年產30萬噸合成氨工藝設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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，又是凈化的過程。 設計方案的確定 原料的選擇合成氨生產的原料有焦炭、煤、焦爐氣、天然氣、石腦油、重油等。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。 首先，我國天然氣資源比較豐富，寧夏地區有得天獨厚的區位優勢。地質資源總量約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；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。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位優勢。其次，我國天然氣工業高速發展方興未艾。據最新的《石油與勘探開發》介紹，目前，我國天然氣工業正處于發展高峰時期，且發展速度越來越快。近年來，國家對環境問題越來越重視。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。無論是在傳統的天然氣產區，還是在新的天然氣勘探開發區，近幾年，我國天然氣工業的發展都呈現出前所未有的良好態勢。我國將大力提高天然氣在我國能源消費結構中的比重。天然氣作為化石能源中污染最少的能源，熱值相應高于煤炭與石油。在目前我國的能源消費結構里，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結構中的比重，既有利于促進節能減排，又能夠維持經濟與社會可持續發展。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、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11）。天然氣工藝技術目前最可靠，天然氣合成氨工藝成熟、生產可靠、連續。煤頭技術中，固定層氣化流程，雖然工藝成熟，但氣化消耗高，環保污染嚴重、難以達標、廠區環境惡劣；水煤漿氣化技術對煤種要求特別高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔點、固定碳含量。 工藝流程的選擇本設計主要是轉化和變換工序的工藝設計，所選流程為：脫 硫壓 縮壓 縮一段轉化二段轉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化和變換工序是合成氨生產中的第一步，也是較為關鍵的一步，因為能否正常生產出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運轉的前提條件。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，%左右。CO變換工序采用了高變串低變的工藝流程路線，%左右。 工藝參數的確定以天然氣為原料合成氨生產裝置轉化變換工序設計，其主要參數是一、二段轉化工藝和CO高低變串聯流程的溫度和壓力。天然氣經加氫脫硫，、溫度380℃（R=），進入一段轉化爐的對流段加熱，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，繼續吸收一些熱量，使溫度升到850℃左右，經輸氣總管送往二段轉化爐?！?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， MPa，％。經二段轉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送往變換工序處理。含CO的原料合成氣經換熱器降溫， MPa、溫度371℃下進入高變爐（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。經低變處理后，％～％之間，再送入后續工段繼續凈化。 工廠的選址本設計合成氨廠選址為位于寧夏回族自治區靈武市境內的寧東能源重化工基地。該化工基地有著得天獨厚的優勢：（1）天然氣資源優勢 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7000多億立方米，一期輸氣管線已建成，二期管線正在規劃建設中。（2）水資源優勢 基地位于黃河東畔，中心區距黃河僅35公里左右，2003年底開工建設的寧東供水工程，預計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）交通優勢 四通八達的道路交通是基地的一大突出優勢，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。 （4）土地資源優勢 基地處于荒山丘陵地帶，地形平緩，地勢開闊，有成片的發展用地，為工業建設提供了廣闊的土地資源。 （5）區位優勢 基地位于陜、甘、寧、蒙毗鄰地區，西與自治區首府銀川市隔黃河相望，東與開發中的陜北能源重化工基地毗鄰，易形成產業互補，資源共享，其生產、生活條件俱佳。 （6）電力優勢 寧夏目前無拉閘限電之虞，2004年寧夏電網統調裝機容量達到366萬千瓦，而且基地規劃建設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。（7）政策優勢 隨著西部大開發戰略的深入推進，國家實施重點支持西部大開發的政策措施，以及自治區、銀川市全面改善投資環境的重大舉措，為基地建設提供了強有力的政策支持。2 設計工藝計算 轉化段物料衡算原料氣（入加氫轉化器天然氣）組成如下表：組 分mol（干）％kmol/hkg/hCH489．00C2H65．001680．00C3H8C4H10C5H12N2∑干1120．00循環氫氣組成如下表：組 分kmol/hkg/hN2545H2117Ar9CH413合 計78．80684出加氫器氣體組成如下表：組 分mol（干）％kmol/hCH4C2H656C3H8C4H10C5H12N2H2Ar合 計 一段轉化爐的物料衡算計算數據依據：水碳比R=一段爐出口甲烷含量設計為10％一段轉化爐出口溫度：822℃一段轉化爐出口壓力：（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==設一段轉化爐出口CO、COH2的含量分別為nCO、nCO2和nH2，干轉化氣總量為V kmol/h,轉化消耗水蒸汽量為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）一段轉化爐進行的主要反應為：CH4+H2O(g) CO+3H2CO+H2O(g) CO2+H2查[2]知，在t=822℃時，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故一段轉化爐出口總濕氣量為：∑n濕氣= V1 + nH2O =+= kmol/h出一段轉化爐的物料組成如下表：組 分kmol/hmol（干）％kg/hCOCO2H2CH4N2Ar干氣H2O合計B. 一段轉化爐平衡溫距的計算根據[7],設計壓力為740mmHg柱（表壓）P=+／=kpCH4== ==查[2]，對應的平衡溫度t=℃平衡溫距 △t==℃C. 一段轉化爐理論氫空速的計算以1atm、60℉（℃）為計算基準設計轉化爐內觸媒裝填量V′ SVH2=代值有SVH2 ==該流程設計理論氫空速參考值為7800 h1 。 二段轉化爐的物料衡算設計數據依據：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. 列元素平衡關系式（各未知數表示與一段轉化爐相同）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）設出口條件下CO變換反應達到平衡則在1003℃下 （5）設出口（摩爾比） 即 （6）（1）（4）得 V=++nH2