日產(chǎn)千噸合成氨蒸汽轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計設(shè)計題目 日產(chǎn)千噸合成氨 蒸汽轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計 學生姓名 徐超 學 號2012212044 專業(yè)班級化學工程與工藝12-2班 指導教師 王百年 2016 年 3 月 13 日目錄摘要2關(guān)鍵詞2第一章 前言21.1 中國合成氨行業(yè)概況21.2 合成氨生產(chǎn)的基本過程31.3 氨的主要用途41.4 甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制合成氣概述51.4.1 生產(chǎn)方法51.4.2 工藝原理51.4.3 轉(zhuǎn)化催化劑和反應動力學71.4.4 工藝流程和主要設(shè)備9第二章 工藝計算122.1 設(shè)計條件122.2 物料衡算132.2.1 物料衡算主要方程式132.2.2 物料衡算基準142.2.3 一段轉(zhuǎn)化爐物料衡算1

2、62.2.4二段轉(zhuǎn)化爐物料衡算192.3能量衡算212.3.1 已知數(shù)據(jù)212.3.2 計算過程222.4 管徑計算23第三章 總結(jié)及致謝27參考文獻28摘要：本設(shè)計以天然氣為原料通過水蒸氣轉(zhuǎn)化法制合成氣，為日產(chǎn)千噸合成氨提供原料氣。設(shè)計文件由設(shè)計說明書，工藝流程圖和廠區(qū)平面布置圖組成。設(shè)計內(nèi)容包括工藝路線設(shè)計，物料衡算，熱量衡算，管道確定。工藝路線通過一段蒸汽轉(zhuǎn)化和二段加水蒸汽工藝空氣氧化聯(lián)合轉(zhuǎn)化過程。設(shè)計中通過平衡溫距法計算一二段爐進出口物料組成以及通過物料流量及相關(guān)資料計算進出口管徑，同時對一段爐進行能量衡算。關(guān)鍵詞： 天然氣 水蒸氣 物料衡算 平衡溫距法 能量衡算 初步設(shè)計第一章 前言

3、1.1 中國合成氨行業(yè)概況氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位；同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有10%的能源用于生產(chǎn)合成氨。氨主要用于農(nóng)業(yè)，合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占70%的比例。未來合成氨技術(shù)進展的主要趨勢是“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”。中國合成氨產(chǎn)量位居世界第一位，現(xiàn)已掌握了以焦炭、無煙煤、焦爐氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨、尿素的技術(shù)，形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。2013年，中國合成氨總生產(chǎn)

4、能力為7400萬噸左右，氮肥工業(yè)已基本滿足了國內(nèi)需求；在與國際接軌后，具備與國際合成氨產(chǎn)品競爭的能力，今后發(fā)展重點是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進一步改善經(jīng)濟性。中國目前有中型合成氨裝置55套，生產(chǎn)能力約為500萬噸/年；其下游產(chǎn)品主要是尿素和硝酸銨。其中以煤、焦為原料的裝置有34套，以渣油為原料的裝置有 9套，以氣為原料的裝置有12套。目前，中國有小型合成氨裝置700多套，生產(chǎn)能力約為3000萬噸/年；其下游產(chǎn)品主要是碳酸氫銨，但現(xiàn)有已有112套經(jīng)過改造后開始生產(chǎn)尿素。中國合成氨生產(chǎn)裝置原料以煤、焦為主；其中以煤、焦為原料的占總裝置的96，以氣為原料的僅占 4。中國引進大型合成氨裝置的總生產(chǎn)能力為1

5、000萬噸/年，只占中國合成氨總產(chǎn)能的1/4左右，因此可以說我國合成氨行業(yè)對外依賴性并不高。中國自行研發(fā)了多套工藝技術(shù)，促進了氮肥生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，如合成氣制備、CO變換、脫硫脫碳、氣體精制和氨合成技術(shù)1-2 。1.2 合成氨生產(chǎn)的基本過程合成氨工藝流程敘述：(1)原料氣制備 將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。 (2)凈化 對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。 一氧化

6、碳變換過程 在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分數(shù)一般為12%40%。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換反應如下： CO + H2O = H2 + CO2 H= -41.2kJ/mol由于CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利于回收反應熱，并控制變換段出口殘余CO含量。第一步是高溫變換，使大部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3%左右。因此，CO變換反應既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成

7、工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol) 等。粗原料氣經(jīng)CO變換以后，變換氣中除H2外，還有CO2、CO和CH4等組分，其中以CO2含量最多。 CO2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中CO2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。一般采用溶液吸收法脫除CO2。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法

8、，如低溫甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一類是化學吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA法，MEA法等。 氣體精制過程經(jīng)CO變換和CO2脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得大于10cm3/m3(體積分數(shù))。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍 (<-100) 條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體

9、100cm3/m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應生成CH4和H2O的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分數(shù))一般應小于0.7%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物 (CO+CO2) 含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性氣體CH4的含量。甲烷化反應如下：CO+3H2CH4+H2O H = -206.2kJ/molCO2+4H2CH4+2H2O H = -165.1kJ/mol 0298(3)氨合成 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液

10、氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反應氫氮氣循環(huán)的流程。氨合成反應式如下：N2+3H22NH3(g) H = -92.4kJ/mol1.3 氨的主要用途合成氨工業(yè)是基礎(chǔ)化學工業(yè)的重要組成部分，有十分廣泛的用途。氨可生產(chǎn)多種氮肥，如尿素、硫酸銨、硝酸銨、碳酸氫銨等；還可生產(chǎn)多種復合肥，如磷肥等。氨也是重要的工業(yè)原料。如無機化學工業(yè)中的硝酸、純堿及各種含氮無機鹽；有機工業(yè)中各種中間體，制藥工業(yè)中磺胺藥物，高分子行業(yè)中聚纖維、氨基塑料、丁腈橡膠、冷卻劑等，國防工業(yè)中三硝基甲苯、硝化甘油

11、、硝化纖維；中國合成氨應用分析圖1.4 甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制合成氣概述1.4.1 生產(chǎn)方法以天然氣為原料生產(chǎn)合成氨原料氣，目前工業(yè)上多采用水蒸氣轉(zhuǎn)化（steam reforming），該方法制得的合成氣中H2/CO比值理論上為3，有利于用來制造合成氨和氫氣；用來制造其它有機化合物（例如甲醇、醋酸、乙烯、乙二醇等）時此比值需要再加調(diào)整。目前工業(yè)上由天然氣制合成氣的技術(shù)主要有蒸汽轉(zhuǎn)化法和部分氧化法。蒸汽轉(zhuǎn)化法是在催化劑存在及高溫條件下，使甲烷等烴類與水蒸氣反應，生成H2、CO等混合氣，其主反應為CH4 + H2O = CO + 3H2 H=206 kJ/mol該反應是強吸熱的，需要外界供熱。此法技術(shù)成熟

12、，目前廣泛應用于生產(chǎn)合成氣、純氫氣和合成氨原料氣。部分氧化法是由甲烷等烴類與氧氣進行不完全氧化生成合成氣，CH4 + 1/2 O2 = CO + 2H2 H= -35.7 kJ/mol該過程可自熱進行，無需外界供熱，熱效率較高。1.4.2 工藝原理甲烷，水蒸氣轉(zhuǎn)化反應和化學平衡正常正常生產(chǎn)工況下，甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化過程的主要反應有：CH4+H2O = CO+3H2 （1）CO+H2O = CO2+H2 （2）以上二反應均是可逆反應，其中甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化反應式（1）是強烈吸熱反應，在壓力不太穩(wěn)定時，其平衡常數(shù)K僅是溫度的函數(shù)，可由下式計算：（3）（3）式中，T，KP1為平衡常數(shù)，T單位為K，KP1單位

13、為（atm）CO變換反應式（2）為放熱反應，其平衡常數(shù)KP2與溫度的關(guān)系為：(4)各組分的平衡分壓和平衡組成要用平衡時物料衡算來計算。若反應前體系中組分CH4、CO、CO2、H2O、H2、N2的物質(zhì)的量分別為n（CH4）、n（CO）、n（CO2）、n（H2O）、n（H2）、n（N2），設(shè)平衡時CH4反應式（1）的轉(zhuǎn)化量為n x mol，CO反應式（2）的轉(zhuǎn)化量為ny mol，總壓（絕對壓力）為p。根據(jù)物料衡算可計算出反應平衡時各組分的分壓，代入式（1）和式（2）的平衡常數(shù)式，整理后可以得到: (5) (6)根據(jù)反應溫度由（3）和（4）求出KP1和KP2，再將總壓和氣體的初始組成代入（5）和（6

14、）兩式迭代解出nx和ny，即可求出平衡組成。1.4.3 轉(zhuǎn)化催化劑和反應動力學轉(zhuǎn)化催化劑：甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化，在無催化劑時的反應速率很慢，在1000以上才有滿意的速率，然而在高溫下大量甲烷裂解，沒有工業(yè)生產(chǎn)價值，所以必須采用催化劑。催化劑的組成和結(jié)構(gòu)決定了其催化性能，而對其使用是否得當會影響其性能的發(fā)揮。生產(chǎn)中催化劑因其老化、中毒和積碳而失去活性。(1) 轉(zhuǎn)化催化劑的組成和外形 研究表明，一些貴金屬和鎳均具有對甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化的催化活性，其中鎳最便宜，又具有足夠高的活性，所以工業(yè)上一直采用鎳催化劑，并添加一些助催化劑以提高活性或改善諸如機械強度、活性組分分散、抗結(jié)碳、抗燒結(jié)、抗水合等性能。甲烷與水分子

15、的反應是在固體催化劑活性表面上進行的，所以催化劑應該具有較大的鎳表面積。提高鎳表面的最有效的方法是采用大比表面積的載體，來支承、分散活性組分，并通過載體與活性組分間的強相互作用而使鎳晶粒不易燒結(jié)。載體還應具有足夠機械強度，使催化劑使用中不易破碎。為了抑制烴類在催化劑表面酸性中心上裂解析碳，往往在載體中添加堿性物質(zhì)中和表面酸性。一般固體催化劑是多孔物質(zhì)，催化劑顆粒內(nèi)部毛細孔的表面稱之為內(nèi)表面，其上分布有活性組分，反應物分子擴散到孔內(nèi)表面上進行反應，如果孔徑大而短，在孔的深處反應物的濃度較高，反應速率大，產(chǎn)物向外擴散阻力也小，若孔細又長，結(jié)果相反，這些孔的深處可能沒有反應物分子，其內(nèi)表面就沒有被利

16、用。因為催化劑內(nèi)表面積比外表面積大得多，所以內(nèi)表面積對反應速率起著非常重要的作用。為了提高內(nèi)表面利用率，可以減小催化劑顆粒尺寸，改善顆粒外形。(2) 轉(zhuǎn)化催化劑的使用和失活 轉(zhuǎn)化催化劑在使用前是氧化態(tài)，裝入反應器后應先進行嚴格的還原操作，是氧化鎳還原成金屬鎳才有活性。還原氣可以是氫氣、甲烷或一氧化碳。純氫還原可得到很高的鎳表面積，但鎳表面積不穩(wěn)定，在反應時遇水蒸氣會減少，故工業(yè)上是通入水蒸氣并升溫到500以上，然后添加一定量的天然氣和少量氫氣進行還原。水蒸氣存在雖使鎳表面有所下降，但它可將催化劑中的微量硫化物轉(zhuǎn)化成硫化氫氣體而脫除，也可將催化劑中石墨氣化而除去，還可以使反應器內(nèi)溫度均勻，不會產(chǎn)

17、生熱點而損壞催化劑。轉(zhuǎn)化催化劑在使用中出現(xiàn)活性下降的現(xiàn)象的原因主要有老化、中毒、積碳等。催化劑在長期使用過程中，由于經(jīng)受高溫和氣流作用，鎳晶粒逐漸長大、聚集甚至燒結(jié)，致使表面積降低，或某些促進劑流失，導致活性下降，此現(xiàn)象成為老化。許多物質(zhì)，例如硫、砷、氯、溴、鉛、釩、銅等的化合物，都是轉(zhuǎn)化催化劑的毒物。最重要、最常見的毒物是硫化物，極少量的硫化物就會使催化劑中毒，使活性明顯降低，時間不長就完全失活。甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化過程伴隨有析碳副反應，同時也有水蒸氣消碳反應。析出的碳是否能在催化劑上積累，要看析碳速率與消碳速率之比，但析碳速率小于消碳速率時，則不會積碳。這與溫度、壓力、組分濃度等條件有密切關(guān)系。

18、生產(chǎn)中，催化劑活性顯著下降可由三個現(xiàn)象來判斷：其一是反應器出口氣中甲烷含量升高；其二是出口平衡溫距增大。平衡溫距為出口實際溫度與出口氣體組成對應的平衡溫度之差。催化劑活性下降時，出口甲烷含量升高，一氧化碳和氫含量降低，此組成對應的平衡常數(shù)減小，故平衡溫度降低，平衡溫距增大。催化劑活性越低，平衡溫距則越大；其三是出現(xiàn)“紅管”現(xiàn)象。因為反應是吸熱的，活性降低則吸熱減少，而管外供熱未變，多余熱量將管壁燒得通紅。此時管材強度下降，如不及時停工更換催化劑，將會造成重大事故。甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化的反應機理很復雜，從20世紀30年代開始研究至今，仍未取得一致認識。不同研究者采用各自的催化劑和實驗條件，提出了各自的

19、反應機理和動力學方程，以下舉例3種。 (7) (8) (9)式中 r反應速率；k反應速率常數(shù)；KP1轉(zhuǎn)化反應的平衡常數(shù)；p(CH4)、p(H2O)、p(H2)和p(CO)CH4、H2O、H2和CO的瞬時分壓。由以上方程可知，對于一定的催化劑而言，影響反應速率的主要因素有溫度、壓力和組成 3 。（1) 溫度的影響 溫度升高，反應速率常數(shù)增大，由（7）和（8）看，反應速率亦增大；在式（9）中還有一項KP1也與溫度有關(guān)，因甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化因甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化是要吸熱的，平衡常數(shù)隨溫度的升高而增大，結(jié)果反應速率也是增大的。（2) 壓力的影響 總壓增高，會使各組分的分壓也增高，對反應初期的速率提高很有利。此外，加

20、壓尚可使反應體積減小。（3）組分的影響 原料的組成由水碳比決定，H2O/CH4過高時，雖然水蒸氣分壓高，但甲烷分壓過低，反應速率不一定高；反之，H2O/CH4過低時，反應速率也不會高。所以水碳比要適當。在反應初期，反應物H2O和CH4的濃度高，反應速率高。到反應后期，反應物濃度下降，產(chǎn)物濃度增高，反應速率降低，需要提高溫度來補償。轉(zhuǎn)化反應是氣固相催化過程，包括內(nèi)、外擴散和催化劑表面上吸附、反應、產(chǎn)物脫附和擴散等多個步驟，每個步驟對整個過程的總速率都有影響，最慢的一步控制了總速率4-5 。1.4.4 工藝流程和主要設(shè)備工藝流程圖如圖1-1所示，據(jù)此進行物料恒算和熱量恒算圖1-1 工藝流程程圖流程

21、簡介如下：原料天然被壓縮至3.6MPa左右，送到一段爐的對流段預熱至380 至400，熱源是由輻射段來的高溫煙道氣。預熱后氣體進入鈷鉬催化脫硫器，使有機硫加氫變成硫化氫，再到氫化鋅脫硫罐脫硫硫化氫，使天然氣中總含硫量降至0.5×10-6（體積分數(shù)）以下。脫硫后天然氣與中壓蒸汽混合，再送到對流段加熱至500 至520，然后分流進入位于一段爐輻射段的各轉(zhuǎn)化管，自上而下經(jīng)過管內(nèi)催化劑層進行吸熱的轉(zhuǎn)化反應，熱量由管外燃燒天然氣提供。由反應管地步出來的轉(zhuǎn)化氣溫度為800 至820，甲烷含量約9.5%（干基），各管氣體匯合于集氣管并沿中心管上升，由爐頂出來送往二段轉(zhuǎn)化爐。在二段爐入口預熱至450

22、左右的空氣，與一段轉(zhuǎn)化氣中的部分甲烷在爐頂部燃燒，是溫度升至1200 左右，然后經(jīng)過催化劑床層繼續(xù)轉(zhuǎn)化，離開二段爐的轉(zhuǎn)化器約1000，壓力3.0MPa，殘余甲烷低于0.3%(干基），（H2+CO）/ N2=3。從二段轉(zhuǎn)化爐出來的高溫轉(zhuǎn)化氣先后經(jīng)廢熱鍋爐，回收高溫氣的顯熱產(chǎn)生蒸汽，此蒸汽再經(jīng)對流段加熱成為高溫過熱蒸汽，作為工廠動力和工藝蒸汽。轉(zhuǎn)化氣本省溫度降至370左右，送往變化工段。 燃料天然氣先經(jīng)一段爐對流段預熱后，進入到輻射段的燒嘴，助燃空氣由鼓風機送預熱器后也送至燒嘴，在噴射過程中混勻并在一段爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的熱量通過反應管壁傳遞給催化劑和反應氣體。離開輻射段的煙道氣溫度高于1000，在爐

23、內(nèi)流至對流段，依次流經(jīng)排列在此段的天然氣-水蒸氣混合原料氣的預熱器、二段轉(zhuǎn)化工藝空氣的預熱器和助燃空氣預熱器，溫度降至150至200，由排風機送至煙囪而排往大氣。主要設(shè)備：（1）一段轉(zhuǎn)化爐：一段轉(zhuǎn)化爐采用頂燒方箱爐，由輻射段和對流段組成，外壁用鋼板制成，爐內(nèi)壁襯耐火層。轉(zhuǎn)化管豎直排列在輻射段爐膛內(nèi)，總共有300400根內(nèi)徑約70120mm、總長1012m的轉(zhuǎn)化管，每根管內(nèi)裝催化劑。多管型式能提供大的比傳熱面積，而且，管徑小者更有利于橫截面上溫度均勻，提高反應效率。反應爐管的排布要著眼于輻射傳熱的均勻性，故應有合適的管徑、管心距和排間距，此外，還應形成工藝期望的溫度分布，要求燒嘴有合理的布置及熱

24、負荷的恰當控制。反應爐管的入口處溫度500至520，出口處800至820。對流段有回收熱量的換熱管，采用中國西南化工研究院生產(chǎn)的Z-111型一段轉(zhuǎn)化爐用催化劑。（2）二段轉(zhuǎn)化爐：二段轉(zhuǎn)化爐不需要外部供熱，在爐內(nèi)，氧氣與部分甲烷燃燒放熱，使轉(zhuǎn)化反應自熱進行。故采用內(nèi)徑約3m，高約13m的圓筒形轉(zhuǎn)化爐，殼體為碳鋼制成，內(nèi)襯不含硅的耐火材料，爐殼外保溫，與環(huán)境無熱交換，所以，二段爐是一個上部有均相燃燒空間的固定床絕熱式催化反應器，高溫氣體自上而下流過帶孔的耐火磚層、耐高溫的鉻催化劑層、鎳催化劑層，最后由爐下部引出二段轉(zhuǎn)化氣。采用中國西南化工研究院生產(chǎn)的Z-206型二段轉(zhuǎn)化爐用催化劑。（3）鈷鉬加氫脫

25、硫器：為圓筒形設(shè)備，內(nèi)裝兩層催化劑。采用中國T-201型加氫催化劑 。（4）氧化鋅脫硫槽：為立式圓筒形設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與加氫脫硫器相似，采用T-303 型催化劑。脫硫劑的用量可按一年考慮，設(shè)計為兩槽串聯(lián)，使用半年后，第一槽（前槽）更換為新脫硫劑，而將第二槽（后槽）作前槽使用。 這樣總是讓新脫硫劑在串聯(lián)的后槽起把關(guān)作用6-7。第二章 工藝計算2.1 設(shè)計條件進一段爐原料氣組成如下表，進口溫度510。原料氣組成組分N2H2CO2CH4C2H6C3H8C4H10C5H12合計mol%2.5110.1010.01194.2192.1610.1990.0980.7100空氣組成組分N2O2Armol%782

26、11進二段爐空氣中加10%的蒸汽（安全目的）進合成系統(tǒng)合成氣組成合成氣組成組分H2N2CH4Ar合計mol%73.9524.651.080.32100一段轉(zhuǎn)化的H2O/C=3.5一段轉(zhuǎn)化壓力P3.1MPa二段轉(zhuǎn)化壓力P2.97MPa上升管出氣溫度856一段爐轉(zhuǎn)化反應CH4H2O3H2COCOH2OH2CO2CH42H2O4H2CO2C2H64H2O7H22CO2C3H86H2O10H23CO2C4H108H2O13H24CO2C5H1210H2O16H25CO2二段爐反應H2+O2=2H2OCH4H2O3H2COCH42H2O4H2CO2COH2OH2CO2空氣中的氧氣按下式全部生成水O2 +

27、 2H2 = 2H2O設(shè)CO2吸收塔出口CO2含量為0.1%（干基），此CO2在甲烷化爐中按下式全部轉(zhuǎn)化為CH4CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O每生產(chǎn)一噸氨耗氫96.025kmol ，高于理論值；耗二段轉(zhuǎn)化氣量142.68kmol2.2 物料衡算2.2.1 物料衡算主要方程式一段爐轉(zhuǎn)化反應：CH4H2O3H2COCOH2OH2CO2CH42H2O4H2CO2C2H64H2O7H22CO2C3H86H2O10H23CO2C4H108H2O13H24CO2C5H1210H2O16H25CO2二段爐反應：H2+O2=2H2OCH4H2O3H2COCH42H2O4H2CO2COH2OH2C

28、O2甲烷化反應：CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O2.2.2 物料衡算基準2.2.2.1以生產(chǎn)1噸氨為基準計算1、計算基準100kmol純氫、氮氣。2、以100kmol原料氣為基準，按照一段路轉(zhuǎn)化反應方程式，計算100kmol 原料氣可提供的總氫氣量為0.101+94.219×4+2.161×7+0.199×10+0.098×13+0.7×16=406.568 kmol/100kmol原料氣3、以100kmol合成氣為基礎(chǔ)，計算原料氣的量G、進二段爐空氣的量A以及CO2回收量 ； N2 平衡：0.002511×G+0.78&

29、#215;A=24.65H2平衡：由合成氣組成知1mol CH4消耗4mol H2，在二段爐中1mol O2消耗2mol H2，則有G×4.06568-2×0.21×A-1.08×4=73.95聯(lián)立以上兩式可解出：G=22.509 kmol A=31.53 kmol 。合成每噸氨氣：需要原料氣量22.509×142.68/100=32.12kmol/t NH3空氣需要量31.53×142.68/100=44.99kmol/t NH3水蒸氣需求量=進一段爐空氣量+進二段爐空氣量×10%天然氣總碳指數(shù)=（94.219+2.161

30、×2+0.199×3+0.098×4+0.7×5）/100=1.0234則需要的水蒸氣的量=32.12×1.0234×3.5+44.99×10%=119.55kmol/t NH3CO2回收量=32.12×(1.0234+0.00011)-142.68×0.0108=31.33kmol/t NH3按日產(chǎn)千噸氨氣計算消耗的原料量日產(chǎn)千噸氨生產(chǎn)消耗的原料量物料原料氣工藝空氣水蒸氣CO2回收消耗/（kmol/t NH3)32.1244.99119.5531.33消耗/(kmol/h)1338.3331874.58

31、34981.251305.4172.2.2.2 循環(huán)氫氣量計算設(shè)定出加氫轉(zhuǎn)化器的出口氫氣量為5%，再計算一段爐出口物料組成，通過計算平衡溫差判斷出口氫氣量的設(shè)定是否合理，經(jīng)過計算得只當出口氫氣量為5%時，平衡溫差t=63，與生產(chǎn)中控制一段爐的平衡溫距2228的范圍相差過大，結(jié)果不合理。重新設(shè)定出口氫氣量含量為4.5%。計算結(jié)果如下。循環(huán)氫氣（合成氣）中氫氣組分為74.113%H2的平衡方程 0.001×y+0.7395×(1-y)=1.0×0.045解得 y=0.9334 1-y=0.0666可知0.9334kmol 原料氣加氫轉(zhuǎn)化需要循環(huán)氣為0.0666kmol

32、 ，則每噸NH3需要循環(huán)氫氣量為：32.12×0.0666÷0.9334=2.292kmol/t NH3出轉(zhuǎn)化器氣體量為：32.12+2.292=34.41kmol加氫轉(zhuǎn)化器進出口物料組成見下表：進出加氫轉(zhuǎn)化器氣體組成組分進-天然氣量進-循環(huán)氣量出-總氣體量mol%kmol/t NH3kmol/hmol%kmol/t NH3kmol/hmol%kmol/t NH3kmol/hN22.511 0.807 33.606 24.650 0.565 23.541 3.986 1.372 57.146 H20.101 0.032 1.352 73.950 1.695 70.622 4

33、.50 1.727 71.974 CO20.011 0.004 0.147 0.010 0.004 0.147 CH494.219 30.263 1260.964 1.080 0.025 1.031 88.516 30.288 1261.996 C2H62.161 0.694 28.921 2.017 0.694 28.921 C3H80.199 0.064 2.663 0.186 0.064 2.663 C4H100.098 0.031 1.312 0.091 0.031 1.312 C5H120.700 0.225 9.368 0.653 0.225 9.368 Ar0.320 0.007

34、 0.306 0.021 0.007 0.306 合計10032.121338.331002.29295.510034.4121433.832.2.3 一段轉(zhuǎn)化爐物料衡算1、計算依據(jù)天然氣總碳指數(shù) =（88.02+2.017×2+0.186×3+0.091×4+0.653×5）/100=0.962則需要的水蒸氣的量=34.412×0.962×3.5=115.865kmol/t NH3 =4827.71 kmol/h進一段爐氣體總量=出加氫轉(zhuǎn)化器氣體+水蒸汽量 =34.412+115.865 =150.277 kmol/t NH3進一段

35、爐氣體組成進一段爐氣體組成組分N2H2CO2CH4C2H6C3H8C4H10C5H12Ar合計mol%3.9865.020.0188.5162.0170.1860.0910.6530.021100水碳比為3.5一段轉(zhuǎn)化壓力P3.1MPa二段轉(zhuǎn)化壓力P2.97MPa上升管出氣溫度856出口轉(zhuǎn)化氣中CH4含量為9.7%（干基）出口溫度下，CO轉(zhuǎn)化反應達到平衡即氣體組成滿足：kp=pCO2·pH2pCO·pH2O=nCO2·nH2nCO·nH2O查設(shè)計資料氮肥工藝設(shè)計手冊 理化數(shù)據(jù)得知當t=856 時，kp=0.8432、計算過程一段爐出口氣體量的計算設(shè)nCO

36、 、nCO2 、nH2 分別表示轉(zhuǎn)化爐出口氣中的CO、CO2、H2的物質(zhì)的量。nH2O表示反應掉的蒸汽的物質(zhì)的量，nH2O表示轉(zhuǎn)化爐出口氣中H2O的物質(zhì)的量，V表示干氣的物質(zhì)的量。 C平衡： 0.004+30.288+0.694×2+0.064×3+0.031×4+0.225×5 = nCO + nCO2 +0.097V整理得：1380.04= nCO + nCO2 +0.097V H2平衡： 71.974+1261.996×2+28.921×3+2.663×4+1.312×5+9.368×6+4827.

37、71 = nH2 +2×0.097V +4827.71- nH2O 整理得：2756.149= nH2 +0.194V- nH2O O2平衡： 0.147+0.5×4827.71=0.5×4827.71-0.5×nH2O +0.5nCO+ nCO2整理得： 0.294=2 nCO2 + nCO - nH2O 總氣量V= nCO + nCO2 +0.097V+ nH2 + nN2 + nAr = nCO + nCO2 +0.097V+ nH2 +57.452 - nH2 = V-1437.492 + nH2O =1.194V-4193.641 - 聯(lián)立 n

38、CO2 =1.291V-5573.387 nCO=6953.427-1.388V nH2O=4827.71- nH2O=9021.351-1.194V 因為 kp=pCO2·pH2pCO·pH20=nCO2·nH2nCO·nH2O=0.843得到 1.291V-5573.387（ V-1437.492）6953.427-1.388V（9021.351-1.194V）=0.843整理 V2-95528V+423274519=0解得 V=4658 kmol/h將V值代入得nH2=3220.5 kmol/hnH2O=3459.7 kmol/hnCO=388.1

39、 kmol/hnCO2=440.0 kmol/hnCH4=451.8 kmol/hnH2O=1368 kmol/hn濕=3459.7+4658=8117.7kmol/h3.一段爐平衡溫距的計算kpCH4=pCO·p3H2pCH4·pH2O=nCO·n3H2nCH4·nH2O(Pn濕)2=488.1×3220.53451.8×3459.7×(30.698117.7)2=305.8查設(shè)計資料得t=824 ，故得平衡溫距t=856-824=32。一段爐進出口物料組成表組分進出mol%kmol/hmol%kmol/hN23.9855

40、6157.146 1.25357957.146 H25.01968871.974 70.645883220.5CO20.0102670.147 9.669525440.8CH488.015511261.996 9.910825451.8C2H62.01706728.921 00C3H80.1857462.663 00C4H100.0914731.312 00C5H120.6533779.368 00Ar0.0213130.306 0.0067040.306 CO8.513482388.1干氣1001433.833 1004558.652 H2O4827.713459.7濕氣6261.543 8

41、018.352 2.2.4二段轉(zhuǎn)化爐物料衡算1、計算依據(jù)：二段爐出口CH4含量為0.033%（干基）；出口氣體溫度為1003；出口壓力為2.97MPa；補充蒸汽為工藝蒸汽量的10%。2、計算過程二段爐出口轉(zhuǎn)化氣氣體量的計算二段爐入口的工藝空氣的量為1874.583kmol/h ，補充蒸汽量為187.5kmol/h 。設(shè)nCO 、nCO2 、nH2 分別表示轉(zhuǎn)化爐出口氣中的CO、CO2、H2的物質(zhì)的量。nH2O表示反應掉的蒸汽的物質(zhì)的量，nH2O表示轉(zhuǎn)化爐出口氣中H2O的物質(zhì)的量，V表示干氣的物質(zhì)的量。則有C平衡：nCO + nCO2 +0.0033V=1380.04 H2平衡：nH2 + 0.

42、0033V×2+ ( 3459.7+187.5 ) - nH2O= 3220.5+451.8×2+ ( 3459.7+187.5 )整理得：4124.1= nH2 + 0.0066V - nH2O O2平衡：440.8+388.1×0.5+ ( 3459.7+187.5 ) ×0.5+0.21×1875= 0.5nCO +nCO2 + ( 3459.7+187.5 ) ×0.5- 0.5nH2O整理得： 2037.04=nCO + 2nCO2 - nH2O 干氣物質(zhì)的量V= nCO + nCO2 + nH2 + nN2 + nAr+

43、nCH4 = nCO + nCO2 + nH2 +57.146+0.306+0.79×1875+0.0033V整理得 V= nCO + nCO2 + nH2 +1538.702+0.0033V 設(shè)出口條件下，CO轉(zhuǎn)化反應達到平衡，查設(shè)計資料得該條件下 kpCO=0.566kpCO =pCO2·pH2pCO·pH20=nCO2·nH2nCO·nH2O +得 V= nH2+2918.742 將代入得 nH2O=1.0066 nH2- 4104.84 -得 657-0.0033V = nCO2 - nH2O 將代入得 nCO2 =1.0099 nH2

44、-3438.2 將代入得 nCO =4808.6-1.0132 nH2 出二段爐氣體中nH2O=3459.7+187.5- nH2O =7752.04-1.0066 nH2 將代入kpCO=(1.0099 nH2-3438.2) ·nH24808.6-1.0132 nH2·(7752.04-1.0066 nH2)=0.566整理得n2H2 + 8711.8 -49051800 = 0從而解得 nH2= 3891.7 kmol/h將解得的nH2代入得nH2O=3834.7 kmol/hnCO=865.4 kmol/hnCO2=492.03 kmol/hnCH4=22.47 k

45、mol/hnH2O=-187.5 kmol/h （負號表示反應完成后體系內(nèi)水含量增加）出口干氣V= nH2 +2918.742=6810.4kmol/hn濕=V+ nH2O= 10645.1 kmol/h3、二段轉(zhuǎn)化爐平衡溫距的計算二段轉(zhuǎn)化爐出口壓力為2.97MPa。則kpCH4=pCO·p3H2pCH4·pH2O=nCO·n3H2nCH4·nH2O(Pn濕)2=865.4×3891.7322.47×3834.7×(29.710645.1)2=4987.9查設(shè)計資料知kpCH4=4987.9 時，對應t=963；故平衡溫距t

46、=1003-963=40二段轉(zhuǎn)化爐進出口物料衡算表組分進出mol%kmol/hmol%kmol/hN223.616041519.256 22.30951519.256 H250.0613220.557.147623891.7CO26.852007440.87.225209492.03CH47.022996451.80.3299622.47O26.119007393.645Ar0.29613819.0510.27975419.051CO6.032813388.112.70796865.4干氣1006433.152 1006809.907 H2O3459.73834.7濕氣10644.607 2.

47、3能量衡算2.3.1 已知數(shù)據(jù)一段轉(zhuǎn)化爐進出、口各物料量見上表；基準溫度取298K。反應器入口溫度為370(643K)，出口溫度為856(1129K)，各組分在對應溫度下的平均摩爾熱容值以及各組分在298K的生成熱可從文獻中查出8-13。組分643K1129KCH4-7490045.256.77CO-11060029.831.19CO2-39370043.448.39H2029.229.57N2029.630.91Ar029.630.91H2O-24200035.137.592.3.2 計算過程原料混合氣370一段轉(zhuǎn)化氣856一段轉(zhuǎn)化氣298K原料混合氣298K（25）H1H3H2本穩(wěn)態(tài)流動反

48、應體系的熱量衡算按下式計算。即： （1）下面分別計算輸入端和輸出端的總焓。一段轉(zhuǎn)化爐輸入端的焓（每小時）輸入組分n/kmol/kJ/K/kJCH41262.00-9452380034519679628CO003450CO20.147-578743452201H271.9740345725066N257.1460345583575Ar0.30603453125H2O4828-95832000034558464666合計6220-105290167479458261H入 = -1052901674+79458261=-973443413kJ一段轉(zhuǎn)化爐輸出端的焓（每小時）輸出組分/kmol/kJ/K

49、/kJCH4451.8-3383982078020005975.1CO388.1-429238607809441774.42CO2440.8-17354296078016637643.36H23220.5078074279544.3N257.14607801377778.63Ar0.30607807377.6H2O3459.7-837247400780101439096合計8018.352-1087554040223189189H出 = -1087554040 + 223189189 = -864364851kJQP=H出-H入=-864364851-973443413=1.1×10

50、8KJQ為正值，說明需要向反應器供給熱量，每輸入1200kmol原料天然氣需要供熱1.1×108KJ 。2.4 管徑計算由流體的常用流速范圍，初步選定管內(nèi)流體流速，按下式計算管子的內(nèi)徑，并修正到符合公稱直徑要求。式中：流體在操作條件下的體積流量，； 流體的流速，； 管子內(nèi)徑，(1) 預熱后原料天然氣管道：操作條件為：溫度510，壓力3.1MPa，流量1433.833kmol/h由PV=nRT，得操作狀態(tài)下的體積流量:V=nRTP=1433.83×8.314×510+273×1033.1×106=3011m3/h初選流速u=14 m/s，則d=4

51、×30113.14×14×3600=276mm選中299×10的無縫鋼管，d=279mm，實際的流速：u=4Vd2=4×30113.14×0.2792×3600=13.7m/s(2) 工藝蒸汽管道操作條件為：溫度316，壓力3.62MPa，流量4828kmol/h由PV=nRT，得操作狀態(tài)下的體積流量:V=nRTP=4828×8.314×273+316×1033.62×106=6531m3/h初選流速u=18 m/s，則d=4×65313.14×18×3600=358mm選中377×6的無縫鋼管，d=365mm，實際的流速：u=4Vd2=4×65313.14×0.3652×3600=17.3m/s（3）混合氣管道：操作條件為：溫度370，壓力3.1MPa，流量6262kmol/h由PV=nRT，得操作狀態(tài)下的體積流量:V=nRTP=6262×8.314×273+370×1033.1×106=10798m3/h初選流速u= 19m/s，則d=4×107983.14×19×3600=448mm選中4