【文章內(nèi)容簡介】 原料的工藝成本低，而且能耗低。根據(jù)計算，若大型氨廠分別用石腦油、渣油、 天然氣和煤為原料制氨，其價格分別按 1800元 /t、 1400 元 /t、 元 /m3和 260 元 /t 計，中壓蒸汽價格按 78 元 /t 計，對應的合成氨成本分別為 1721 元 /t、 1557 元 /t、 1493 元 /t 和 1021 元 /t。可見，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大于天然氣（見表 ）。天然氣工藝技術目前最可靠。 工藝流程的選擇 本設計主要是轉(zhuǎn)化和變換工序的工藝設計，所選流程為： 蒸汽 空氣 二氧化碳 氨 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，也是較為關鍵的一步，因為能否正常生產(chǎn)出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。在本設計中，甲烷和其他烴類轉(zhuǎn)化為 CO 和 H2的轉(zhuǎn)化工序采用的是兩段爐催化轉(zhuǎn)化，經(jīng)過二段轉(zhuǎn)化后，甲烷含量約為 %左右。 CO 變換工序采用了中變串低變的工藝流程路線，經(jīng)過低溫變換后的氣體中 CO 含量為 %左右。 工藝參數(shù)的確定 以天然氣為原料合成氨生產(chǎn)裝置轉(zhuǎn)化變換工序設計，其主要參數(shù)是一、二段轉(zhuǎn)化工藝和 CO 中 低變串聯(lián)流程的溫度和壓力。天然氣經(jīng)加氫脫硫，出口總硫量小于 后，壓 縮 脫 硫 合 成 甲烷化 脫 碳 低溫變換 壓 縮 中溫變換 二段轉(zhuǎn)化 一段轉(zhuǎn)化 壓 縮 寧夏理工學院畢業(yè)設計 8 在壓力 、溫度 380℃ 左右的條件下配入中壓蒸汽達到水碳比為 （ R=），進入一段轉(zhuǎn)化爐的對流段加熱，氣體一邊加熱一邊反 應， 出反應管的溫度在 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。 工藝空氣經(jīng)壓縮機壓到 ～ MPa，也配入少量水蒸氣，然后進入對流段的工藝空氣加熱盤預熱到 480℃ 左右，進入二段爐頂部與一段轉(zhuǎn)化氣匯合，在頂部燃燒區(qū)燃燒、放熱，溫度升到 1200℃ 左右，在通過催化劑床層時繼續(xù)反應并吸收熱量，離開二段轉(zhuǎn)化爐的溫度約為 1000℃ 左右，壓力為 MPa，所得混合氣殘余甲烷含量約為 %。 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。從第二換熱器出來的氣體繼續(xù)送往變換工序處理。 含 CO 的原料合成氣經(jīng)換熱器降溫，在壓力 、溫度 371℃下進入中變爐 。經(jīng)中變處理后，氣體中 CO 降到 %左右，溫度為 425～ 440℃。氣體通過中變廢熱鍋爐，冷卻到 336℃左右，鍋爐產(chǎn)生 的飽和蒸汽。由于此時氣體溫度還不能進行低溫變換，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℃后進入低變爐。經(jīng)低變處理后，氣體殘余 CO 降到 %～ %之間，再送入后續(xù)工段繼續(xù)凈化 [10]。 工廠的選址 對于本 設計合成氨廠選址選擇，從原料，運輸，土地，國家政策等因素，選擇位于寧夏回族自治區(qū)靈武市境內(nèi)的寧東能源重化工基地。理由： (1)天然氣資源豐富 該基地臨近陜甘寧天然氣田，此氣田是我國迄今探明的世界級特大型整裝氣田，探明控制儲量達 7000 多億立方米，一期輸氣管線已建成，二期管線正在規(guī)劃建設中。 (2)交通便利 四通八達的道路交通是基地的一大突出優(yōu)勢，銀川 青島高速公路及 307 國道橫貫基地；大古鐵路連接包蘭、寶中鐵路與京包、隴海線連通可輻射全國，即將開工建設的銀川太原鐵路又形成一條橫穿基地的外運大通道； 銀川河東機場距基地中心區(qū)僅 30 公里，每日航班達 50 余次，通往北京、上海、廣州、西安、太原、濟南、青島、蘭州等重要城市。 (3)土地資源廣闊 基地處于荒山丘陵地帶，地形平緩，地勢開闊，有成片的發(fā)展用地，為工業(yè)建設提供了廣闊的土地資源。 寧夏理工學院畢業(yè)設計 9 (4) 水資源優(yōu)勢 基地位于黃河東畔，中心區(qū)距黃河僅 35 公里左右， 2021 年底開工建設的寧東供水工程，預計 2021 年 5 月建成通水，總供水量為 15970 萬立方米，能為基地提供充足的水源保障 。 (5)政策優(yōu)勢 隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進，國家實施重點支持西部大開發(fā)的政策措施 ，以及自治區(qū)、銀川市全面改善投資環(huán)境的重大舉措，為基地建設提供了強有力的政策支持。 寧夏理工學院畢業(yè)設計 10 2 變換工段物料及熱量衡算 中溫變換物料衡算及熱量衡算 （ 1） 確定轉(zhuǎn)化氣組成 已知條件中變爐進口氣體組成 ： 表 中變爐進口氣組成 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計 % 100 計算基準： 1 噸氨 工作日： 360 天 計算生產(chǎn) 1 噸氨需要的變化氣量： （ 1000/17） （ 2） = m3(標 ) 因為在生產(chǎn)過程中物量可能會有消耗，因此變化氣量取 m3(標 ) 年產(chǎn) 15 萬噸合成氨生產(chǎn)能力： 日生產(chǎn)量： 150000/360=要求出中變爐的變換氣干組分中 CO％小于 2％ 進中變爐的變換氣干組分： 表 中變爐進口氣干氣組成 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量 ，％ 100 m3(標 ) 474 假設入中變爐氣體溫度為 335℃ ，取出爐與入爐的溫差為 30℃ ，則出爐溫度為 365℃ 。 進中變爐干氣壓力 中P =。 （ 2） 水汽比的確定 考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來的原料氣，所以取 H2O/CO=[11] 故 V（水） =(標 ) n(水 )= 寧夏理工學院畢業(yè)設計 11 因此進中變爐的變換氣濕組分 ： 表 中變爐進口氣濕氣組成 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量 ，％ 100 m3(標 ) 474 kmol 中變爐 CO 的實際變換率的求?。? 假定濕轉(zhuǎn)化氣為 100mol，其中 CO 含量為 ％，要求變換氣中 CO 含量為 2％，故根據(jù)變換反應： CO+H2O＝ H2+CO2，則 CO 的實際變換率為 ： X ％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=74％ 式中 aY 、 39。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 則反應掉的 CO 的量為： 74％ = 則反應后的各組分的量分別為： H2O％ =％ ％ +％ =23％ CO％ =％ ％ =％ H2％ =％ +％ ％ =％ CO2％ =％ +％ =％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： K=（ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《小合成氨廠工藝技術與設計手冊》可知 K=12 時溫度為 397℃ 。中變的平均溫距為397℃ 365℃ =32℃ ， 中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO 可用 [12]。 （ 3） 中變爐一段催化床層的物料衡算 假設 CO 在一段催化床層的實際變換率為 60％。 因為進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分 見 表 。 假使 O2與 H2 完全反應， O2 完全反應掉 。 故在一段催化床層反應掉的 CO 的量為： 寧夏理工學院畢業(yè)設計 12 60％ =(標 )= 出一段催化床層的 CO 的量為： = m3(標 )= 故在一段催化床層反應后剩余的 H2的量為 : += m3(標 )= 故在一段催化床層反應后剩余的 CO2的量為： 474+= m3(標 )= 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分： 表 出中變爐一段床層變換氣干氣組成 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量 ％ 100 m3(標 ) kmol 剩余的 H2O 的量為： +2=(標 )= 所以出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分： 表 出中變爐一段床層變換氣濕氣組 成 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 m3(標 ) kmol 對出中變爐一段催化床層的變換氣的溫度進行計算： 由表 對出變爐一段催化床層的變換氣溫度進行估算： 根據(jù)： K=(H2％ CO2％ )/（ H2O％ CO％ )計算得 K= 查《小合成氨廠工藝技術與設計手冊》知當 K= 時 t=445℃ 。設平均溫距為 30℃ ，則出變爐一段催化床層的變換氣溫度為： 445℃ 30℃ =415℃ （ 4） 中變爐一段催化床層的熱量衡算 寧夏理工學院畢業(yè)設計 13 以知條件：進中變爐溫度： 335℃ 出變爐一段催化床層的變換氣溫度為： 415℃ 反應放熱 Q：在變化氣中含有 CO， H2O， O2， H2 這 4 種物質(zhì)會發(fā)生以下 2 種反應： CO +H2O=CO2+H2 ① O2 + 2H2= 2 H2O ② 這 2 個反應 都是放熱反應。 為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準焓（或稱生成焓）計算。以 P=1atm， t=25℃ 為基準的氣體的統(tǒng)一基準焓計算式為 [13]： HT=△ H0298=Cpdt （ 1） 式中 HT ——氣體在 ?T298在 TK 的統(tǒng)一基準焓， kcal/kmol()； △ H0298 ——該氣體在 25℃ 下的標準生成熱， kcal/kmol()； T——絕對溫度， K； Cp ——氣體的等壓比熱容， kcal/（ kmol.℃ ） [（ kmol.℃ ） ] 氣體等壓比熱容與溫度的關系有以下經(jīng)驗式： Cp=A0+A1T+A2T 2+A3T 3+…… （ 2） 式中 A0、 A A A3…… 氣體的特性常數(shù) 將 (2)式代入 (1)式積分可得統(tǒng)一基準焓的計算通式： Ht=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 式中常數(shù) a0、 a a a a4與氣體特性常數(shù)及標準生成熱的關系為： a1=A0, a2=A1/2, a3=A3/4, a4=A3/4 a0=△ H0298－ － a2－ a 3－ a 4 采用氣體的統(tǒng)一基準焓進行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應如何進行，步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果。 △ H=（ ∑niH i） 始 －（ ∑niH i） 末 式中 △ H —過程熱效應，其值為正數(shù)時為放熱，為負數(shù)時系統(tǒng)為吸熱， kcal；（ ） ； ni —始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)， kmol； Hi — 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下； I — 氣體的統(tǒng)一基準焓， kcal/kmol，（ ） 現(xiàn)將有關氣體的計算常數(shù)列于下表中 寧夏理工學院畢業(yè)設計 14 表 氣體統(tǒng)一基準焓（通式）常數(shù)表 分子式 a0 a1 a2 a3 a4 O2 103 10– 3 10– 7 10– 10 H2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 H2O 104 10－ 3 10－ 7 10－ 11 N2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 CO 104 10－ 4 10－ 9 10－ 11 CO2 10－ 3 10－ 6 計算 O2的基準焓： 根據(jù)基準焓的計算通式： Ht=a0+a1T+a2T 2+a3T 3+a4T 4 在 415℃ 時 T=415+273=683K 查表可得變換氣的各個組分的基準焓列于下表： 表 變換氣各組分基準焓 組分 O2 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 放熱： CO +H2O=CO2+H2 （ 1） △ H1=(∑Hi)始 （ ∑Hi） 末 =+++ =Q1=（ ） = O2 + 2H2= 2 H2O （ 2） Q2=△ H2=（ ∑niH i） 始 －（ ∑niH i） 末 = 氣體共放熱 ： Q=Q