年产1万吨合成氨—饱和热水塔的初步设计.doc
- 文档编号:341010
- 上传时间:2023-04-29
- 格式:DOC
- 页数:27
- 大小:667.50KB
年产1万吨合成氨—饱和热水塔的初步设计.doc
《年产1万吨合成氨—饱和热水塔的初步设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《年产1万吨合成氨—饱和热水塔的初步设计.doc(27页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
毕业设计(论文)
课题名称年产1万吨合成氨—饱和热水塔的初步设计
学生姓名郭安
学号0740920009
系、年级专业生物与化学工程系07级化学工程与工艺
指导教师邓新华
职称副教授
年月日
年产1万吨合成氨—饱和热水塔的初步设计
邵阳学院生物与化学工程系07级化学工程与工艺郭安
摘要
合成氨生产过程中,饱和热水塔是回收变换系统热量的关键设备,对降低蒸汽消耗起着重大的作用。
热水塔变换气进气温度为107℃,出气温度为99.6℃。
变换气在热水塔中将热量传递给热水,将热水塔里的水加热到99.3℃左右,热水塔的水通过泵送到加热器加热,被加热的水在饱和塔中再将热量传递给半水煤气。
半水煤气在饱和塔中与热水逆流接触,同时进行热量和质量的传递,使半水煤气的含湿量不断提高。
使脱硫塔出来的半水煤气从35℃上升到113℃,最后半水煤气送到变换器。
出塔半水煤气温度越高,则其夹带的水蒸汽量愈多,也就是回收的蒸汽量愈多,可以节省补充蒸汽量。
不论用何种塔型,目标是使进饱和塔的热水与出塔的半水煤气之间温差和阻力都要小,按照小氮肥工艺设计要求温差为3~8℃。
关键词:
合成氨;饱和热水塔;半水煤气,
Aabstract
Intheprocessofammoniaproduction,saturatedhotwatertoweristhekeyequipmenttorecycletransformationsystemheatandplaysasignificantroleinreducingsteamconsumption.Theinlettemperatureofhotwatertowershiftgasis107°c,andtheouttemperatureis99.6℃.Transformgasinhotwatertowerwillheattransfertohotwater,heatingwaterto99.3℃orso.Hotwatertowerofwaterthroughthepumptoheaterheating,Theheatedwaterinsaturatedtowerwillbeheattransfertothedawsomgasagain.thedawsomgasagainwillcontactwithrefluenthotwaterinsaturatedtower,withtheheatandqualityoftransmissionatthesametime,Tohenhancethemoisturecontentofthedawsomgasconstantly.Tomakethetemperatureofdawsomgascomingfromthedesulfurizationtowerfrom35℃riseto113℃,thedawsomgasgoestoconverteratLast.thehighertemperatureofthedawsomgasthemorequantityofsteamwater,alsoisthemorequantityofsteamwaterrecycling,anditcansavethequantityofaddedsteamwater.Nomatterusingwhatkindoftower,TheGoalistomakethehotwaterintothesaturatedtowerandoutofdawsomgas'temperatureandresistancearesmall.Accordingtothesmallnitrogenousfertilizerprocessesthedesignrequirementstemperatureis3~8℃.
Keyword:
Syntheticammonia;saturatedhotwatertower;dawsomgas
21
目录
中文摘要.............................................Ⅰ
英文摘要.............................................Ⅱ
前言.............................................1
氨的性质............................................2
氨的用途............................................2
合成氨的原料............................................2
合成氨的意义............................................3
工艺原理............................................3
工艺条件选择............................................3
工艺流程确定工艺流程选择...............................5
工艺流程............................................5
1饱和热水塔的物料及热量横算.............................6
1.1饱和塔的物料及热量横算..............................6
1.1.1饱和塔物料衡算..................................6
1.1.2饱和塔热量横算..................................7
1.2热水塔物料及热量横算................................8
1.2.1热水塔物料衡算..................................8
1.2.2热水塔热量横算..................................9
1.2.3进饱和塔水温核算...............................10
2饱和热水塔设备尺寸计算................................11
2.1饱和塔设备计算..................................11
2.1.1饱和塔塔径..................................11
2.1.2理论塔板数..................................13
2.1.3实际塔板数计算................................14
2.1.4填料塔高度计算...............................14
2.2热水塔设备计算..................................15
2.2.1热水塔塔径.................................15
2.2.2理论塔板数 .................................17
2.2.3操作线计算..................................17
参考资料............................................19
总结............................................20
致谢............................................21
前言
氨是一种重要的化工产品,主要用于化学肥料的生产。
合成氨生产经过多年的发展,现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。
合成氨的生产主要分为:
原料气的制取;原料气的净化与合成。
粗原料气中常含有大量的C,由于CO是合成氨催化剂的毒物,所以必须进行净化处理,通常,先经过CO变换反应,使其转化为易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。
因此,CO变换既是原料气的净化过程,又是原料气造气的继续。
最后,少量的CO用液氨洗涤法,或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。
变换工段是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。
在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。
目前,变换工段主要采用中变串低变的工艺流程,这是从80年代中期发展起来的。
所谓中变串低变流程,就是在B107等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-Mo系宽温变换催化剂。
在中变串低变流程中,由于宽变催化剂的串入,操作条件发生了较大的变化。
一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低;另一方面变换气中的CO含量也大幅度降低。
由于中变后串了宽变催化剂,使操作系统的操作弹性大大增加,使变换系统便于操作,也大幅度降低了能耗。
氨的性质
合成氨别名:
氨气;
分子式 :
NH3;
英文名 :
syntheticammonia;
世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产物外,绝大部分是合成氨,氨在常温、常压下为无色气体,比空气轻,具有特殊的刺激性臭味,较易液化。
当压力为25℃、压力为1MPa时,气态氨可液化为无色的液氨。
氨气易溶于水,溶解时放出大量的热。
液氨或干燥的氨气对大部分物质不腐蚀,在有水存在时,对铜、银、锌等金属有腐蚀。
氨是一种可燃性气体,自燃点为630℃,故一般较难点燃。
氨的用途
合成氨主要用作化肥、冷却剂和化工原料。
合成氨的原料
合成氨生产常用的原料包括:
焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油。
合成氨生产,首先必须制取含氢和氮的原料气。
氮气来源于空气,可以在低温下将空气液化,分离而得;也可以在制氢过程中加入空气,直接利用空气中的氮。
合成氨生产大多采用一种方式提供氨。
氢气的主要来源是水和碳氢化合物中的氢元素,以及含氢的工业气体。
不论以固体、液体或气体为原料,所得到的合成氨原料气中均含有一氧化碳。
一氧化碳的清除一般分为两次。
大部分一氧化碳先通过变换反应,即在催化剂存在的条件下一氧化碳与水蒸气作用生成氢气和二氧化碳。
通过变换反应,既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳,同时又可制得与反应了的一氧化碳相等摩尔的氢,而所消耗的只是廉价的水蒸气。
因此一氧化碳的变换既是原料气的净化过程,又是原料气制造的继续。
最后,残余的一氧化碳的变换在通过铜氨液洗涤法、液氨洗涤法或甲烷化法等方法加以清除。
合成氨的意义
氨是重要的无机化工产品之一,在国民经济中占有重要地位。
除液氨可直接作为肥料外,农业上使用的氮肥,例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥,都是以氨为原料的。
合成氨是大宗化工产品之一,世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上,其中约有80%的氨用来生产化学肥料,20%作为其它化工产品的原料。
德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法,即“循环法”,这是目前工业普遍采用的直接合成法。
反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题,将氨产品从合成反应后的气体中分离出来,未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。
合成氨反应式如下:
N2+3H2=2NH3
合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。
经过近百年的发展,合成氨技术趋于成熟,形成了一大批各有特色的工艺流程,但都是由三个基本部分组成,即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。
工艺原理:
一氧化碳变换原理
一氧化碳变换反应式为:
CO+H2O=CO2+H2+Q(1-1)
CO+H2=C+H2O(1-2)
其中反应
(1)是主反应,反应
(2)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(1—1)具有良好选择性催化剂,进而抑制其它副反应的发生。
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。
变换过程中还包括下列反应式:
H2+O2=H2O+Q
工艺条件
1.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。
一般小型氨厂操作压力为0.7-1.2MPa,中型氨厂为1.2~1.8Mpa。
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1.7MPa.
1.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=
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。
2.汽气比:
水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比例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,蒸汽比例如果过高,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。
工艺流程确定工艺流程选择
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。
本设计选用中串低工艺。
转化气从转化炉进入废热锅炉,在废热锅炉中变换气从920℃降到330℃,在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间,以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。
再通过换热器将转换气的温度降到180℃左右,进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到0.3%以下,再进入甲烷化工段。
工艺流程示意图
1饱和热水塔物料及热量横算
1.1饱和塔物料及热量横算
已知条件
温度
进塔半水煤气温度35℃
出塔半水煤气温度113℃
进塔热水热水温度116.1℃
压力
进饱和气体压力0.883MPa
物料量
进塔干半水煤气气量3123.99m³(标)=139.465kmol
进塔半水煤气中蒸汽量
入塔湿半水煤气组成
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
H2O
合计
%
8
29.29
39.05
21.36
1.27
0.388
0.64
100
m³(标)
250.00
915.02
1219.93
667.29
3967.0
10.56
1999.37
3124.02
Kmol
11.16
40.85
54.46
29.79
1.77
0.47
0.89
139.465
出塔半水煤气量同入半水煤气量
1.1.1饱和塔物料衡算
设入塔水量22000kg=1222.222kmol
出塔湿气量
取饱和塔出口气中蒸汽的饱和度93%,113℃的饱和蒸汽压
出饱和塔煤气中带出的蒸汽量
出塔湿气体组成
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
H2O
合计
%
6.72
24.47
32.52
17.89
1.07
0.33
16.90
100
m³(标)
252.62
919.87
1222.5
672.52
40.22
12.4
635.30
3759.06
Kmol
11.28
41.07
54.58
30.02
1.79
0.55
28.36
167.82
1.1.2饱和塔热量横算
入热
气体带入热Q1
35℃干半水煤气比热容
干半水煤气带入热
蒸汽带入热
水带入热
合计
出热
气体带出热
113℃时干气比热容
出塔干气带入热
出塔蒸汽带出热
塔底排出水带出热
塔底排出水量
设排水热焓为H
热损失
合计
热平衡
查表得出塔水温
1.2热水塔物料及热量计算
已知
气体出塔压力0.824MPa(绝)
温度
气体入口温度107℃
气体出口温度99.6℃
物料量
入塔干气量178.18kmol
入塔蒸汽量25.78kmol
1.2.1热水塔物料计算
塔内蒸汽冷凝量
设气体出热水塔温度为99.6℃,在99.6℃时的蒸汽压力变换气带出蒸汽量
塔内蒸汽冷凝量
塔顶进水量
设饱和热水塔的排污由饱和塔底排出,排污量为总循环量的0.5%,则排污量为
塔顶进水量
外界向系统补水
1.2.2热水塔热量横算
入热
气体带入热
在进气温度107℃时,干气比热容
干气带入热
蒸汽带入热
塔顶热水带入热
补充水带入热
设补充水温度61℃,水的焓为
合计10817477kJ
出热
气体带出热
干变换气99.6℃时的比热容为31.6kJ(kmol`℃),蒸汽的焓i为639.2kcalkg=2676kJkg
干气带出热
蒸汽带出热
热水带出热
设出热水塔热水的焓为
热损失
设
合计
热平衡
即热水塔排水温度为99.3℃。
1.2.3进饱和塔水温核算
调温水加热器供热663173kJ
水加热器供热894643kJ
水吸收热
进塔热水的焓
与所设的饱和塔热水进口温度一致。
2饱和热水塔设备计算
2.1饱和塔计算
已知条件
塔型;填料塔,采用50瓷矩鞍环
半水煤气组成
组分
CO2
CO
H2
N2
CH4
O2
%
8.090
29.444
39.261
21.533
1.282
0.390
平均操作压力0.88MPa
气体出塔温度113℃
进水温度116.1℃
出水温度98.6℃
进塔干气流量3123.99m³(标)/h
干半水煤气平均分子质量18.95
进塔干气质量流量
进塔气体湿含量
出塔气体湿含量
进塔水流量91674kg/h
出口热水流量
2.1.1饱和塔塔径计算
由于塔出口温度最高,湿含量最大,计算塔径时以塔顶条件进行计算。
要求填料阻力<0.147kPa。
空塔速度计算对于拉西环填料计算比较合适,但对矩鞍环由于目前对其特性研究尚不完全,固用第八章中(第一版)通用关联图8-2-27计算饱和塔的泛点速度。
图的横坐标为
图的纵坐标为
式中——液体流量,kg/h;
——气体流量,kg/h;
——液体密度,kg/m³;
——气体密度,kg/m³;
——空塔速度,m/s;
——重力加速度,9.81m/s2;;
——液体粘度,mPa.s
——填料因子,
——液体校正系数,即水的重度与液体重度之比,
各数据如下;
操作状态下出塔气体体积
水的粘度
水在116.1℃,
5c瓷矩鞍环
则
由图查得
塔径计算
为了与热水塔直径一致取塔径为1.8(见热水塔计算)。
2.1.2理论塔板数计算
(a)平衡曲线计算见《小合成氨厂工艺技术与设计手册(上册)》第760页
(b)操作线计算
进塔气体的焓35℃时干半水煤气比热容为0.370kcal/(kg.℃)
35℃时蒸汽压及蒸汽的焓分别为
出塔水温
出塔气体的焓,气体在113℃的蒸汽分压及蒸汽的焓分别为
干半水煤气在113℃时的比热容
进水温度
以为一点(A)为另一点(B),联接两点的直线即为饱和塔操作线。
2.1.3实际塔板数计算
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 年产 合成氨 饱和 水塔 初步设计