合成氨变换工段设计

3.6 调温水加热器的物料与热量衡算 ................................... 20 3.7低变炉的物料与热量衡算 ......................................... 21

3.7.1低变炉的物料衡算 .......................................... 21 3.7.2低变炉的热量衡算 .......................................... 23 3.7.3 低变催化剂操作线计算 ..................................... 24 3.7.4 最佳温度曲线的计算 ....................................... 25

第四章 设备计算 ..................................................... 26

4.1中变炉的计算 ................................................... 26

4.1.1催化剂用量的计算 .......................................... 26 4.1.2设备直径与管板的确定 ...................................... 28

结论 .................................................................. 29 致 谢 ................................................................ 30 参考文献 .............................................................. 31

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第一章 绪论

氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产，它不仅是所有食物和肥料的重要成分，也是所有药物直接或间接的组成。由于氨的广泛用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一。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。

1.1 氨的性质和用途

1.1.1 氨的性质

氨的分子式NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。人们在大约100cm/m氨的环境中，每天接触8H会引起慢性中毒。

物理性质：氨极易溶于水，溶解时放出大量的热，可产生含NH315%~30%的氨水，氨水溶液是碱性，易挥发。液氨或干燥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。

氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨－空气混合物的爆炸界限较窄。

化学性质：氨在常温时非常稳定，在高温、电火花或紫外线光的作用下可分解为氮和氢，其分解速度在很大程度上与气体接触的表面性质有关。

氨是一种可燃性物质，自燃点为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。常压，常温下的爆炸范围分别为15.5%~82%（氧气）。

氨易与很多物质发生反应，例如在铂催化剂作用能与氧反应生成NO。 1.1.2 氨的用途

氨在国民经济中占有重要的地位。现在大约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生成其它化工产品的原料。

除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素，磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨，氨水以及含氮混肥和复肥为原料的。

氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制取硝酸，进而

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再制造硝酸铵，硝化甘油，三硝基甲苯和硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己内酰胺、尼龙6单体、人造丝、丙烯晴、酚醛树脂和尿醛树脂等产品。

氨的其它工业用途也十分广泛，例如，作用制冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面用做生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。

1.2 我国合成氨生产现状

2002年，我国合成氨实际产量36750 k/ta，2003年生产能力为41600k/ta，总生产能力和产量均居世界第一位，但单系列装置规模较小，合成氨装置平均规模为50kt/a。目前我国共有合成氨装置800余套，其中300k/ta以上大型成氨生产装置34套(其中一套为400k/ta)，设计总生产能力为109000k/ta，实生产能力为100000k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能力的22%。300k/ta以上大型合成氨生产装置，我国共有小合成氨设备700多套，生产能力为28000k/ta，约占中国大陆合成氨总生产能的66%。

新疆乌鲁木齐石油化工有限公司建设的450k/ta合成氨装置，是目前国单套生产能力最大的合成氨装置。

1.3 一氧化碳变换在合成氨中的意义

用不同燃料制得的合成原料气，均含有一定量的一氧化碳。一般固体燃料制得的水煤气中含CO35%—37%，半水煤气中含CO25%—34%，天然气蒸汽转化制得的转化气中含CO较低，一般为12%—14%，一氧化碳不是合成氨生产所需要的直接原料，而且在一定条件下还会与合成氨的铁系催化剂发生反应，导致催化剂失活。因此，在原料气使用之前，必须将一氧化碳清除。

清除一氧化碳分两步进行，第一步是大部分CO先通过变换反应:

CO + H2O（g）= CO2 + H2

这样既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳而且又制得等量的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。因此，一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的

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继续。第二步是少量残余的一氧化碳再通过其他净化方法加以脱除。

第二章 变换流程及工艺条件

2.1 变换工艺原理

一氧化碳是氨合成反应的毒物，在原料气中含量为13%-30%，一氧化碳变换主反应为：

CO + H2O = CO2 + H2 (2-1)

通过上述反应，CO转化为较易被消除的CO2并获得宝贵的H2，因而一氧化碳变换既是气体的净化过程，又是原料气制取的继续。最后，少量的CO再通过其他净化法加以脱除。

此外，一氧化碳与氢之间还可发生下列反应：

CO + H2 = C + H2O (2-2) CO + 3H2 = CH4 + H2O (2-3)

但是，由于变换所用催化剂对反应式（2-1）具有良好的选择性，从而抑制了其他副反应的发生。

变换过程中还包括下列反应式：

2H2 + O2 = 2H2O (2-4) 2.1.1变换反应的热力学分析

变换反应是一个放热的可逆反应，反应的热效应视H2O的状态而定，若为液态水，则是微吸热反应；如是水蒸汽则为放热反应，通常都是以水蒸气为准。

放热反应放出的热量随温度的升高而降低。不同温度下的反应热可以用下式计算:

△H=?H2.1.2 变换反应的动力学分析

（1）变换反应的平衡常数

由于CO变换反应是在常压或压力不高的条件下进行的，故计算平衡常数时用各组分分压表示便可。

Kp=

?298T???CpdT

298pco2?pH2pco?pH20?yco2?yH2yco?yH20

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