天然氣合成氨工藝設計(文件)

　

【正文】 總量為 V kmol/h,轉化消耗水蒸汽量為 n′H2O kmol/h。經高變處理后，氣體中 CO降到 ％左右，溫度為 425～ 440℃ 。 工藝空氣經壓縮機壓到 ～ 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化氣匯合，在頂部燃燒區燃燒、放熱，溫度升到 1200℃ 左右，在通過催化劑床層時繼續反應并吸收熱量，離開二段轉化爐的溫度約為 1000℃ 左右，壓力為 MPa，所得混合氣殘余甲烷含量約為 ％。在本設計中，甲烷和其他烴類轉化為 CO和 H2 的轉化工序采用的是兩段爐催化轉化，經過二段轉化后，甲烷含量約為 %左右。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 11）。在目前我國的能源消費結構里，煤炭占 67％，石油占 20％，而天然氣卻只占 ％，遠低于 ％的世界平均水平。天然氣作為一種清潔優質的能源，在我國改善能源結構，以及我國在大力推動低碳經濟發展的過程中，獲得了前所未有的大發展。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；海上氣田以渤海、南海西部地區和東海西湖凹陷作為重點勘探和增加產量的地區。本設 計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能等原因，詳如下述。 目前，各種方法制取的原料氣都含有 CO，其體積分數一般為 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。 烷烴： CnH2n+n+nH2O→nCO+(2n+1)H2 或 C0nH2n+n+2nH2O→nCO2+(3n+1)H2 烯烴： CnH2n+nH2O→nCO+2nH2 CnH2n+2nH2O→nCO2+3nH2 接著一段轉化氣進入二段轉化爐， 在此加入空氣，由一部分 H2 燃燒放出熱量，催化劑床層溫度上升到 1200～ 1250 ℃ ，并繼續進行甲烷的轉化反應。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有 10%～ 20%，故采用未反應氫氮氣循環的流程。甲烷化法是在催化劑存在下使少量 CO、 CO2與 H2 反應生成 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 (體積分數 )一般應小于 %。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規定 CO和 CO2總含量不得大于 10cm/m(體積分數 )。根據吸收劑性能的不同，可分為兩大類。 粗原料氣經 CO變換以后，變換氣中除 H2 外，還有 CO CO和 CH4等組分，其中以 CO2含量最多。第一步是高溫變換，使大部分 CO轉變為 CO2和 H2；第二步是低溫變換，將 CO含量降至 %左右。 1973年開始，首批引 7 吉林化工學院化工綜合設計 進 13套年產 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 )，為了擴大原料范圍， 1978年又開始第二批引進 4套年產 300kt合成氨裝置。 20 世紀 60 年代隨著石油、天然氣資源的開采，又從英國引進一套以天然氣為原料的加壓蒸汽轉化法年產 100kt 合成氨裝置 (即瀘天化 )；從意大利引進一套以重油為原料的部分氧化法年產 50kt 合成氨裝置，從而形成了煤油氣原料并舉的中型氨廠生產系統，迄今為止，已建成 50多座中型氨廠。經過 50 多年的努力，中國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠 1000多個， 1999年總產量為 ，已躍居世界第 1位，已掌握了以焦炭、無煙煤、褐煤、焦爐氣、天然氣及油田氣和液態烴等氣固液多種原料生產合成氨的技術，形成中國大陸特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產規模并存的合成氨生產格局。這些都表示氨生產技術自動化進入新的階段，改變了幾十年合成氨生產控制的面貌。近年由于機電一體化需要邏輯控制和模擬控制計時、計數、運算等功能相 結合，各儀表廠家的產品已從單一的邏輯控制，趨向多種控制功能結合為一體。在 CRT 操作平臺上可以存取、顯示多種數據和畫面，包括帶控制點的流程，全部過程變量、控制過程變量，以及其參數的動態數值和趨勢圖，從而實現集中監視和集中操作。因此，某一環節的失調就會影響生產，為了保證長周期的安全生產，對過程控制提出更高的要求，從而發展到把全流程的溫度、壓力、流量、物位和成分五大參數的模擬儀表、報警、連鎖系統全部集中在中 央控制室顯示和監視控制。 以天然氣為原料的日產 1000t合成氨裝置噸氨能耗目前已從 20世 紀 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力約有85%可由余熱供給。 (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。從 20世紀 60年代中期開始，新建氨廠大都采用單系列的大型裝置。 表 氨廠采用的各種原料的相對投資和能量消耗 原料 相對投資費用 能量消耗 /(GJ/t) 天然氣 28 重油 38 煤 48 特別是以天然氣為原料的合成氨工業占了很大的比重，本設計就是以天然氣為原料合成氨，主要是轉化工段的設計。 表 12 為各種原料的日產 合成氨廠，相對投資和能量消耗比較。石腦油經脫碳、氣化后，可采用和天然氣為原料的相同生產裝置制氨。 自從北美大量開發天然氣資源成功之后， 20世紀 50年代開始采用天然氣制氨。由于電解制氫法，電能消耗大，成本高。 3 吉林化工學院化工綜合設計 合成氨生產技術的發展 (一 ) 原料構成 的變化 為了合成氨，首先必須提供氮和氫。氨作為最為重要的基礎化工產品之一，同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10%的能源用于合成氨。氨作為工業原料和氨化飼料，用量約占世界產量的 12％。 氨的用途及在國民生產中的作用 氨是重要的無機化工產品之一，在國民經濟中占有重要地位。 氨的化學性質有：在常溫下相當穩定，在高溫、電火花或紫外光的作用下可分解為氮和氫。人們在大于 100cm3/m3氨的環境中，每天接觸 8小時會引起慢性中毒。 關鍵字：合成氨；天然氣；轉化；變換； 1 吉林化工學院化工綜合設計 Abstract Ammonia is the most important one of basic chemical products, plays an important role in the national economy. Ammonia production after years of development, now has developed into a mature chemical production processes. In recent years, the largescale industrial development soon ammonia, low energy consumption, the clean production of synthetic ammonia equipment development are the main direction of technical improvement, is to develop better performance of catalyst, reducing ammonia synthesis pressure, the development of new materials gas purification methods, reduce fuel consumption, low heat recovery and reasonable utilization, etc. The design process used in brief are: pressed natural gas after desulfurization and conversion into a furnace, the methane and hydrocarbons into hydrogen, through the Secondary reformer further transformed into the highly variable furnace heat exchanger, the great catalyst part of the reaction of carbon monoxide and hydrogen and carbon dioxide vapor, then through the lowtemperature shift to reduce to an acceptable level of carbon monoxide to methanation process. Keywords: ammonia。09110611 指導教師 潘高峰 2020 年 12 月 3 日 吉林化工學院化工綜合設計 設 計 任 務 書 專業：化工與材料工程學院 班級：化工 0906 姓名：劉玉岐 設計題目：天然氣合成氨工藝設計 設計條件：年產 30萬噸氨 要求：一段轉化爐 出口甲烷含量設計為 10％ 爐出口溫度： 822℃ 出口壓力： （表壓） 二段轉化爐 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 一段轉化爐 入反應管溫度： 510℃ 入反應管壓力： 出上升管溫度： 850℃ 出上升管壓力： 二段轉化爐 入口混合氣溫度： 822℃ 入口空氣溫度： 482℃ 出口變換氣溫度： 1003℃ I 吉林化工學院化工綜合設計 目錄 設 計 任 務 書 .............................................................................................................................. I 目錄 ................................................................................................................................................ II 摘要 ...