2初始物料量倘若初始物料的溫度為330℃，如果流入與流出設備的物料溫差為35℃，則可以假設從設備中出來的物料溫度：。工作壓力。2.2中變爐相關計算2.2.1汽氣比取故，算出物料濕成分：表2-3濕組成2.2.2CO變換率若濕成分物種的量100mol，一氧化炭濕基為12.56%，原料中CO成分1.98％，反應式：，變換率計算：（2-1）所以：則反應掉的CO的量為：則反應后成分的量：在設備反應后平衡常數(shù)：查文獻[1]可知Kp=10時，t=411℃，中變換溫差為：31℃~51℃溫距為411℃－372℃＝39℃所以計算結果合理，故假設的汽氣比可取。2.2.3中變爐觸媒計算查文獻[1]，得下面公式：（2-2）（2-3）2-4）（2-5）（2-6）得結果列于下表：表2-4中變觸媒的轉化率2.2.4最佳溫度求取用下式，求適宜溫度：（2-7）所用觸媒活化能：。帶入上式，求出合適溫度：表2-5觸媒在各個轉換率的最佳溫度2.2.5中變爐一段觸媒區(qū)計算（1）離開此段的原料的成分如果CO在一段觸媒區(qū)域反應率為60％倘若O2和氫氣之間發(fā)生反應，并且氧氣完全參與反應，不在剩余由此可以算得在觸媒區(qū)域消耗掉的CO的量：在觸媒區(qū)域輸出后的CO的量：在離開觸媒區(qū)域后還有的H2的量：在離開觸媒區(qū)域后還有CO2的量：在離開觸媒區(qū)域后干物質的體積：因此，在觸媒區(qū)域反應后干物質中CO的量：同理得：得到反應后離開一段觸媒的物料成份：表2-6離開一段觸媒的物料成份H2O余量：故離開一段觸媒區(qū)域的物料濕份體積：可以得到離開一段觸媒區(qū)域的物料濕份：表2-7離開一段觸媒區(qū)域的物料濕份（2）出此段物料溫度進而求出則離開溫度為：450℃-34℃=415℃（3）一段催化床層的熱量衡算已知條件：輸入一段物料溫度：330℃離開一段物料溫度：415℃表2-8生成焓（2-8）（2-8）放熱Q1（2-9）（2-9）放熱Q2總放熱：熱容公式：（2-10）求取物料熱容見下表：表2-9物質熱容平均熱容：吸熱:熱損失2.2.6中變爐二段觸媒區(qū)計算（1）物料計算：CO改變量：二段觸媒區(qū)反應的CO的量：離開二段觸媒區(qū)域的CO的量：在二段觸媒區(qū)域后還有的CO2的量：在二段觸媒區(qū)域還有的H2的量為：在二段觸媒區(qū)域反應后的總量：算出其余物料，列于下表表2-10離開二段觸媒區(qū)的物料二段觸媒區(qū)還有的H2O的量：在二段觸媒區(qū)后總量：所以出中變爐的濕組分：表2-11離開二段觸媒區(qū)的濕氣量（2）離開觸媒區(qū)物料溫度計算：根據：，由此推斷出溫度：假定溫差為40℃，則離開中一段觸媒區(qū)的物料溫度為：（2）熱量計算：已知：物料生成焓。 表2-12物料生成焓熱：用公式（2-10）算物料的熱熔，結果在下表表2-13物料熱容熱損失2.3低變爐計算進低變爐的濕組分：表2-14輸入低變爐物料2.3.1物料計算CO的變換率為：CO消耗量：剩下CO量：輸出H2量：輸出H2O量：輸出CO2量：干物料的量：離開低變觸媒區(qū)的CO的量：其余物質量：離開低變觸媒區(qū)的濕物料：2.3.2出低變爐的物料溫度：根據：，此溫度離開的物料溫度：2.3.3熱量計算查文獻[1]，知物料焓：表2-15物料生成焓用（2-10）求出物料熱容：表2-16物料熱容熱損失：2.3.4觸媒轉化率計算式：（2-11）（2-12）（2-13）（2-14）（2-15）計算結果見下表：表2-17觸媒轉化率2.3.5最佳溫度計算觸媒活化能:CO活化能：即：，CO的反應式為：由文獻[1]知反應熱：得：由算最佳溫度，得：表2-18最適宜溫度2.4主換熱器計算輸入設備物料溫度：混合前熱量：混合后熱量：輸入設備物料溫度：（3）離開設備物料溫度：原料氣入熱半水煤氣入熱原料氣出熱半水煤氣出熱離開設備物料溫度：表2-19總結2.5中間變換器物料與熱量衡算原料氣入熱半水煤氣入熱原料氣出熱半水煤氣出熱離開設備物料溫度：表2-20總結第三章設備的計算3.1中變爐計算3.1.1觸媒量計算查文獻[2]知：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）3.1.2一段觸媒用量計算基準：59.8T/h物料平均溫度為：369℃在369℃時，取反應速率常數(shù)k1=9320得流量得到相關濕物料量：表3-1輸入第一段床濕物料量一段反應后CO量：n=12.6％-4.7％=7.9％在369℃時，查文獻[1]得則：3.1.3第二段床層觸媒用量物料平均溫度：372℃取反應速率常數(shù)：流量表3-2二段物料表離開中變爐二段CO體積：n=4.7%-1.9%=2.6%求出：觸媒體積:催化劑重量：m=29.9×1.38=39.6T物料反應量：空速：3.1.4觸媒直徑的計算（1）觸媒直徑公式:（3-7）則:（2）中變一段阻力降:物料溫度：369℃物料壓力:1699KPa物料量：物料重度：物料流量G：觸媒區(qū)厚度:阻力降:（3）中變二段觸媒區(qū)阻力降:物料溫度370℃物料量:物料重度:物料流量G：觸媒區(qū)厚度:阻力降:觸媒總阻降：得觸媒區(qū)長度2.3m。3.1.5中變爐管徑計算（1）輸入管道直徑輸入管道直徑可取435mm,管壁厚度1cm。（2）輸出管道直徑輸出管道直徑可取445mm,管壁厚度1cm。3.2主換熱器的計算3.2.1傳熱面積的計算物料輸入溫度：147℃物料離開溫度：199℃?zhèn)鳠幔浩骄鶞夭睿簜鳠崦娣e：3.2.2設備直徑直徑公式：（3-8）得設備直徑選用Ф1.8m，外徑為Ф2m[5]3.2.3傳熱系數(shù)的驗算傳熱式：（3-9）（3-10）（3-11）（3-12）求出：得：3.2.4殼側對流傳熱系數(shù)計算查文獻[7]計算得下列數(shù)據：傳熱系數(shù)：3.2.5傳熱系數(shù)核算由公式：（3-13）求出3.2.6傳熱面積計算傳熱量：傳熱面積：第四章車間設備布置設計4.1車間布置設計的原則4.1.1車間設備布置的原則工廠裝置的布置是根據加工的產品的生產工藝流程，按照制造工序進行的順序并結合其他相關因素，按照特定順序把設備在特定廠區(qū)布置。同時，車間設備布置也需要注意內容如下：(1)要滿足產品生產的要求，同時達到相關設備維修的要求。(2)合理安排車間設備所占土地面積，設備密度不能過于擁擠。(3)要為車間工廠要控制能耗，節(jié)約資源，創(chuàng)造最大經濟效益。(4)考慮車間與生產線、管道的連接、運輸。(5)要考慮以后車間生產規(guī)模改變的要求。(6)車間設施要符合相關要求，對危險意外情況：火災，爆炸和有毒氣體泄漏等的處理要符合中國安全規(guī)定，達到安全可靠。(7)考慮廠區(qū)的所處環(huán)境條件。(8)人流物流分開。4.1.2車間設備平立面布置的原則車間設備的規(guī)劃要與全廠發(fā)展相呼應，車間設計應滿足設備安裝的總體設計要求?？傮w來說，要做到設計有序、緊湊、美觀和統(tǒng)一的要求。從生產需求來看，最大的生產需求量包括設備維修，包括生產需求，必須滿足方案要求。方便設備的生產、管理、運輸、安裝、維護，能全面、準確地解決防火、防災等危險問題。一般來說，車間建筑有單層、多層和單多共用的情況。單層建筑花費少；多層廠房占地面積小，但成本高。為以后更新工藝、完善生產流程和更新設備等，一般情況設計為單層高廠房，以適應以后發(fā)展?；S房的高度取決于多方面的要求，往往由設備的高度與安裝位置所決定。一般，每層建筑的空間分為5米、6米，至少4.5米以上，每層樓的高度差不應相差過大。此外，還要考慮到生產過程存在火災，爆炸的危險。這要求需要在安全地區(qū)設立操作臺，同時每個設備附近都要安裝防護措施，對危險設備應標注危險須知和操作規(guī)范，設立緊急事故撤離通道，確保人員的安全[9]。如果發(fā)生爆炸危險，應在其各自樓層確定某些區(qū)域輔助泄爆[8]]。但是，實際車間的建設應按照工藝流程和當?shù)氐乩?、環(huán)境和土壤條件等的要求進行。綜合各方面因素，因地制宜，最后可以作出最后最合適的決定[10]。第五章自動控制5.1主要的控制原理生產過程中有些精度較高的任務，人力無法完成，為完成任務，必須按要求對控制對象和控制裝置進行控制，成為一個整體，這是自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以控制物料的量。系統(tǒng)通過操控裝置來控制產品，但是系統(tǒng)有多種不同的方式來實現(xiàn)這一結果。系統(tǒng)包含一套反饋控制系統(tǒng)來獲取信息，不斷修正誤差，從而保證生產任務的穩(wěn)定。本設計的主要控制原理：(1)重要的裝置設有控制、檢測器，便于維修、檢測設備。(2)設備裝有檢測流量的裝置，方便計算物料。(3)裝置采用控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制生產過程，提高產率。5.2自控水平與控制點一氧化碳變換是合成氨工藝流程中一個重要工段，需要手動和儀器控制系統(tǒng)共同操作?，F(xiàn)擬定14個控制點，其中包5個系統(tǒng)控制點，9個人工控制點。系統(tǒng)控制點分別檢測溫度、壓力和流量，個數(shù)為2、1和2個。壓力控制裝置和溫度檢測裝置放在反應物進入變換爐裝置前，檢測溫度和壓力；流量控制器檢測物料流量。第六章安全和環(huán)境保護眾所周知，大多數(shù)化學產品有一定的危險性，排放物甚至化工品泄漏，都有可能破壞、污染環(huán)境。并且，化工產品生產過程也會存在眾多危險和不確定因素。因此，防止化工廠出現(xiàn)危險因素、產品泄漏、排放不達標，保護環(huán)境是化工廠的一項重要組成部分。6.1三廢產生情況一般工業(yè)生產會產生大量的污染物，大部分是“三廢”，若是未經處理或未達到排放標椎就流入環(huán)境中，可能會污染環(huán)境，這對人類健康有著嚴重的影響，因此，按規(guī)定處理‘三廢’做好廢物處理工作，。7.3通風本工段對環(huán)境溫度沒有特殊需求。但考慮到車間可能含有有毒、有害氣體，為了確保作業(yè)者的正常環(huán)境，需要對車間進行換氣，保持通風，使工作環(huán)境維持適當?shù)臏囟群托l(wèi)生要求。通風有自然通風和需要借助設備的才能進行的機械通風。由于本工段塵埃的擴散度不那么高，對換氣設備沒有太高要求，可采用自然換氣的形式。6.2三廢處理情況變換過程產生的有害物質較少，主要是因為通過儀器中監(jiān)視反應進程，預防意外發(fā)生，防止原料的泄露。處理過程中會有熱量產生，可以回收利用。第七章公用工程公用工程與整個工廠的生產廠區(qū)密切相關，是它們共享的輔助設備裝置的稱呼。在化工廠，公用工廠包括供水和排水設施、電力設施和通風換氣設施等。這些設施的設計，不僅針對所有的整體設計內容，還看項目的規(guī)模。一般來說，不管是水力、電力、通風和儀器是必備的。7.1供水在化工廠有不同的水，分別有不同的用途：（1）工藝用水：這部分的水主要用于輔助反應進程，需要經過特殊處理，例如軟化水等。（2）鍋爐用水：此水需要滿足工業(yè)鍋爐水質標準，并按照指標，擬定處理計劃方案。（3）冷卻用水：對于沒有特殊要求的工藝，普通的水可以直接使用，例如：自來水和湖水等。另一種需要對水進行處理，得到軟水。7.2供電