【正文】 故 n實(shí) = = kmol／ kmol混合燃料 干空氣中各組分的量為 nO2== kmol／ kmol混合燃料 nN2== kmol／ kmol混合燃料 nAr== kmol／ kmol混合燃料 查 [3] 設(shè)計(jì)空氣入口溫度為 30℃ ，相對(duì)濕度為 70%。天然氣經(jīng)加氫脫硫，出口總硫量小于 后，在壓力 、溫度 380℃ 左右 的條件下配入中壓蒸汽達(dá)到水碳比為 （ R=），進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐的對(duì)流段加熱，氣體一邊加熱一邊反應(yīng)，出反應(yīng)管的溫度在 822℃ 左右，最后沿集氣管中間的上升管上升，繼續(xù)吸收一些熱量，使溫度升到 850℃ 左右，經(jīng)輸氣總管送往二段轉(zhuǎn)化爐。近年來，國家對(duì)環(huán)境問題越來越重視。在一段轉(zhuǎn)化爐里，大部分烴類與蒸汽于催化劑作用下轉(zhuǎn)化成 H CO和 CO2。 一般采用溶液吸收法脫除 CO2。到 60 年代中期中氮已投產(chǎn)了 15 家。 DCS是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和熒光顯示技術(shù)（ CRT）相結(jié)合的產(chǎn)物。大型化的優(yōu)點(diǎn)是投資費(fèi)用低，能量利用率高，占地少，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。 表 （ %） 原料 29 焦炭、煤 .2 焦?fàn)t氣 天然氣 .6 26 9. 重油 2 16 5 合計(jì) 100 100 100 100 100 0 100 5 100 0 100 5 100 6. 其它 19 18 15 60 5. 0. 1. 3 22 65 39 53 37 8 20 53 65 5. 71 75 80 85 90 191919191919191919 石腦油 20 6 由表 11可知，合成氨的原料構(gòu)成是從以固體燃料為主轉(zhuǎn)移到以氣體燃料和液體原料為主。氨主要用于農(nóng)業(yè)，合成氨是我化肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是最重要的氮素肥料，其他 氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分均占 70%的比例，稱之為 “化肥氨 ”； 同時(shí)氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占 30%的比例，稱之為 “工業(yè)氨 ”。 設(shè)計(jì)采用的工藝流程簡介：天然氣經(jīng)過脫硫壓縮進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐，把 CH4 和烴類轉(zhuǎn)化成 H2，再經(jīng)過二段爐進(jìn)一步轉(zhuǎn)化后換熱進(jìn)入高變爐，在催化劑作用下大部分 CO和水蒸氣反應(yīng)獲 H2 和 CO2，再經(jīng)過低變爐使 CO 降到合格水平，去甲烷化工序。 氨的化學(xué)性質(zhì)有：在常溫下相當(dāng)穩(wěn)定，在高溫、電火花或紫外光的作用下可分解為氮和氫。 3 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展 (一 ) 原料構(gòu)成 的變化 為了合成氨，首先必須提供氮和氫。 表 12 為各種原料的日產(chǎn) 合成氨廠，相對(duì)投資和能量消耗比較。 以天然氣為原料的日產(chǎn) 1000t合成氨裝置噸氨能耗目前已從 20世 紀(jì) 70年代的 下降到 左右，而且以天然氣為原料的大型氨廠的所需動(dòng)力約有85%可由余熱供給。這些都表示氨生產(chǎn)技術(shù)自動(dòng)化進(jìn)入新的階段，改變了幾十年合成氨生產(chǎn)控制的面貌。第一步是高溫變換，使大部分 CO轉(zhuǎn)變?yōu)?CO2和 H2；第二步是低溫變換，將 CO含量降至 %左右。甲烷化法是在催化劑存在下使少量 CO、 CO2與 H2 反應(yīng)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?jǐn)?shù) )一般應(yīng)小于 %。本設(shè) 計(jì)選擇天然氣作為原料，主要考慮到我國天然氣資源豐富及清潔節(jié)能等原因，詳如下述?？梢?，在這 4 種原料中，以煤為原料制氨成本最低 ,然而，以 煤為原料合成氨能耗遠(yuǎn)大于天然氣（見表 11）。 13 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 2 設(shè)計(jì)工藝計(jì)算 轉(zhuǎn)化段物料衡算 原料氣（入加氫轉(zhuǎn)化器天然氣）組成如下表： 組 分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 ∑干 循環(huán)氫氣組 成如下表： 組 分 N2 H2 Ar CH4 合 計(jì) 出加氫器氣體組成如下表： 14 mol（干）％ 89． 00 5． 00 kmol/h 1120． 00 kg/h 1680． 00 kmol/h 78． 80 kg/h 545 117 9 13 684 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 組 分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2 Ar 合 計(jì) 一段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 計(jì)算數(shù)據(jù)依據(jù)： 水碳比 R= 一段爐出口甲烷含量設(shè)計(jì)為 10％ 一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度： 822℃ 一段轉(zhuǎn)化爐出口壓力： （表壓） A. 物料衡算： 總碳流量： ∑C=+562+3+4+5 = 水碳比： R= 故加入水蒸汽量： nH2O= = 設(shè)一段轉(zhuǎn)化爐出口 CO、 CO H2 的含量分別為 nCO、 nCO2和 nH2，干轉(zhuǎn)化氣總量為 V kmol/h,轉(zhuǎn)化消耗水蒸汽量為 n′H2O kmol/h?！? 混合燃料氣的平均熱容如下表： 組 分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 H2 NH3 Yi CPi(0～ 105℃ ) kcal／ kmol由于此時(shí)氣體溫度還不能進(jìn)行低溫變換，于是將變換氣用來加熱其它工藝氣體，而變換氣被冷卻到 241℃ 后進(jìn)入低變爐。 第三，以天然氣為原料合成氨工藝比重油和煤為原料的工藝成本低，而且能耗低。因此，CO變換既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程。 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。特別是于 90年代初在川化建成投產(chǎn)的年產(chǎn) 20萬噸合成氨裝置達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國際先進(jìn)水平。 此外，若配置有高一級(jí)管理、控制功能的上位機(jī)系統(tǒng)，還能進(jìn)行全廠綜合優(yōu)化控制和管理，這種新穎的過程控制系統(tǒng)不僅可以取代常規(guī)模擬儀表，而且還可以完成局部優(yōu)化控制以及模擬儀表難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜自控系統(tǒng)?，F(xiàn)在合成氨能耗占世界能源消費(fèi)總量的 5 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 3%，中國合成氨生產(chǎn)能耗約占全國能耗的 4%。為了擴(kuò)大原料范圍，又開發(fā)了用重油部分氧化法制氫。據(jù)統(tǒng)計(jì) 1994年世界氨產(chǎn)量為 ，其中中國、美國、印度、俄羅斯四個(gè)主要產(chǎn)氨國占了一半以上。氨水溶液呈堿性，易揮發(fā)。 natural gas。硝酸、各種含氮的無機(jī)鹽及有機(jī)中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料生產(chǎn)。因?yàn)樘烊粴獗阌诠艿肋\(yùn)輸，用作合成氨的原料具有投資省、能耗低等明顯優(yōu)點(diǎn)。但是，大型的單系列合成氨裝置要求能夠長周期運(yùn)行，對(duì)機(jī)器和設(shè)備質(zhì)量要求很高，而且在超過一定規(guī)模以后，優(yōu)越性并不十分明顯了。操作 人員對(duì)于人一控制點(diǎn)、控制單元、生產(chǎn)設(shè)備、車間以及全廠的運(yùn)作情況進(jìn)行隨機(jī)或定勢(shì)的觀察，只要通過鍵操作調(diào)出相應(yīng)的畫面，即可把所需內(nèi)容顯示在 CRT 上，以便監(jiān)視、控制和修改某些參數(shù)。 第二、小型氨廠的發(fā)展 從 20世紀(jì) 60年代開始在全國各地建設(shè)了一大批小型氨 廠， 1979年最多時(shí)曾發(fā)展到 1539座氨廠。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法 (Rectisol)，聚乙二 醇二甲醚法 (Selexol)，碳酸丙烯酯法。 CH4+H2O→CO+3H2 CH4+2H2O→CO+4H2 二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度約 950～ 1000 ℃ ，殘余甲烷含量和（ H2+CO） /N2比均可達(dá)到指標(biāo)。無論是在傳統(tǒng)的天然氣產(chǎn)區(qū)，還是在新的天然氣勘探開發(fā)區(qū)，近幾年，我國天然氣工業(yè)的發(fā)展都呈現(xiàn)出前所未有的良好態(tài)勢(shì)。 12 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 經(jīng)二段轉(zhuǎn)化后的合成氣送入第一換熱器（ 101C），接著又送入第二換熱器（ 102C），使合成氣溫度由 1003℃ 降到 360℃ 左右，利用這些能量制取高壓蒸汽?！? CPi(0～ 252℃ ) kcal／ kmol a、 轉(zhuǎn)化管熱負(fù)荷計(jì)算 21 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)化管入口統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（ 510℃ ）如下表： 組 分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2 Ar 干氣 H2O 合計(jì) ni kmol/h 8． 9600 0． 2020 Hi kcal／ kmol 10764 niHi kJ／ h 106 106 106 106 10 106 106 106 106 106 10 66 轉(zhuǎn)化管出口氣統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（ 822℃ ）如下表： 組 分 CO CO2 H2 CH4 N2 Ar 干氣 H2O 合計(jì) ni kmol/h Hi kcal／ kmol niHi kJ／ h 106 106 106 10 10 106 106 106 106 66 故一段爐轉(zhuǎn)化管的熱負(fù)荷 Q1為： △H= H2 H1 = 10 （ 10） 22 6 6 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) =106 kJ／ h Q1 =△H=106 kJ／ h 一段爐上升管氣統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（ 850℃ ）如下表： 組 分 CO CO2 H2 CH4 N2 Ar 干氣 H2O 合計(jì) ni kmol/h Hi kcal／ kmol niHi kJ／ h 106 106 106 106 10 106 106 106 106 6 故上升管的熱負(fù)荷 Q2為： Q2= H3 H2 =10kJ／ h 輻射段總熱負(fù)荷 Q為： Q= Q2 + Q1 =106 +106 6 =106 kJ／ h b、 一段轉(zhuǎn)化爐輻射段混合燃料計(jì)算和熱量衡算 計(jì)算數(shù)據(jù)依據(jù)： （ 1） 混合燃料氣進(jìn)入輻射段溫度為： 510℃ ； （ 2） 根據(jù) [3] 燃料氣組成為：天然氣