日产千吨合成氨蒸汽转化工段工艺设计.docx

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1、公艇工营大孝课程设计设计题目日产千吨合成氨蒸汽转化工段工艺设计学生姓名徐超学号2012212044专业班级化学工程与工艺12与班指导教师王百年2016年3月13日目录摘要2关键词3第一章前言31.1 中国合成氨行业概况31.2 合成氨生产的根本过程313氨的主要用途51.4 甲烷蒸汽转化制合成气概述51.4.1 生产方法61.4.2 工艺原理61.4.3 转化催化剂和反响动力学71.4.4 工艺流程和主要设备9第二章工艺计算112.1 设计条件122.2 物料衡算132.2.1 物料衡算主要方程式132.2.2 物料衡算基准142.2.3 一段转化炉物料衡算16二段转化炉物料衡算182.3 能

2、量衡算202.3.1 数据202.3.2 计算过程212.4 管径计算22第三章总结及致谢26参考文献26摘要:本设计以天然气为原料通过水蒸气转化法制合成气，为日产千吨合成氨提供原料气。设计文件由设计说明书，工艺流程图和厂区平面布置图组成。设计内容包括工艺路线设计，物料衡算，热量衡算，管道确定。工艺路线通过一段蒸汽转化和二段加水蒸汽工艺空气氧化联合转化过程。设计中通过平衡温距法计算一二段炉进出口物料组成以及通过物料流量及相关资料计算进出口管径，同时对一段炉进行能量衡算。关键词：天然气水蒸气物料衡算平衡温距法能量衡算初步设计第一章前言1.1 中国合成氨行业概况氨是最为重要的根底化工产品之一，其产

3、量居各种化工产品的首位；同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的根底，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铁盐肥料，这局部约占70%的比例。未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”。中国合成氨产量位居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态燃多种原料生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。2013年，中国合成氨总生产能力为7400万吨左右，氮肥工业已根本满足了国内需求；在与国际

4、接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力，今后开展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。中国目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万吨/年：其下游产品主要是尿素和硝酸铁。其中以煤、焦为原料的装置有34套，以渣油为原料的装置有9套，以气为原料的装置有12套。目前，中国有小型合成氨装置700多套，生产能力约为3000万吨/年；其下游产品主要是碳酸氢筱，但现有已有112套经过改造后开始生产尿素。中国合成氨生产装置原料以煤、焦为主；其中以煤、焦为原料的占总装置的96%,以气为原料的仅占4%。中国引进大型合成氨装置的总生产能力为IOoO万吨/年，只占中国合成氨总产能的1/4左右，因此可以说我

5、国合成氨行业对外依赖性并不高。中国自行研发了多套工艺技术，促进了氮肥生产的开展和技术水平的提高，如合成气制备、CO变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术”I。1.2 合成氨生产的根本过程合成氨工艺流程表达：(1)原料气制备将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化局部氧化的方法获得合成气；对气态烧类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。(2)净化对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。一氧化碳变换过程在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO,其体积分数一般为

6、12%40%.合成氨需要的两种组分是H2和N2,因此需要除去合成气中的CO。变换反响如下：CO+H2O=H2+CO2H=-41.2kJmol由于Co变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于PI收反响热，并控制变换段出口剩余CO含量。第一步是高温变换，使大局部Co转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反响既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为

7、原料的局部氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(ReCtiSO1)、聚乙二醇二甲醛法(SeIeXol)等。粗原料气经CO变换以后，变换气中除Hz外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铁等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(ReCtiS。1),聚乙二醇二甲醛法(SeleXO1),碳酸丙烯酯法。一类是化学

8、吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。气体精制过程经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量剩余的CO和CO2O为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于IOCm3m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷别离法和甲烷化法。深冷别离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(H2、Nz的物质的量分别为n(CH4)、n(CO)、n(CO2)n(H2O)n(H2)n(N2),设平衡时CFh反响式(1)的转化量为CO反响式(2)的转化量为小mol,总压(绝对压力)为p。根据物料衡算可计

9、算出反响平衡时各组分的分压，代入式(1)和式(2)的平衡常数式，整理后可以得到：K_1-co)+%m(82)+34+%乂产P，=n(CH4)-nxn(H2O)-nx-nyX但田/二WCo2)+电)+3%+%p2WCo)+nx-nxn(H2O)-nx-ny根据反响温度由(3)和(4)求出KPl和KP2,再将总压和气体的初始组成代入(5)和(6)两式迭代解出IK和ny,即可求出平衡组成。1.4.3 转化催化剂和反响动力学转化催化剂：甲烷水蒸气转化，在无催化剂时的反响速率很慢，在IOooC以上才有满意的速率，然而在高温下大量甲烷裂解，没有工业生产价值，所以必须采用催化剂。催化剂的组成和结构决定了其催

10、化性能，而对其使用是否得当会影响其性能的发挥。生产中催化剂因其老化、中毒和积碳而失去活性。(1)转化催化剂的组成和外形研究说明，一些贵金属和银均具有对甲烷蒸汽转化的催化活性，其中锲最廉价，又具有足够高的活性，所以工业上一直采用银催化剂，并添加一些助催化剂以提高活性或改善诸如机械强度、活性组分分散、抗结碳、抗烧结、抗水合等性能。甲烷与水分子的反响是在固体催化剂活性外表上进行的，所以催化剂应该具有较大的银外表积。提高银外表的最有效的方法是采用大比外表积的载体，来支承、分散活性组分，并通过载体与活性组分间的强相互作用而使银晶粒不易烧结。载体还应具有足够机械强度，使催化剂使用中不易破碎。为了抑制烧类在催化剂外表酸性中心上裂解析碳，往往在载体中添加碱性物质中和外表酸性。一般固体催化剂是多孔物质，催化剂颗粒内部毛细孔的外表称之为内外表，其上分布有活性组分，反响物分子扩散到孔内外表上进行反响，如果孔径大而短，在孔的深处反响物的浓度较高，反响速率大，产物向外扩散阻力也小，假设孔细又长，结果相反，这些孔的深处可能没有反响物分子，其内外表就没有被利用。因为催化剂内外表积比外外表积大得多，所以内外表积对反响速率起着非常重要的作用。为了提高内外表利用率，可以减小催化剂颗粒尺寸，改善颗粒外形。(2)转化催化剂的使用和失活转化催化剂在使用前是氧化态，装入反响器后应先进行