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合成氨反应器及工艺流程的模拟计算

作　者: 陈倩倩
导　师: 朱学栋
学　校: 华东理工大学
专　业: 化学工艺
关键词: 氨合成回路平衡组成反应器模拟流程模拟钌基催化剂
分类号: TQ113.25
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文应用大型流程模拟软件Aspen Plus对合成氨工艺流程中氨合成回路进行模拟计算,对回路模拟所需物系的热力学性质进行校核,并建立了各单元设备的模型。然后,使用Aspen Plus对氨合成系统平衡组成进行模拟计算,并建立合适的动力学模型对布朗氨合成塔及托普索氨合成塔进行模拟计算,模拟结果与工业值符合良好。随后,对氨合成塔主要操作变量进行了灵敏度分析,研究了合成压力、进口温度、空速、氢氮比及惰性气体含量对氨合成反应的影响,确定了最佳操作参数。在此基础上,建立了15MPa氨合成布朗流程及托普索流程模拟系统,并对15MPa下布朗流程合成塔进口温度进行优化,优化温度后最终氨产量相对提高3.5%。建立了10MPa下布朗氨合成回路流程模拟系统,模拟结果与15MPa相比出口氨浓度相对下降了20.21%,表明了铁系催化剂低压操作活性较低的局限性,提出钌基催化剂研究的必要性。最后对钌基催化剂适合工艺条件进行了探索研究,提出钌基催化剂最适反应条件并建立不同压力下侧线流程模拟系统,在同样的操作条件下,钌系催化剂最佳反应温度比铁系催化剂低20～30℃,相对活性比铁系催化剂高约40.8%,充分证明了钌基催化剂低温低压高活性的优越性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
前言  10-11
第1章文献综述  11-25
  1.1 合成氨催化剂的发展  11-14
    1.1.1 传统熔铁系(Fe_3O_4基)催化剂  11-12
    1.1.2 FeO基氨合成催化剂  12-13
    1.1.3 钌基氨合成催化剂  13-14
  1.2 合成氨反应动力学  14-18
    1.2.1 铁基催化剂反应动力学  14-16
    1.2.2 钌基催化剂动力学  16-18
  1.3 大型氨合成反应器  18-23
    1.3.1 托普索氨合成塔  19-20
    1.3.2 凯洛格合成氨塔  20-21
    1.3.3 卡萨里合成氨塔  21
    1.3.4 布朗合成氨塔  21-22
    1.3.5 合成塔改造和研究  22-23
  1.4 氨合成流程的模拟发展  23
  1.5 课题来源及研究内容  23-25
第2章热力学性质计算和校核  25-33
  2.1 Aspen Plus物性数据库简介  25
  2.2 热力学性质计算和校核  25-32
    2.2.1 反应热的校核  25-26
    2.2.2 化学平衡常数的计算  26
    2.2.3 组分特性常数校核  26
    2.2.4 逸度系数的计算和校核  26-29
    2.2.5 定压热容的计算和校核  29-30
    2.2.6 气体焓值的校核  30
    2.2.7 粘度的校核  30-32
  2.3 小结  32-33
第3章合成氨反应器的模拟  33-49
  3.1 氨合成塔平衡组成的计算  33-35
    3.1.1 使用平衡常数计算  33-34
    3.1.2 使用Aspen反应器模块REquil计算  34
    3.1.3 平衡组成计算实例  34-35
  3.2 反应器动力学模型的建立  35-36
  3.3 布朗轴向氨合成塔模拟  36-42
    3.3.1 催化床结构参数  36-39
    3.3.2 操作条件的变化对布朗氨合成塔氨合成反应的影响  39-42
  3.4 托普索S-200径向氨合成塔模拟  42-47
    3.4.1 催化床结构参数  42-44
    3.4.2 操作条件变化对托普索S-200氨合成塔合成氨反应影响  44-47
  3.5 小结  47-49
第4章合成氨工序工艺流程模拟  49-63
  4.1 合成氨工序工艺流程简介  49
  4.2 单元模型的建立  49-50
    4.2.1 压缩机单段模块  49
    4.2.2 换热器模型  49-50
    4.2.3 混合器模型  50
    4.2.4 物流分割器模型  50
    4.2.5 闪蒸器模型  50
    4.2.6 反应器单段模型  50
  4.3 布朗工艺氨合成回路流程模拟  50-52
    4.3.1 流程图的建立  50-51
    4.3.2 流程模拟操作步骤  51-52
  4.4 布朗工艺流程模拟结果及分析  52-58
    4.4.1 15MPa工业操作条件下流程模拟  52-54
    4.4.2 15MPa优化各塔进料温度后流程模拟  54-55
    4.4.3 10MPa布朗工艺流程氨合成回路模拟  55-58
  4.5 15MPa托普索工艺氨合成回路流程模拟  58-62
    4.5.1 流程图的建立  58
    4.5.2 流程模拟操作步骤  58-59
    4.5.3 流程模拟结果与分析  59-62
  4.6 小结  62-63
第5章钌基氨合成催化剂工艺条件研究  63-73
  5.1 动力学模型和基础数据的获得  63
  5.2 模拟计算结果分析  63-65
  5.3 操作条件和钌基催化剂反应活性的影响  65-70
    5.3.1 温度、压力、空速对反应活性的影响  65-68
    5.3.2 适宜H_2/N_2摩尔比的研究  68-69
    5.3.3 惰性气体(Ar+CH_4)含量的影响  69-70
  5.4 钌基催化剂工艺侧线模拟  70-71
    5.4.1 单钌催化剂侧线流程模拟  70
    5.4.2 铁串钌侧线流程模拟  70-71
  5.5 小结  71-73
第6章结论  73-74
符号说明  74-75
参考文献  75-79
致谢  79

合成氨反应器及工艺流程的模拟计算

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