【文章內(nèi)容簡介】 第二步是低溫變換簡稱低變，%左右。因此，CO變換既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程。 設(shè)計(jì)方案的確定 原料的選擇合成氨生產(chǎn)的原料有焦炭、煤、焦?fàn)t氣、天然氣、石腦油、重油等。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。 首先，我國天然氣資源比較豐富，寧夏地區(qū)有得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢。地質(zhì)資源總量約38～39萬億立方米，列世界第十位，其中陸上30萬億立方米，海上9萬億立方米。，僅占資源總量的5%左右，列世界第16位，天然氣資源勘探潛力很大。近年來我國天然氣勘探取得了重大突破，陸上已在川渝、陜甘寧、新疆和青海形成四大氣區(qū)；海上氣田以渤海、南海西部地區(qū)和東海西湖凹陷作為重點(diǎn)勘探和增加產(chǎn)量的地區(qū)。寧夏天然氣資源也十分豐富，所以在選擇天然氣作為原料合成氨有著明顯的區(qū)位優(yōu)勢。其次，我國天然氣工業(yè)高速發(fā)展方興未艾。據(jù)最新的《石油與勘探開發(fā)》介紹，目前，我國天然氣工業(yè)正處于發(fā)展高峰時(shí)期，且發(fā)展速度越來越快。近年來，國家對環(huán)境問題越來越重視。天然氣作為一種清潔優(yōu)質(zhì)的能源，在我國改善能源結(jié)構(gòu)，以及我國在大力推動低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，獲得了前所未有的大發(fā)展。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。我國將大力提高天然氣在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重。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。在目前我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)里，煤炭占67％，石油占20％，％，％的世界平均水平。加大天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重，既有利于促進(jìn)節(jié)能減排，又能夠維持經(jīng)濟(jì)與社會可持續(xù)發(fā)展。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。根據(jù)計(jì)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(jià)格分別按1800元/t、1400元/t、中壓蒸汽價(jià)格按78元/t計(jì)，對應(yīng)的合成氨成本分別為1721元/t、1557元/t、1493元/t和1021元／t?？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）。天然氣工藝技術(shù)目前最可靠，天然氣合成氨工藝成熟、生產(chǎn)可靠、連續(xù)。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。 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：脫 硫壓 縮壓 縮一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化高溫變換低溫變換天然氣空氣水蒸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。在本設(shè)計(jì)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，%左右。CO變換工序采用了高變串低變的工藝流程路線，%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(shè)計(jì)，其主要參數(shù)是一、二段轉(zhuǎn)化工藝和CO高低變串聯(lián)流程的溫度和壓力。天然氣經(jīng)加氫脫硫，、溫度380℃（R=），進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐的對流段加熱，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?！?MPa，也配入少量水蒸氣，然后進(jìn)入對流段的工藝空氣加熱盤預(yù)熱到480℃左右，進(jìn)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(shí)繼續(xù)反應(yīng)并吸收熱量，離開二段轉(zhuǎn)化爐的溫度約為1000℃左右， MPa，％。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， 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）。經(jīng)高變處理后，％左右，溫度為425～440℃。氣體通過高變廢熱鍋爐，冷卻到336℃左右。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。經(jīng)低變處理后，％～％之間，再送入后續(xù)工段繼續(xù)凈化。 工廠的選址本設(shè)計(jì)合成氨廠選址為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。該化工基地有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：（1）天然氣資源優(yōu)勢 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(dá)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(shè)中。（2）水資源優(yōu)勢 基地位于黃河?xùn)|畔，中心區(qū)距黃河僅35公里左右，2003年底開工建設(shè)的寧東供水工程，預(yù)計(jì)2005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。（3）交通優(yōu)勢 四通八達(dá)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(shè)的銀川太原鐵路又形成一條橫穿基地的外運(yùn)大通道；銀川河?xùn)|機(jī)場距基地中心區(qū)僅30公里，每日航班達(dá)50余次，通往北京、上海、廣州、西安、太原、濟(jì)南、青島、蘭州等重要城市。 （4）土地資源優(yōu)勢 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(shè)提供了廣闊的土地資源。 （5）區(qū)位優(yōu)勢 基地位于陜、甘、寧、蒙毗鄰地區(qū)，西與自治區(qū)首府銀川市隔黃河相望，東與開發(fā)中的陜北能源重化工基地毗鄰，易形成產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)，資源共享，其生產(chǎn)、生活條件俱佳。 （6）電力優(yōu)勢 寧夏目前無拉閘限電之虞，2004年寧夏電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量達(dá)到366萬千瓦，而且基地規(guī)劃建設(shè)的八大電廠將形成千萬千瓦級的火電基地，這些都將為基地提供充足的電力供應(yīng)。（7）政策優(yōu)勢 隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，國家實(shí)施重點(diǎn)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(shè)提供了強(qiáng)有力的政策支持。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mol（干）％kmol/hkg/hCH489．00C2H65．001680．00C3H8C4H10C5H12N2∑干1120．00循環(huán)氫氣組成如下表：組 分kmol/hkg/hN2545H2117Ar9CH413合 計(jì)78．80684出加氫器氣體組成如下表：組 分mol（干）％kmol/hCH4C2H656C3H8C4H10C5H12N2H2Ar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、COH2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。列元素平衡式C平衡 =nCO + nCO2 + （1）H2 平衡+2+563+4+5+6+= nH2 +2+(′H2O )化簡為 = nH2+ n′H2O （2）O2平衡 =(′H2O )+nCO +nCO2化簡為 2nCO2+nCO n′H2O =0 （3）出口總干氣量：V=nCO2+nCO+nH2+nN2+nAr+nCH4 =nCO2+nCO+nH2 +++化簡為 V=nCO2+nCO+nH2 ++ （4）一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行的主要反應(yīng)為：CH4+H2O(g) CO+3H2CO+H2O(g) CO2+H2查[2]知，在t=822℃時(shí)，kpco=（4）（1）得 nH2= （6）（6）（2）得 n′H2O= （7）故化簡nH2O=（）得nH2O= （8）（3）（1）得 nCO2= n′H2O+將（7）代入上式，可化簡為nCO2= （9）由（1）2（3）可得 nCO=′H2O （10）將（7）代入（10）得 nCO=+3866化簡為 nCO= （11）出口轉(zhuǎn)化氣中水蒸氣量nH2O= n′H2O=+可化簡為 nH2O= （12）將 （6）（8）（9）（10）帶入 （5）得=解之得 V= kmol/h nH2= kmol/hnCO= kmol/h nCO2= kmol/hnCH4= kmol/h nH2O= kmol/h故一段轉(zhuǎn)化爐出口總濕氣量為：∑n濕氣= V1 + nH2O =+= kmol/h出一段轉(zhuǎn)化爐的物料組成如下表：組 分kmol/hmol（干）％kg/hCOCO2H2CH4N2Ar干氣H2O合計(jì)B. 一段轉(zhuǎn)化爐平衡溫距的計(jì)算根據(jù)[7],設(shè)計(jì)壓力為740mmHg柱（表壓）P=+／=kpCH4== ==查[2]，對應(yīng)的平衡溫度t=℃平衡溫距 △t==℃C. 一段轉(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′ SVH2=代值有SVH2 ==該流程設(shè)計(jì)理論氫空速參考值為7800 h1 。 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℃。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 +化簡為 =nCO+nCO2 + （1）H2平衡+2+（+）=nH2+2+（+′H2O）化簡為 =nH2+ n′H2O （2）O2平衡++（+）+=nCO2+nCO+(+′H2O)化簡為 =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） 即 （6）（1）（4）得 V=++nH2