【正文】 。 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。加大天然氣在能源消費結(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、 /m3和 260元 /t計，中壓蒸汽價格按 78元/t計，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?？梢姡谶@ 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、固定碳含量。 11 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計 工藝流程的選擇 本設(shè)計主要是轉(zhuǎn)化和變換工序的工藝設(shè)計，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(shè)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變換工序采用了高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(shè)計，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，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。 工藝空氣經(jīng)壓縮機壓到 ～ 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，壓力為 MPa，所得混合氣殘余甲烷含量約為 ％。 12 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計 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 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，氣體中 CO降到 ％左右，溫度為 425～ 440℃ 。氣體通過高變廢熱鍋爐，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(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，氣體殘余 CO降到 ％～ ％之間，再送入后續(xù)工段繼續(xù)凈化。 13 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計 2 設(shè)計工藝計算 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 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 組 分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2 Ar 合 計 一段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 計算數(shù)據(jù)依據(jù)： 水碳比 R= 一段爐出口甲烷含量設(shè)計為 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。 列元素平衡式 C 平衡 =nCO + nCO2 + （ 1） 15 3mol（干）％ kmol/h 56 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計 H2 平衡 +2+563+4+5+6+= nH2 +2+(′H2O ) 化簡為 = nH2+ n′H2O （ 2） O2平衡 1 2=12(′H2O )+1 2nCO +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 ++ 一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行的主要反應(yīng)為： CH4+H2O(g) → CO+3H2 CO+H2O(g) → CO2+H2 查 [2]知，在 t=822℃ 時， kpco= （ 4） （ 1）得 nH2= （ 6） （ 2）得 n′H2O= 故化簡 nH2O=（ ）得 nH2O= （ 3） （ 1）得 nCO2= n′H2O+ 將（ 7）代入上式，可化簡為 nCO2= 由（ 1） 2 （ 3）可得 nCO=′H2O 將（ 7 ）代入（ 10 ）得 nCO=+3866 化簡為 nCO= 出口轉(zhuǎn)化氣中水蒸氣量 nH2O= n′H2O=+ 可化簡為 nH2O= 將 （ 6）（ 8）（ 9）（ 10）帶入 （ 5）得 解之得 16 （ 4） （ 6） （ 7） （ 8） （ 9） （ 10） （ 11） （ 12） 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計 V= kmol/h nH2= kmol/h nCO= kmol/h nCO2= kmol/h nCH4= 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 CO CO2 H2 CH4 N2 Ar 干氣 H2O 合計 kmol/h mol（干）％ kg/h B. 一段轉(zhuǎn)化爐平衡溫距的計算 根據(jù) [7],設(shè)計壓力為 740mmHg 柱 一段爐出口壓力為 （表壓） P=+／ = kpCH4= 3H2 = 3 H2 3 2 2 = 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算 以 1atm、 60℉ （ ℃ ）為計算基準(zhǔn) 設(shè)計轉(zhuǎn)化爐內(nèi)觸媒裝填量 V′為 17 吉林化工學(xué)院化工綜合設(shè)計 SVH2= 代值有 1 該流程設(shè)計理論氫空速參考值為 7800 h1 。 二段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 設(shè)計數(shù)據(jù)依據(jù)： 空氣組成： N2： 78%； O2： 21%； Ar： 1%； 補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 1 21 ++nCO+1 212（ +） +=nCO2+(+′H2O) 化簡為