【正文】 60%，弛放氣 40%（體）。 CO變換工序采用了高變串低變的工藝流程路線，經(jīng)過(guò)低溫變換后的氣體中 CO含量為 %左右。 其次，我國(guó)天然氣工業(yè)高速發(fā)展方興未艾。氨合成反應(yīng)式如下： N2+3H2→2NH3(g) ΔH= ； 天然氣合成氨轉(zhuǎn)化工序 的工藝原理 本設(shè)計(jì)中的合成氨轉(zhuǎn)變工序是指轉(zhuǎn)化工序和變換工序的合稱(chēng)。 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。 中國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。 自從 20世紀(jì) 70年代計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到合成氨生產(chǎn)以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍。 (二 ) 生產(chǎn)規(guī)模大型化 20 世紀(jì) 50 年代以前，氨合成塔的最大能力為日產(chǎn) 200t 氨，到 60 年代初期為400t。傳統(tǒng)方法還是采用高溫下將各種燃料和水蒸氣反應(yīng)制造氫。合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。氨與空氣或氧的混合物在一定范圍內(nèi)能夠發(fā)生爆炸。氣和水到處都有，而且取之不盡。只要資源條件具備作為合成氨的 原料。 20世紀(jì) 60年代以前的過(guò)程控制多采取分散方式，在獨(dú)立的幾個(gè)車(chē)間控制室中進(jìn)行。此外在上海還有一個(gè)電解水制氫生產(chǎn)合成氨、硝酸的小型車(chē)間。 ② 脫硫脫碳過(guò)程 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(guò)程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，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(hù)轉(zhuǎn)化催化劑。甲烷化反應(yīng)如下： CO+3H2→CH4+H2O ΔH= ； 9 333333 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) CO2+4H2→CH4+2H2O ΔH= ； (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。地質(zhì)資源總量約 38～ 39 萬(wàn)億立方米，列世界第十位，其中陸上 30 萬(wàn)億立方米，海上 9 萬(wàn)億立方米。煤頭技術(shù)中，固定層氣化流程，雖然工藝成熟，但氣化消耗高，環(huán)保污染嚴(yán)重、難以達(dá)標(biāo)、廠區(qū)環(huán)境惡劣；水煤漿氣化技術(shù)對(duì)煤種要求特別高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔點(diǎn)、固定碳含量。 二段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)依據(jù)： 空氣組成： N2： 78%； O2： 21%； Ar： 1%； 補(bǔ)加蒸汽量為加入空氣量的 10%； 出口甲烷含量： %； 出口壓力： ； 出口溫度： 1003℃ ?！? CP 煙氣 (0～ 252℃ ) = ++++ = kcal／ kmol經(jīng)高變處理后，氣體中 CO降到 ％左右，溫度為 425～ 440℃ 。在目前我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)里，煤炭占 67％，石油占 20％，而天然氣卻只占 ％，遠(yuǎn)低于 ％的世界平均水平。 目前，各種方法制取的原料氣都含有 CO，其體積分?jǐn)?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。為了防止對(duì)氨合成催化劑的毒害，規(guī)定 CO和 CO2總含量不得大于 10cm/m(體積分?jǐn)?shù) )。 1973年開(kāi)始，首批引 7 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 進(jìn) 13套年產(chǎn) 300kt合成氨的成套裝置 (其中 10套為天然氣為原料，建在川化、瀘天化、云南、貴州等地 )，為了擴(kuò)大原料范圍， 1978年又開(kāi)始第二批引進(jìn) 4套年產(chǎn) 300kt合成氨裝置。近年由于機(jī)電一體化需要邏輯控制和模擬控制計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等功能相 結(jié)合，各儀表廠家的產(chǎn)品已從單一的邏輯控制，趨向多種控制功能結(jié)合為一體。 (三 ) 低能耗新工藝 合成氨，除原料為天然氣、石油、煤炭等一次能源外。石腦油經(jīng)脫碳、氣化后，可采用和天然氣為原料的相同生產(chǎn)裝置制氨。氨作為最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，同時(shí)也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10%的能源用于合成氨。人們?cè)诖笥?100cm3/m3氨的環(huán)境中，每天接觸 8小時(shí)會(huì)引起慢性中毒。 transformation； 2 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 1 正文 氨的性質(zhì)、用途及重要性 氨的性質(zhì) 氨分子式為 NH3，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無(wú)色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。 合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到 1億噸以上，其中約有 80%的氨用來(lái)生產(chǎn)化學(xué)肥料， 20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。一些沒(méi)有天然氣資源的國(guó)家，如日本、英國(guó)在解決了石腦油蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò)程的析碳問(wèn)題后， 1962 年開(kāi)發(fā)成功石腦油為原料生產(chǎn)合成氨的方法?，F(xiàn)在世界上規(guī)模最大的合成氨裝置為日產(chǎn) 1800t氨， 1991年在比利時(shí)的安特衛(wèi)普建成投產(chǎn)。與此同時(shí)，報(bào)警、連鎖系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)，采用了微機(jī)技術(shù)的可編程序邏輯控制器（ PLC）代替過(guò)去的繼電器，采用由用戶編寫(xiě)的程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)的 “開(kāi) ”或 “停 ”和復(fù)雜程序不同的各種邏輯控制，計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、模擬控制等。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性，1972年 2月中國(guó)作出了成套引進(jìn)化學(xué)肥料技術(shù)和設(shè)備的決定。 ③ 氣體精制過(guò)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。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。天然氣作為化石能源中污染最少的能源，熱值相應(yīng)高于煤炭與石油。 含 CO的原料合成氣經(jīng)換熱器降溫，在壓力 MPa、溫度 371℃ 下進(jìn)入高變爐（因原料氣中水蒸氣含量較高，一般不需要加蒸汽）?！? = kJ／ kmol A. 列元素平衡關(guān)系式（各未知數(shù)表示與一段轉(zhuǎn)化爐相同）得： C 平衡 ++=nCO+nCO2 + 化簡(jiǎn)為 =nCO+nCO2 + （ 1） H2 平衡 +2+ （ + ） =nH2+2+（ +′H2O） 化簡(jiǎn)為 =nH2+ n′H2O （ 2） O2平衡 1 21 ++nCO+1 212（ +） +=nCO2+(+′H2O) 化簡(jiǎn)為 =nCO+′H2O （ 3） 進(jìn)出二段爐總物料守衡 V=nCO+nCO2+nH2+nN2+nAr+nCH4 代值化簡(jiǎn)為 =nCO+nCO2+nH2++ （ 4） 設(shè)出口條件下 CO變換反應(yīng)達(dá)到平衡則在 1003℃ 下 （ 5） 設(shè)出口 （摩爾比）為 18 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 即 nN2（ 6） （ 1 ） （ 4 ）得 V=++nH2 （ 7） 由（ 7 ）式得 nco+nH2= 則 nco =（ +） nH2 化簡(jiǎn)得 nco=+ nH2 （ 8） 將（ 7）（ 8）代入（ 1）式得 =+ nH2+ nCO2+（ ++ nH2） 化簡(jiǎn)得 nCO2=+ 將（ 7）代入（ 2）得 n′H2O= nH2+ 將（ 8）（ 9）（ 10）代入（ 3）得 y= nH2 將上式分別 代入（ 8）（ 9）（ 10）得 nco=+（ nH2） nH2 化簡(jiǎn)得 nco= nH2 nCO2= n′H2O= nH2+（ nH2） 化簡(jiǎn)得 n′H2O= nH2O=+ n′H2O =+（ nH2） nH2+ 化簡(jiǎn)得 nH2O= nH2 將（ 12）（ 13）（ 14）（ 15）代入（ 5）式得 化簡(jiǎn)得 H2+=0 解之得 nH2= kmol／ h nco= kmol／ h nCO2= kmol／ h nH2O= kmol／ h 19 （ 9） （ 10） （ 11） （ 12）（ 13） （ 14）（ 15） 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) y= 故二段爐入口空氣組成 如下表： 組 分 N2 O2 Ar 合計(jì) mol（干）％ 78 21 1 100 kmol/h kg/h 補(bǔ)加的水蒸氣量為 Q== kmol/h 二段爐出口總干氣為 V=++nH2= kmol/h 殘余甲烷含量為 nCH4=％ = kmol/h 轉(zhuǎn)化掉的水量 nH2O== kmol/h 二段轉(zhuǎn)化爐出口氣組成如下表： 組 分 CO CO2 H2 CH4 N2 Ar 干氣 H2O 合計(jì) B. 二段轉(zhuǎn)化爐平衡溫距的計(jì)算 20 mol（干）％ kmol/h 31． 2439 kg/h 499． 9 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 二段爐出口處絕對(duì)壓強(qiáng) P=+= Mpa 則 kpCH4 = = = 查 [2]，對(duì)應(yīng)溫度 t=℃ 則平衡溫距 △t==℃ C. 二段轉(zhuǎn)化爐理論氫空速的計(jì)算 以 1atm、 60℉ （ ℃ ）為計(jì)算基準(zhǔn) 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化爐內(nèi)觸媒裝填量 V′為 SVH2= 代值得 = h1 該流程設(shè)計(jì)參考值為 3500 h1 。 11 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì) 工藝流程的選擇 本設(shè)計(jì)主要是轉(zhuǎn)化和變換工序的工藝設(shè)計(jì)，所選流程為： 天然氣 變換氣去甲烷化 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化和變換工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的 一步，因?yàn)槟芊裾Ｉa(chǎn)出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。已探明儲(chǔ)量約 萬(wàn)億立方米，僅占資