1、齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计本 科 毕 业 设 计 (论 文 )题目 年产 15 万吨合成氨一氧化碳变换公段工艺设计 学院名称 化学与制药工程学院 专业班级 化工 09-1 学生姓名 李西贺 导师姓名 袁芳 2013 年 6 月齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计年产 15 万吨合成氨一氧化碳变换工段工艺设计作 者 姓 名 李西贺 专 业 化学工程与工艺 指导教师姓名 袁芳 专业技术职务 讲师 齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计齐鲁工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） ，是本人在指导教师的指导下独立研究、撰写的成果。设计（论文）中引
2、用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中加以说明，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 年 月 日齐鲁工业大学关于毕业设计（论文）使用授权的说明本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，即：学校有权保留、送交设计（论文）的复印件，允许设计（论文）被查阅和借阅，学校可以公布设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、扫描等复制手段保存本设计（论文） 。指导教师签名： 毕业设计（论文）作者签名：
3、年 月 日 年 月 日齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计目 录摘 要 .1第一章 总 论 .21.1 概述 .21.1.1 一氧化碳变换反应的意义与作用 .21.1.2 国内外研究现状 .21.2 设计依据 .21.3 设计规模与生产制度 .31.3.1 设计规模 .31.3.2 生产制度 .31.4 原料与产品规格 .31.4.1 原料规格 .31.4.2 产品规格 .3第二章 工艺原理和流程 .42.1 工艺原理 .42.2 工艺流程 .42.3 工艺参数 .52.3.1 原料气体组分 .52.3.2 工作温度 .52.4 工艺条件 .52.4.1 压力 .52.4.2 温度 .52
4、.4.3 汽气比 .6第三章 工艺计算 .73.1 中变炉一段催化床层的物料和热量衡算 .73.1.1 确定转化气组成 .73.1.2 水汽比的确定 .73.1.3 中变炉一段催化床层的物料衡算 .8齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计3.1.4 中变炉一段催化床层的热量衡算 .113.1.5 中变炉催化剂平衡曲线 .143.1.6 最佳温度曲线的计算 .143.1.7 操作线计算 .153.2 中间冷淋过程的物料和热量衡算 .163.3 中变炉二段催化床层的物料和热量衡算 .173.3.1 中变炉二段催化床层的物料衡算 .173.3.2 中变炉二段催化床层的热量衡算 .193.4 低变炉
5、的物料和热量计算 .203.4.1 低变炉的物料衡算 .203.4.2 低变炉的热量衡算 .223.4.3 低变炉催化剂平衡曲线 .233.4.4 最佳温度曲线的计算 .243.4.5 最适宜温度曲线 .243.6 主换热器的物料与热量的计算 .263.7 调温水加热器的物料与热量计算 .28第四章 设备的计算 .294.1 低温变换炉计算 .294.1.1 已知条件： .294.1.2 催化剂用量计算 .294.1.3 催化床层直径计算 .294.2 中变换热器计算 .304.2.1 已知条件 .304.2.2 传热面积的计算 .304.2.3 设备直径与管板的确定 .314.2.4 传热系
6、数的验算 .314.2.5 壳侧对流传热系数计算 .334.2.6 总传热系数核算 .334.2.7 传热面积的核算 .33第五章 车间设备布置设计 .34齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计5.1 车间布置设计的原则 .345.1.1 车间设备布置的原则 .345.1.2 车间设备平立面布置的原则 .345.1.3 本工段设计设备布置规划 .35第六章 自动控制 .356.1 主要的控制原理 .356.2 自控水平与控制点 .36第七章 安全和环境保护 .367.1 三废产生情况 .367.2 三废处理情况 .36第八章 公用工程 .368.1 供水 .378.2 供电 .378.3 通
7、风 .378.4 供暖 .378.5 电气 .38结束语 .38参考文献 .39致 谢 .40齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计1摘 要本文是关于天然气为原料年产 15 万吨氨一氧化碳变换工段初步设计。在合成氨的生产中，一氧化碳变换反应是非常重要的反应。用天然气制造的原料气中，含有一部分一氧化碳，这些一氧化碳不能直接作为合成氨的原料，而且对合成氨的催化剂有毒害作用，必须在催化剂的催化作用下通过变换反应加以除去。一氧化碳变换反应既是原料气的净化过程，又是原料气的制造过程。本设计主要包括工艺路线的确定、中温变换炉的物料衡算和热量衡算、中温变换炉工艺计算和设备选型、换热器的物料衡算和热量衡算以
8、及设备选型等。并且综合各方面因素对车间设备布置进行了合理的设计，最终完成了 20 000 字的设计说明书及生产工艺流程图、车间平立面布置图及主体设备装配图的绘制。关键词：天然气 一氧化碳变换 中温变换炉 流程图ABSTRACTThis paper was about the annual output of gas tax as raw materials to transform fifteen thousand tons of carbon monoxide ammonia preliminary design section. In the production of ammonia,
9、transformation of carbon monoxide was a very important reaction. Manufactured using gas tax feed gas which contains part of carbon monoxide, carbon monoxide could not be directly used as those of the raw materials of synthetic ammonia, but also a catalyst for ammonia poisoning effect there must be a
10、 catalyst for transformation through the catalytic reaction to be removed. Transformation of carbon monoxide is a gas purification process of raw materials, but also the manufacturing process of feed gas. The design of the main routes which include the identification process, the medium variant of t
11、he furnace material balance , heat balance, in the variable furnace process of calculation and selection of equipment, heat exchanger of the material balance and heat balance as well as equipment selection type and so on. Taking all factors and workshop equipment to carry out is a reasonable arrange
12、ment of the design. In the end, the20 000-word statement and map production process, shopping facade and the main equipment layout drawing assembly were completed.Key words: Natural gas; Transformation of carbon monoxide; Temperature shift converter; Flow chart 齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计2第一章 总 论1.1 概述1.1.
13、1 一氧化碳变换反应的意义与作用在合成氨的生产中，一氧化碳变换反应是非常重要的反应。用重油制造的原料气中，含有一部分的一氧化碳，这些一氧化碳不仅不能直接做为合成氨的原料，而且对氨合成中的催化剂有毒害作用，因此必须在催化剂的作用下通过变换反应加以除去。在一定的条件下，利用一氧化碳和水蒸汽等摩尔反应生成二氧化碳和氢气，除去大部分一氧化碳，使一氧化碳含量净化到 3%左右，然后进入铜洗进一步的清除。所以通过一氧化碳变换反应既能把一氧化碳转化为易在下游除去的二氧化碳同时又生产有效组分氢气或生产具有较高 H2/CO2 比的合成气。变换反应既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续过程。一氧化碳加压变换，可
14、以提高生产能力，降低能源消耗，节约触媒，提高经济效益 1。1.1.2 国内外研究现状许多氮肥厂都对一氧化碳变换系统采取了一些相应的改进措施，力争降低能量的消耗和成本。常用的有采用中温变换串联低温变换工艺，使用新型高活性的低温催化剂，常压变换变为加压变换等。从我国目前的情况看，新建工厂或是改建的工厂基本都采用加压变换。随着新型耐硫催化剂的开发成功，八十年代中期开发了中变串低变工艺；为了利用低变的低温高活性，九十年代初期开发了全低变工艺；为了克服全低变工艺不能长期稳定运行的缺点，九十年代中期又开发了中- 低- 低工艺。其后的十年间是全低变工艺和中-低-低工艺推广和完善的过程。国外大部分使用宽温区的
15、催化剂，变换催化剂从传统类型 Fe-Cr系变换为 Co-Mo 系。国外合成氨的规模一般都比较大，不管是原料还是操作压力的选择都与我国的中小型氮肥厂大不相同 2。1.2 设计依据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
16、指 CO 与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计3艺流程中起着非常重要的作用。本设计参考四川省自贡市鸿鹤化工厂的生产工艺，选用中串低工艺。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。1.3 设计规模与生产制度1.
17、3.1 设计规模天然气为原料年产 15 万吨氨车间一氧化碳变换工段初步设计, 年生产时间为 7200 小时。1.3.2 生产制度本工厂实行倒班制度，初步拟定为五班三倒。在生产过程中，一定要加强安全防范意识，严格按照化工行业安全生产规范来操作。注意防火、防爆、防泄漏等一系列危险情况的发生。要做到时时注意安全，事事想着安全，做到早预报，做处理，尽量避免重大事故的发生。1.4 原料与产品规格1.4.1 原料规格表 1-1 原料气组分组分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合计% 9.6 11.42 55.71 22.56 0.38 0.33 1001.4.2 产品规格经过变换反应后，气体中 C
18、O 含量应低于 2%。齐鲁工业大学 2013 届本科生毕业设计4第二章 工艺原理和流程2.1 工艺原理一氧化碳变换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q (2-1)CO+H2 = C+H2O (2-2) 其中反应（2-1）是主反应，反应（2-2）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（2-1）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 2.2 工艺流程目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低 4 种工艺。本设计参考四川省自贡市鸿鹤化工厂的生产工艺，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。图 2-1 工艺流程图
