20万吨合成氨转变工序_毕业设计(编辑修改稿)

20万吨合成氨转变工序_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

20％，而天然气却只占 ％，远低于 ％的世界平均水平。 加大天然气在能源消费结构中的比重，既有利于促进节能减排，又能够维持经济与社会可持续发展。 第三，以天然气为原料合成氨工艺比重油和煤为原料的工艺成本低，而且能耗低。 根 14 据计算，若大型氨厂分别用石脑油、渣油、天然气和煤为原料制氨，其价格分别按 1800元 /t、 1400 元 /t、 元 /m3 和 260 元 /t 计，中压蒸汽价格按 78 元 /t 计，对应的合 成氨成本分别为 1721 元 /t、 1557 元 /t、 1493 元 /t 和 1021 元／ t。 可见，在这 4 种原料中，以煤为原料制氨成本最低 ,然而，以煤为原料合成氨能耗远大于天然气（见表 11）。 天然气工艺技术目前最可靠，天然气合成氨工艺成熟、生产可靠、连续。 煤头技术中，固定层气化流程，虽然工艺成熟，但气化消耗高，环保污染严重、难以达标、厂区环境恶劣；水煤浆气化技术对煤种要求特别高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔点、固定碳含量。 2． 工艺流程的选择 本设计主要是转化和变换工序的工艺设计，所选流程为： 天然气蒸汽转化和变换工序是合成氨生产中的第一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的变换气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。 在本设计中，甲烷和其他烃类转化为 CO 和 H2 的转化工序采用的是两段炉催化转化，经过二段转化后，甲烷含量约为 %左右。 CO 变换工序采用了高变串低变的工艺流程路线，经过低温变换后的气体中 CO 含量为 %左右。 3． 工艺参数的确定 以天然气为原料合成氨生产装置转化变换工序设计，其主要参数是一、二段转化工艺和 CO 高 低变串联流程的温度和压力。 天然气 经加氢脱硫，出口总硫量小于 ，在压力 、温度 380℃ 左右的条件下配入中压蒸汽达到水碳比为 （ R=），进入一段转化炉的对流段加热，气体一边加热一边反应，出反应管的温度在 822℃ 左右，最后沿集气管中间的上升管上升，继续吸收一些热量，使温度升到 850℃ 左右，经输气总管送往二段转化炉。 工艺空气经压缩机压到 ～ MPa，也配入少量水蒸气，然后进入对流段的工艺空气加热盘预热到 480℃ 左右，进入二段炉顶部与一段转化气汇合，在顶部燃烧区燃烧、放热，温度升到 1200℃ 左右，在通过 催化剂床层时继续反应并吸收热量，离开二段转化炉的温度约为 1000℃ 左右，压力为 MPa，所得混合气残余甲烷含量约为 ％。 经二段转化后的合成气送入第一换热器（ 101C），接着又送入第二换热器（ 102C），脱 硫 压 缩 压 缩 一段转化 二段转化 高温变换 低温变换 天然气 空气 水蒸气 变换气去甲烷化 15 使合成气温度由 1003℃ 降到 360℃ 左右，利用这些能量制取高压蒸汽。 从第二换热器出来的气体继续送往变换工序处理。 含 CO 的原料合成气经换热器降温，在压力 MPa、温度 371℃ 下进入高变炉（因原料气中水蒸气含量较高，一般不需要加蒸汽）。 经高变处理后，气体中 CO 降到 ％左右，温度为 425～ 440℃。 气体通过高变废热锅炉，冷却到 336℃ 左右，锅炉产生 的饱和蒸汽。 由于此时气体温度还不能进行低温变换，于是将变换气用来加热其它工艺气体，而变换气被冷却到 241℃ 后进入低变炉。 经低变处理后，气体残余 CO 降到 ％～ ％之间，再送入后续工段继续净化。 4． 工厂的选址 本设计合成氨厂选址为位于宁夏回族自治区灵武市境内的宁东能源重化工基地。 该化工基地有着得天独厚的优势： （ 1）天然气资源优势 该基地临近陕甘宁天然气田，此气田是我国迄今探明的世界级特大型整装气田，探明控制储量达 7000 多亿 立方米，一期输气管线已建成，二期管线正在规划建设中。 （ 2）水资源优势 基地位于黄河东畔，中心区距黄河仅 35 公里左右， 20xx 年底开工建设的宁东供水工程，预计 20xx 年 5 月建成通水，总供水量为 15970 万立方米，能为基地提供充足的水源保障。 （ 3）交通优势 三通八达的道路交通是基地的一大突出优势，银川 青岛高速公路及 307 国道横贯基地；大古铁路连接包兰、宝中铁路与京包、陇海线连通可辐射全国，即将开工建设的银川太原铁路又形成一条横穿基地的外运大通道；银川河东机场距基地中心区仅 30 公里，每日航班达 50 余次，通 往北京、上海、广州、西安、太原、济南、青岛、兰州等重要城市。 （ 4）土地资源优势 基地处于荒山丘陵地带，地形平缓，地势开阔，有成片的发展用地，为工业建设提供了广阔的土地资源。 （ 5）区位优势 16 基地位于陕、甘、宁、蒙毗邻地区，西与自治区首府银川市隔黄河相望，东与开发中的陕北能源重化工基地毗邻，易形成产业互补，资源共享，其生产、生活条件俱佳。 （ 6）电力优势 宁夏目前无拉闸限电之虞， 20xx 年宁夏电网统调装机容量达到 366 万千瓦，而且基地规划建设的八大电厂将形成千万千瓦级的火电基地，这些都将为基地提供充足 的电力供应。 （ 7）政策优势 随着西部大开发战略的深入推进，国家实施重点支持西部大开发的政策措施，以及自治区、银川市全面改善投资环境的重大举措，为基地建设提供了强有力的政策支持。 二、设计工艺计算 （一） 转化段物料衡算 原料气（入加氢转化器天然气）组成如下表： 组 分 mol（干）％ kmol/h kg/h CH4 89． 00 C2H6 5． 00 1680． 00 C3H8 C4H10 C5H12 N2 ∑干 1120． 00 循环氢气组成如下表： 组 分 kmol/h kg/h N2 545 H2 117 Ar 9 CH4 13 合 计 78． 80 684 17 出加氢器气体组成如下表： 组 分 mol（干）％ kmol/h CH4 C2H6 56 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2 Ar 合 计 1．一段转化炉的物料衡算 计算数据依据： 水碳比 R= 一段炉出口甲烷含量设计为 10％ 一段转化炉出口温度： 822℃ 一段转化炉出口压力： （表压） A. 物料衡算： 总碳流量： ∑C=+562+3+4+5 =水 碳比： R= 故加入水蒸汽量： nH2O= =设一段转化炉出口 CO、 CO H2 的含量分别为 nCO、 nCO2 和 nH2，干转化气总量为 V kmol/h,转化消耗水蒸汽量为 n′H2O kmol/h。 列元素平衡式 C 平衡 =nCO + nCO2 + （ 1） 18 H2 平衡 +2+563+4+5+6+= nH2 +2+(′H2O ) 化简为 = nH2+ n′H2O （ 2） O2 平衡 21 =21 (′H2O )+21 nCO +nCO2 化简为 2nCO2+nCO n′H2O =0 （ 3） 出口总干气量： V=nCO2+nCO+nH2+nN2+nAr+nCH4 =nCO2+nCO+nH2 +++ 化简为 V=nCO2+nCO+nH2 ++ （ 4） 一段转化炉进行的主要反应为： CH4+H2O(g) CO+3H2 CO+H2O(g) CO2+H2 查 [2]知，在 t=822℃ 时， kpco= （ 4） （ 1）得 nH2= （ 6） （ 6） （ 2）得 n′H2O= （ 7） 故化简 nH2O=（ ）得 nH2O= （ 8） （ 3） （ 1）得 nCO2= n′H2O+ 将（ 7）代入上式，可化简为 nCO2= （ 9） 由（ 1） 2 （ 3）可得 nCO=′H2O （ 10） 将（ 7）代入（ 10）得 nCO=+3866 化简为 nCO= （ 11） 出口转化气中水蒸气量 nH2O= n′H2O=+ 可化简为 nH2O= （ 12） 将 （ 6）（ 8）（ 9）（ 10）带入 （ 5）得 19     VV VV 5 3 5 3 3 3 5 1 9   = 解之得 V= kmol/h nH2= kmol/h nCO= kmol/h nCO2= kmol/h nCH4= kmol/h nH2O= kmol/h 故一段转化炉出口总湿气量为： ∑n 湿气 = V1 + nH2O =+= kmol/h 出一段转化炉的物料组成如下表： 组 分 kmol/h mol（干）％ kg/h CO CO2 H2 CH4 N2 Ar 干气 H2O 合计 B. 一段 转化炉平衡温距的计算 根据 [7],设计压力为 740mmHg 柱 一段炉出口压力为 （表压） P=+／ = kpCH4=OHCHHco PP PP2423.. =22423.. nPnn nn OHCH HCO = 2319 63 88 1120 49 9634  = 查 [2]，对应的平衡温度 t=℃ 平衡温距 △ t==℃ 20 C. 一段转化炉理论氢空速的计算 以 1atm、 60℉ （ ℃ ）为计算基准 设计转化炉内触媒装填量 V′为 SVH2= 7 3 8 84 42  V nnn CHCOH 代值有 SVH2 = 7 3 8 2 0 3 3 543 4 7 4 04 9 7 9 9 6  = 该流程设计理论氢空速参考值为 7800 h1。 2．二段转化炉的物料衡算 设计数据依据： 空气组成： N2： 78%； O2： 21%； Ar： 1%； 补加蒸汽量为加入空气量的 10%； 出口甲烷含量： %； 出口压力： ； 出口温度： 1003℃。 A. 列元素平衡关系 式（各未知数表示与一段转化炉相同）得： C 平衡 ++=nCO+nCO2 + 化简为 =nCO+nCO2 + （ 1） H2 平衡 +2+（ +） =nH2+2+（ +′H2O） 化简为 =nH2+ n′H2O （ 2） O2 平衡 21 ++21 （ +）+=nCO2+21 nCO+21 (+′H2O) 化简为 =nCO+′H2O （ 3） 进出二段炉总物料守衡 V=nCO+nCO2+nH2+nN2+nAr+nCH4 代值化简为 =nCO+nCO2+nH2++ （ 4） 21 设出口条件下 CO 变换反应达到平衡则在 1003℃ 下 COkPOHcoHcoOHH nn nnPP co PP co222222   （ 5） 设出口 22 NCOH  （摩尔比）为 即 22 NHcon nn （ 6）（ 1） （ 4）得 V=++nH2 （ 7） 由（ 7）式得 nco+nH2= 则。