毕业设计(论文)30万吨合成氨生产装置脱碳甲烷化工序设计.doc
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1、毕业设计(论文)题 目:30万吨合成氨生产装置脱碳甲烷化工序设计系 部: 文理学院化学工程系 专 业: 应用化学 姓 名: 詹仲龙 学 号: 0810105011111 指导教师: 马福勤(教授) 罗桂林 日 期: 2011年5月20 日 摘要氨是重要的基础化工产品之一,在国民经济中占有重要地位。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。设计采用的工艺流程简介:天然气为原料年产30万吨合成氨生产装置脱碳甲烷化设计,其工艺流程为371的原料气进入高变炉,由催化剂催化进行一氧化塔变换反应,出口温度为432,一氧化碳含量为3.0%,通过换热器103-C换热后温度变为336,在进入
2、甲烷化蒸汽换热器104-C,温度变为241,在进入低变炉,低变炉出口温度为254,一氧化碳的含量为0.42985%,然后进入吸收塔脱出二氧化碳,最后进入甲烷化炉,将一氧化碳和二氧化碳转化为甲烷蒸汽,当气体中碳的氧化物(CO2+CO)的含量脱除10cm3/m3(体积分数)以下后去合成工段。本设计综述部分主要阐述了合成氨工业的用途、现状、发展趋势、国内合成氨工业的发展情况以及工艺流程、参数的确定和选择,论述了建厂的选址;介绍了氨变换工序的各种流程并确定本设计高-低变串联的流程。工艺计算部分主要包括转化段和变换段的物料衡算、热量衡算、平衡温距及空速计算。设备计算部分主要是高变炉催化剂用量的具体计算,
3、并根据设计任务做了转化和变换工序带控制点的工艺流程图。本设计的优点在于选择较为良好的厂址和原料路线,确定良好的工艺条件、合理的催化剂和能源综合利用。另外,就是尽量减少设备投资费用。关键字:合成氨;天然气;转化;变换;AbstractAmmonia is one of the important basic chemical products, plays an important role in the national economy.Ammonia production after years of development, has now developed into a mature
4、chemical production process. Design Process Description: natural gas as raw material with an annual output of 300,000 tons of synthetic ammonia production plant decarburization methanation design process for 371 of the feed gas into the highly variable pot, an oxidation tower shift reaction by the c
5、atalyst, the exit temperature432, the carbon monoxide content of 3.0%, the temperature into the heat exchanger of the heat exchanger 103-C 336, the methanation steam heat exchanger 104-C, the temperature becomes 241 in the furnace outlet into the low variant furnace, hypoallergenictemperature of 254
6、, the carbon monoxide content of 0.42985%, and then into the absorber prolapse carbon dioxide, and finally into the methanation furnace, carbon monoxide and carbon dioxide into methane steam, when the content of carbon oxide gas (CO 2 + CO) removal of 10 cm3synthesis Section / m3 (volume fraction).
7、Part of the Design Review described the use of synthetic ammonia industry, the status quo, development trend of domestic ammonia industry development as well as process, the identification and selection of parameters, discusses the siting of factories; ammonia conversion process a variety of process
8、esand determine the design of high - and low variable series flow.Process calculation section includes the conversion segment and transform section of the material balance, heat balance, equilibrium temperature interval and airspeed calculation.Device to calculate some of the major specific calculat
9、ion of the amount of catalyst in a highly variable pot, and process flow diagram for the conversion and transformation processes with control points according to the design task. The advantages of this design is to choose a good site and route of raw materials, to determine the process conditions, a
10、 reasonable catalyst and energy utilization.In addition, to minimize the investment in equipment costs.Keywords: ammonia; natural gas; transformation; transformation;目录摘要IAbstractII目录III第一章 综述- 1 -1.1 氨的性质、用途及现状- 1 -1.1.1氨的性质- 1 -1.1.2用途- 1 -1.1.3合成氨现状- 1 -1.2 合成氨生产技术的发展- 2 -1.2.1世界合成氨技术的发展- 2 -1.2.
11、2中国合成氨工业的发展概况- 5 -1.3合成氨脱碳甲烷化工序的工艺流程- 6 -1.3.1工艺流程- 6 -1.3.2脱碳- 6 -1.3.3甲烷化- 7 -1.3.4.甲烷化反应平衡- 8 -1.3.5甲烷化催化剂- 8 -1.3.6甲烷化反应机理和速率- 9 -1.4 设计方案的确定- 11 -1.4.1 原料的选择- 11 -1.4.2 工艺流程的选择- 12 -1.4.3 工厂的选址- 12 -第二章 工艺计算- 14 -2.1高温变换炉的衡算- 14 -2.1.1物料衡算- 14 -2.1.2热量衡算- 15 -2.1.3高变炉平衡温距的计算- 16 -2.1.4高变炉干空速的计算
12、- 16 -2.2 低温变换炉的衡算- 16 -2.2.1物料衡算:- 16 -2.2.2低温变换炉热量衡算- 17 -2.2.3热平衡- 18 -2.2.4低变炉平衡温距及空速的计算- 18 -2.2.5 废热锅炉103-C及甲烷化进气换热器104-C- 19 -2.3脱碳- 20 -2.3.1进吸收塔总气量A的计算- 20 -2.3.2吸收塔出口气体组成计算- 21 -2.3.3.苯菲尔溶液循环量的计算- 22 -2.3.4低变在沸器热负荷计算- 24 -2.4甲烷化- 26 -2.4.1甲烷化炉物料衡算- 26 -2.4.2甲烷化炉热量衡算- 27 -2.4.3锅炉给水换热器(114C)
13、热平衡:- 28 -2.4.4水冷器(115C)热平衡- 28 -2.5高变炉催化剂用量的计算- 30 -2.5.1高变炉各层气体组成- 30 -2.5.2高变炉催化剂用量计算- 31 -参考文献- 34 -致谢- 35 -第一章 综述1.1 氨的性质、用途及现状1.1.1 氨的性质相对分子质量17.03,氨气在标准状况下的密度为0.7081g/L,氨气极易溶于水,溶解度1:700(体积分数),无色气体,比空气轻,具有特殊的刺激性臭味。人们在大于100cm3/m3氨的环境中,每天接触8小时会引起慢性中毒。氨的主要物理性质有:极易溶于水,溶解时放出大量的热。氨水溶液呈碱性,受热易挥发。液氨和干燥
14、的氨气对大部分物质没有腐蚀性,但在有水的条件下,对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的化学性质有:在常温下相当稳定,在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具有可燃性,自然点为630,一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸1。1.1.2 用途合成氨工业是基础化学工业之一。其产量居各种化工产品的首位,氨主要用于制造氮肥和复合肥料来运用于农业生产,世界上每年农业生产对化肥的需求量占80%以上。氨作为工业原料和氨化饲料,用量约占世界产量的12%。氨本身是重要的氮素肥料。除石灰氮外,其他氮素肥料都是先合成氨,然后加工成各种铵盐和尿素硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨
15、酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。液氨常用作制冷剂。不仅可以用氨来制备肥料(硝酸铵,磷酸铵肥等),而且氨也是重要的化工原料,可以制备各种炸药。并且各种氨基树脂,聚酰胺树脂,硝化纤维素等高分子化合物的原料之一也是氨,可以说氨在整个国民生产中占有不可估量的地位2。1.1.3 合成氨现状 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。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。近几年来,我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥
16、厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料,生产中能量损耗低、产量高,技术和设备都很先进。根据合成氨技术发展的情况分析,估计未来合成氨基本生产原理将不会出现原则性的改变,其技术发展将继续会紧密围绕“降低生产成本,提高运行周期,改善经济性”的基本目标在“大型化,低耗能,结构调整,清洁生产,长周期运行”等技术方面的研究开发. (1) 大型化,集成化,自动化形成经济规模的生产中心,低能耗与环境更友好将是未来合成氨生产装置的主流发展方向:单系列合成氨装置生产能力将从2000td提高至40005000td;以天燃气为原料制氨。能耗已经接近理论水平,今后难以有较大幅度降低,但以油、煤为原料制氨,将低能耗
17、尽可能的降到最低。(2) 实施和环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必须和唯一的选择。生产过程中不生产或很少生产副产品、废物,实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日益成熟和不断完善。(3) 提高生产运行的可靠性,延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性,增强竞争能力”的必要保证,有利于“提高生产装置的生产运转率,延长运行周期”的技术包括工艺优化技术,先进控制技术等越来越受重视3。1.2 合成氨生产技术的发展1.2.1 世界合成氨技术的发展(一) 原料构成的变化为了合成氨,首先必须提供氮和氢。氮来自空气,氢来自水。气和水到处都有,而且取之不尽。传统的制氮方法是在低温下将空气液化、分离,以及水电解
18、制氢。由于电解制氢法,电能消耗大,成本高。传统方法还是采用高温下将各种燃料和水蒸气反应制造氢。因此合成氨生产的初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等,60多年来世界合成氨原料的构成变化见下表1.1。表1.1世界合成氨原料构成(%)原料192919391953196519711975198019851990焦炭、煤65.253.6375.89.09.05.56.513.5焦炉气15.827.12220天然气-1.32644.26062.071.571.077石脑油-4.82019.015.013.06重油-9.24.55.07.58.53其它191815166.55.00.51.00
19、.5合计100100100100100100100100100由表1.1可知,合成氨的原料构成是从以固体燃料为主转移到以气体燃料和液体原料为主。自从北美大量开发天然气资源成功之后,20世纪50年代开始采用天然气制氨。因为天然气便于管道运输,用作合成氨的原料具有投资省、能耗低等明显优点。到20世纪60年代末,国外主要产氨国都已先后停止用焦炭、煤为原料,而以天然气、重油等为原料,天然气所占比重不断上升。一些没有天然气资源的国家,如日本、英国在解决了石脑油蒸汽转化过程的析碳问题后,1962年开发成功石脑油为原料生产合成氨的方法。石脑油经脱碳、气化后,可采用和天然气为原料的相同生产装置制氨。但石脑油价
20、格比天然气高,而且又是石油化工的重要原料,用于制氨受到一定限制。为了扩大原料范围,又开发了用重油部分氧化法制氢。从此比石脑油价廉、来源广泛的重油和减压渣油开始作为合成氨的另一种原料4。表1.2为各种原料的日产1043.3t合成氨厂,相对投资和能量消耗比较。由表可见,虽然各国资源不同,但选用原料的基本方向相同。只要资源条件具备作为合成氨的原料。首先应考虑天然气和油田气,其次采用石脑油。表1.2 氨厂采用的各种原料的相对投资和能量消耗原料天然气重油煤相对投资费用1.01.52.0能量消耗/(GJ/t)283848特别是以天然气为原料的合成氨工业占了很大的比重,本设计就是以天然气为原料合成氨,主要是
21、转化工段的设计。(二) 生产规模大型化20世纪50年代以前,氨合成塔的最大能力为日产200t氨,到60年代初期为400t。随着蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功,美国凯洛格公司运用建设单系列大型炼油厂的经验,首先运用工艺过程的余热副产高压蒸汽作为动力,于1963年和1966年相继建成日产544.31t和907.19t的氨厂,实现了单系列合成氨装置的大型化,这是合成氨工业发展史上第一次突破。大型化的优点是投资费用低,能量利用率高,占地少,劳动生产率高。从20世纪60年代中期开始,新建氨厂大都采用单系列的大型装置。但是,大型的单系列合成氨装置要求能够长周期运行,对机器和设备质量要求很高,而且在
22、超过一定规模以后,优越性并不十分明显了。因此大型氨厂通常是指日产600t级,日产1000t级和日产1500t级的三种。现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨,1991年在比利时的安特卫普建成投产。(三) 低能耗新工艺合成氨,除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外。整个生产过程还需消耗较多的电力、蒸汽等二次能源,而用量又很大。现在合成氨能耗占世界能源消费总量的3%,中国合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。由于吨氨生产成本中能源费用占70%以上,因此能耗是衡量合成氨技术和经济效益的重要标志。以天然气为原料的日产1000t合成氨装置吨氨能耗目前已从20世纪70年代的40.19GJ下降到39.
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