魏丹的毕业设计

湖北师范学院文理学院2011届化学与环境工程系毕业设计 1 年产20万吨液氨车间甲烷化工段工艺设计 1．设计任务书 1.1项目 液氨车间甲烷化工段工艺设计 1.2设计内容 1.2.1车间工艺设计 1.2.2换热器的工艺设计

1.3设计规模 1.3.1年产：20万吨 1.3.2年生产日：300天 1.3.3日生产能力：200000/300=666.67吨/天 1.4设计依据 该设计说明书是依据湖北祥云集团（股份）有限公司的生产技术资料的基础上，并结合设计任务书的内容年产20万吨液氨和生产管理规范的相关。

1.5液氨的性质及用途 1.5.1物理性质 液氨，它是一种无色液体，极易气化，有强烈的刺激性气味，蒸汽压 506.62kPa(4.7℃);密度为0.617g/cm3,沸点为-33.5℃，低于-77.7℃可变成有臭味的无色晶体，自然点为651.11℃。稳定;危险标记 6(有毒气体)。 1.5.2化学性质 液氨，又称为无水氨，是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。氨易溶于水，溶于水后形成氢氧化铵的碱性溶液。氨在20℃水中的溶解度为34%。液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，所以其化学事故发生率相当高。 湖北师范学院文理学院2011届化学与环境工程系毕业设计 2 1.6.3氨的理化性质 分子式：NH3 气氨相对密度（空气=1）：0.59 分子量：17.04 液氨相对密度（水=1）：0.7067（25℃） 自燃点：651.11℃ 熔点（℃）：-77.7 爆炸极限：16%～25% 沸点（℃）：-33.4 1%水溶液PH值：11.7 蒸气压：882kPa（20℃） 1.6.4液氨的规格 表1 液氨的规格 指标名称 优等品 一等品 合格品 半水煤气中O2含量% ≤0.5﹪格 ＞0.8﹪量 ＞1﹪切气

铁中变炉出口变换气CO含量 % 6～8﹪ ≤0.01% ——

低变炉出口变换气CO含量含量 % ＜0.2﹪ ≤0.005% —— 汞含量循环热水中总固体含量 % 1. ＜500ma/L ≤0.01% —— 1.6.5液氨用途 液氨主要用途： 用于制造氮肥和复合肥料，氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12％。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。用作致冷剂及制取铵盐和氮肥， 在国防工业中，用于制造火箭、导弹的推进剂。可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂。液氨还可用用于纺织品的丝光整理。NH3分子中的孤电子对倾向于和别的分子或离子形成配位键，生成各种形式的氨合物。如[Ag(NH3)2]+、[Cu(NH3)4]2+、BF3·NH3等都是以NH3为配位的配合物。 液氨是一个很好的溶剂，由于分子的极性和存在氢键，液氨在许多物理性质方面同水非常相似。一些活泼的金属可以从水中置换氢和生成氢氧化物，在液氨中就不那么容易置换氢。但液氨能够溶解金属生成一种蓝色溶液。这种金属液氨溶液能够导电，并缓慢分解放出氢气，有强还原性。 液氨加热至800～850℃，在镍基催化剂作用下，将氨进行分解，可湖北师范学院文理学院2011届化学与环境工程系毕业设计 3 以得到含75%H2、25%N2的氢氮混合气体。用此法制得的气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业，以及需要保护气氛的其他工业和科学研究中。 1.7原料及方案 1.7.1主要原料及其规格 合成氨是以碳氨为主要原料，焦炭：通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦，铸造焦和铁合金焦等）气化焦和电石用焦等。 1.7.2质量控制方法 真密度为1.8-1.9g/cm3,视密度为0.88-1.08 g/cm3，气孔率为5﹪-55﹪ ，散密度为400-500Kg/ cm3。 1.7.3消耗定额 焦炭 8000～10000公斤（折算为含硫35%矿） 电 100～200度 水 60～80米3 副产蒸汽 1000～1200公斤[1] 1.7.4生产方式 采用燃烧法制氨。普遍采用钒触媒做催化剂，基本过程分八大工序：造气→脱硫→压缩→变换→脱碳→甲烷化→合成→氨回收

2工艺路线及流程图设计 2.1液氨车间工艺流程 2.1.1氨合成路线 造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1,2段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机3段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机4,5,6段 ->氨合成 ->产品NH3

2.2甲烷化工段工艺流程图 甲烷化工段流程见附图 2.3液氨车间工艺流程图说明 二氧化碳和水从压缩工段出来后，在进入油水分离器，在经过饱和塔，湖北师范学院文理学院2011届化学与环境工程系毕业设计 4 蒸汽进入变换气脱硫塔，煤和蒸汽进行混合。再经过热交换器和中变炉及蒸汽热交换器进行进一步的反应。气体经过热交换器进入调温水加热器的三段，热水泵将一段的水进行加温，输送到调温水加热器中。再进入低变电加热器，经过低变炉，回到调温水加热器进入调温水加热器的二段。在进入调温水加热器的三段，整个循环完成后，产物再进入热水塔，软水加热器，变换器冷却器，经过一系列的反应进入变换气分离器，将其中的水分分离出来，产物直接进入二次脱硫塔，脱除H2S,并进一步的让碱液与气体接触，充分的脱除H2S，脱除H2S后再进入冷却器进行冷却，冷却后的产物进入变脱气分离器，进一步的分离水和杂质，产物再次进入冷却器进行冷却，冷却完成后进入脱碳3.变换甲烷化工段的物料

3典型设备—换热器的物料衡算 3.1选择条件 在常压下冷凝5400kg/h的变换气，冷凝液在冷凝温度下排出，。管程压降不超过9.8×103Pa。试选用一适当型号的列管换热器。其基本数据如下。 冷凝用水的入口温度t1=20℃ 水的出口温度t2=50℃ 冷凝量W1=5400/3600=1.5kg/s 冷凝液氨进口温度T1=120℃ 冷凝液氨出口温度T2=75℃ 冷凝潜热r=394KJ/kg

3.2计算相关物理量 3.2.1耗量 根据推动力△tm及水消耗量两方面的考虑，则水的平均温度tm=1/2(t2+t1)=（1/2）(50+20)=35.5.℃，在35.5℃时，水的相关物理量如下。 密度：p=997kg/m3 热容：CP=4.178KJ/(kg.C) 导热系数=0.608W/(m.℃) 粘度：u=0.886×10-3Pa.s 湖北师范学院文理学院2011届化学与环境工程系毕业设计 5 普兰特准数：Pr=6.16 热负荷:Q=W1r=1.5×394=591W 水耗量：W2=Q/[Cp(t2-t1)]=591/[4.178(50-20)]=4.72kg/s 综合考虑管内Re，管程压降△P及单程管数三方面因素，水的流速u=0.9m/s。 3.2.2传热面积和管子根数 平均温差△tm =△tm=[（T1-t2）-（T2-t1）]/ln[（T1-t2）/（T2-t1）]= [（120-50）-（75-20）]/ln[(120-50)/(75-20)]=62.2℃。 变换气-水系统冷凝操作的传热系数K值的范围约为300-1000W/(m2.C)。初选600 W/(m2.C)估算传热面积S=Q/K△tm =591×1000/600×62.2=18.1m2 单程管数为n=W2/(u×π/4×di2×p)=4×4.72/(0.9×3.14×0.022 ×997 )=17根 单程管长为l=S/(nπd0)=18.1/(17×3.14×0.025)=18.3m 选定换热器管长18m，则管程数Np=4.91/18=0.27m 取Np=2程，则总管数n总=2n=2×17=34根 3.2.3选换热器 根据S=18.1m2;n总=34根，Np=2,选用查相关资料选用G-273-2-25-14列管式换热器。 3.2.3管程压降的计算 管程雷诺准数Re=diup/u，其中u为选定换热器的实际操作流速，由下式计算 u=Vs/(n2×π/4×di2)

式中Vs =W2/p=4.72/997=0.00473m3/s n2=32/2=16根 所以u=0.00473/(16×π/4×0.022)=0.82m/s 故Re=0.02×0.82×997/(0.886×10-3)=1.85×104 由于钢管的绝对粗糙为0.15mm,故相对粗糙度=0.0075.查导热系数和雷诺准数及相对粗糙度的关系图（化工设备的选择与工艺设计P6图1-5）,得导热系数为0.038。又取管程结垢校正系数Ft=1.5,故得管程压降△p=（0.038×3/0.02+3）×1.5×2×（997×0.822/2）=8748.5N/m2﹤9.8×103Pa，因此，压降满足要求。 湖北师范学院文理学院2011届化学与环境工程系毕业设计 6 3.2.4计算管内给热系数ai 因为Re=1.85×104104,而且l/di=3/0.02=150＞50,故ai=0.023×(0.608/0.02)(1.85×104)0.8(6.16)0.4=3751.2W/（m2·C） 3.2.5冷凝给热系数a0及K值的计算 a0的计算，一般情况下，水平管的冷凝给热系数大于垂直的冷凝给热系数，所以列管换热器选用水平安装方式。对于n根水平管束，可用下式计算冷凝给热系数。 式中，水平管束冷凝给热系数与单根水平管冷凝给热系数之比，当n>100时，取该系数=0.6，设壁温tw=80℃,则平均膜温Tw=1/2(T+tw)=1/2(120=80)=100℃，按此温度查得变换气的物理量如下：导热系数=0.133W/(m.℃) 密度=830 kg/m 3

U=0.35×10-3Pa.s a0=2.02×0.6×0.1333 (30×830×3×34)/(0.00035×1.5)=1189.2W/(m2.C) 3.2.6垢层热阻 变换气冷凝时，垢层热阻R0较小，管内的垢层热阻Ri则较大，取Ri+R0=0.0006m2.C/W。 3.2.8K值的计算 d0、di分别为加热钢管的外、内径，dm为平均管径，则 K=1/[0.025/(3751.2×0.02)+0.0006+0.0025×0.025/（45×0.0225）+1/1189.2]=546.4W/(m2.C) 3.2.9校核 tw =120-546.4×80/1189.2=83.2℃ 与假设值tw =80℃相比较，差3.2℃，认为计算合理。

3.3计算传热面积及安全系数 按传热方程式计算的传热面积S=Q/K△tm=591000/（540×62.2）=17.6m2，实际换热器的传热面积为18.1m2，故安全系数=18.1/17.6=1.03，此值在1.0-1.25之间，表示选的合理。