年产30万吨合成氨工艺设计(共52页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上年产30万吨合成氨工艺设计作 者 姓 名 000 专 业 应用化工技术11-2班 指导教师姓名 000 专业技术职务 副教授（讲师） 专心-专注-专业目 录摘 要 4第一章 合成氨工业概述51.1氨的性质、用途及重要性 51.1.1氨的性质51.1.2 氨的用途及在国民生产中的作用 61.2 合成氨工业概况61.2.1发展趋势61.2.2我国合成氨工业发展概况71.2.3世界合成氨技术的发展91.3合成氨生产工艺111.3.1合成氨的典型工艺流程111.4设计方案确定131.4.1原料的选择131.4.2 工艺流程的选择141.4.3 工艺参数的确定14第二章 设计工

2、艺计算2.1 转化段物料衡算152.1.1 一段转化炉的物料衡算162.2 转化段热量衡算242.2.1 一段炉辐射段热量衡算242.2.2 二段炉的热量衡算322.2.3 换热器101-C、102-C的热量衡算342.3 变换段的衡算352.3.1 高温变换炉的衡算352.3.2 低温变换炉的衡算382.4 换热器103-C及换热器104-C的热负荷计算412.4.1 换热器103-C热负荷412.4.2 换热器104-C热负荷422.5 设备工艺计算422.6 带控制点的工艺流程图及主要设备图462.7生产质量控制462.8三废处理47摘 要氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要

3、地位。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。本设计是以天然气为原料年产三十万吨合成氨的设计。近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。设计采用的工艺流程简介：天然气经过脱硫压缩进入一段转化炉，把CH4和烃类转化成H2，再经过二段炉进一步转化后换热进入高变炉，在催化剂作用下大部分CO和水蒸气反应获H2和CO2，再经过低变炉使CO降到合格水平，去甲烷化工序。关键词：合成氨 天然气 ABSTRACTAmmonia is

4、 one of the important basic chemical products, occupies an important position in national economy. Ammonia production after years of development, has now developed into a mature chemical production process. This design is the design of the natural gas as raw material to produce three hundred thousan

5、d tons of synthetic ammonia. Synthetic ammonia industry develops very fast in recent years, large scale, low energy consumption, clean production is the mainstream in the development of synthetic ammonia equipment, technical improvement is the main direction of development of better performance of c

6、atalyst, reducing ammonia synthesis pressure, the development of new materials gas purification methods, reduce fuel consumption, recovery and rational utilization of low heat, etc. Introduction to the design process used: compressed natural gas after desulfurization enter reformer, the CH4 and hydr

7、ocarbons into H2, and then further transformed after Sec furnace heat exchanger into the hypervariable furnace, most CO and water vapor in the catalyst reaction for H2 and CO2, and then through the low variant oven down to an acceptable level of CO, to the methanation processes.Key words：Ammonia gas

8、第一章 合成氨工业概述1.1氨的性质、用途及重要性1.1.1氨的性质氨分子式为，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。人们在大100cm/m氨的环境中，每天接触八小时会引起慢性中毒。主要化学性质：（1）、NH（挥发性）遇HCl（挥发性）气体有白烟产生,可与氯气反应。电离方程式：（2）、氨水（一水合氨，NH3H2O）可腐蚀许多金属，尤其铜，氨区内一般要求不准用铜材质设备，一般若用铁桶装氨水，铁桶应内涂沥青。（3）、氨的催化氧化是放热反应，产物是NO，是工业制硝酸的重要反应，NH也可以被氧化成N。（4）、NH能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。在水中产生少量氢氧根离子，呈弱碱性.（5)、

9、氨与酸反应生成铵盐：NH+HCI=NHCI氨在英文中有时会被称作anhydrous ammonia（译为无水氨），以和在英文中与它名称类似的氨水区别。中文中很少有人会把氨气和氨水混为一谈。氨气溶于水得到氨水，氨水的主要成分是一水合氨，但是不能认为一水合氨就是氨水。而且氨水成碱性的原因就是一水合氨在水中电离出氢氧根离子。市售氨水浓度为25%-28%。NH HO NH+OH-其性质和氨气完全不一样。实验室的稀氨水一的浓度一般为1M至2M。氨的饱和水溶液（大约18M）的密度是0.880g cm，故可称之为.880 Ammonia。主要物理性质：（1）有刺激性气味的气体氨对人体的眼、鼻、喉等有刺激作用

10、，吸入大量氨气能造成短时间鼻塞，并造成窒息感，眼部接触以造成流泪，接触时应小心。如果不慎接触过多的氨而出现病症，要及时吸入新鲜空气和水蒸气，并用大量水冲洗眼睛。（2）密度小氨气的密度为0.771g/L（标准状况下）（3）沸点较高氨很容易液化，在常压下冷却至-33.5或在常温下加压至700KPa至800KPa，气态氨就液化成无色液体，同时放出大量的热。液态氨汽化时要吸收大量的热，使周围物质的温度急剧下降，所以氨常作为制冷剂。以前一些老式冰棍就是利用氨气制作的（4） 易溶于水（5） 氨极易溶于水，在常温、常压下，1体积水能溶解约700体积的氨。1.1.2氨的用途及在国民生产中的作用 氨是基本化工产

11、品之一，用途很广。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化可以

12、制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，氨还是常用的冷冻剂。合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了许多科学技术部门的发展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展起来的。所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个重要部门4。1.2合成氨工业概况1.2.1发展趋势氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位；同时也

13、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基础，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铵盐肥料，这部分约占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”。原料路线的变化方向。从世界燃料储量来看，煤的储量约为石油、天然气总和10倍，自从70年代石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。节能和降耗。合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采

14、用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、降低压力、开发新的原料气方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。如今已提出以天然气为原料的节能型合成氨新流程多种，每吨的设计能耗可降低到约29.3GJ。与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。如果在合成氨原料气脱除中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。中国开发的用氨水脱除直接制碳酸氢铵新工艺，以及中国、等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺，都有明显的优点。1.2.2我国合成氨工业发展概况中国合成氨产量位居世界第一位，现已掌握了以

15、焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃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7,400万吨左右，氮肥工业已基本满足了国内需求；在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力，今后发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铵。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3,000万吨/年；其下游产品主要是

16、碳酸氢铵，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1,000万吨/年，只占中国合成氨总产能的1/4左右，因此可以说我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，促进了氮肥生产的发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。图 1-近五年中国合成氨产量分析（单位：万吨）资料来源：立本研究，2014年从地域分布分析，近年来中国合成氨产能主要分布在华东、中南、西南和华北等氮肥消费量较大的地区。2013年中国合成氨产量居于前五

17、位的省份分别是山东、山西、河南、湖北、四川，其中山东省合成氨的产量达783.1万吨，同比增长2.15%，占全国总产量的14.5%。合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，有十分广泛的用途。氨可生产多种氮肥，如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；还可生产多种复合肥，如磷肥等。氨也是重要的工业原料。如无机化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮无机盐；有机工业中各种中间体，制药工业中磺胺药物，高分子行业中聚纤维、氨基塑料、丁腈橡胶、冷却剂等，国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维；这些都是氨的下游应用。图 2-中国合成氨应用分析图8(一)原料构成的变化为了合成氨，首先必须提供氮和氢。氮来自空气，氢来自水。

18、气和水到处都有，而且取之不尽。传统的制氮方法是在低温下将空气液化、分离，以及水电解制氢。由于电解制氢法，电能消耗大，成本高。传统方法还是采用高温下将各种燃料和水蒸气反应制造氢。因此合成氨生产的初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等，60多年来世界合成氨原料的构成变化见下表1-1。表1.1世界合成氨原料构成（%）原料192919391953196519711975198019851990焦炭、煤65.253.6375.89.09.05.56.513.5焦炉气15.827.12220天然气-1.32644.26062.071.571.077石脑油-4.82019.015.013.06重

19、油-9.24.55.07.58.53其它191815166.55.00.51.00.5合计100100100100100100100100100由表1-1可知，合成氨的原料构成是从以固体燃料为主转移到以气体燃料和液体原料为主。自从北美大量开发天然气资源成功之后，20世纪50年代开始采用天然气制氨。因为天然气便于管道运输，用作合成氨的原料具有投资省、能耗低等明显优点。到20世纪60年代末，国外主要产氨国都已先后停止用焦炭、煤为原料，而以天然气、重油等为原料，天然气所占比重不断上升。一些没有天然气资源的国家，如日本、英国在解决了石脑油蒸汽转化过程的析碳问题后，1962年开发成功石脑油为原料生产合成

20、氨的方法。石脑油经脱碳、气化后，可采用和天然气为原料的相同生产装置制氨。但石脑油价格比天然气高，而且又是石油化工的重要原料，用于制氨受到一定限制。为了扩大原料范围，又开发了用重油部分氧化法制氢。从此比石脑油价廉、来源广泛的重油和减压渣油开始作为合成氨的另一种原料。表1-2为各种原料的日产1043.3t合成氨厂，相对投资和能量消耗比较。由表可见，虽然各国资源不同，但选用原料的基本方向相同。只要资源条件具备作为合成氨的原料。首先应考虑天然气和油田气，其次采用石脑油。表1.2氨厂采用的各种原料的相对投资和能量消耗原料天然气重油煤相对投资费用1.01.52.0能量消耗/(GJ/t)283848特别是以

21、天然气为原料的合成氨工业占了很大的比重，本设计就是以天然气为原料合成氨，主要是转化工段的设计。(二)生产规模大型化20世纪50年代以前，氨合成塔的最大能力为日产200t氨，到60年代初期为400t。随着蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功，美国凯洛格公司运用建设单系列大型炼油厂的经验，首先运用工艺过程的余热副产高压蒸汽作为动力，于1963年和1966年相继建成日产544.31t和907.19t的氨厂，实现了单系列合成氨装置的大型化，这是合成氨工业发展史上第一次突破。大型化的优点是投资费用低，能量利用率高，占地少，劳动生产率高。从20世纪60年代中期开始，新建氨厂大都采用单系列的大型装置。但是

22、，大型的单系列合成氨装置要求能够长周期运行，对机器和设备质量要求很高，而且在超过一定规模以后，优越性并不十分明显了。因此大型氨厂通常是指日产600t级，日产1000t级和日产1500t级的三种。现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨，1991年在比利时的安特卫普建成投产。(三)低能耗新工艺合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外。整个生产过程还需消耗较多的电力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。现在合成氨能耗占世界能源消费总量的3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。由于吨氨生产成本中能源费用占70%以上，因此能耗是衡量合成氨技术和经济效益的重要标志。以天然气为原料的日产100

23、0t合成氨装置吨氨能耗目前已从20世纪70年代的40.19GJ下降到39.31GJ左右，而且以天然气为原料的大型氨厂的所需动力约有85%可由余热供给。(四)生产自动化合成氨生产特点之一是工序多、连续性强。20世纪60年代以前的过程控制多采取分散方式，在独立的几个车间控制室中进行。自从出现单系列装置的大型氨厂，除泵类有备用外，其它设备和机器都是一台。因此，某一环节的失调就会影响生产，为了保证长周期的安全生产，对过程控制提出更高的要求，从而发展到把全流程的温度、压力、流量、物位和成分五大参数的模拟仪表、报警、连锁系统全部集中在中央控制室显示和监视控制。自从20世纪70年代计算机技术应用到合成氨生产

24、以后，操作控制上产生了飞跃。1975年美国霍尼威尔公司开发成功TCP-2000总体分散控制系统（TotolDistributedControlSystem），简称集散控制系统（DCS）。DCS是现代计算机技术、控制技术、数据通讯技术和荧光显示技术（CRT）相结合的产物。在CRT操作平台上可以存取、显示多种数据和画面，包括带控制点的流程，全部过程变量、控制过程变量，以及其参数的动态数值和趋势图，从而实现集中监视和集中操作。操作人员对于人一控制点、控制单元、生产设备、车间以及全厂的运作情况进行随机或定势的观察，只要通过键操作调出相应的画面，即可把所需内容显示在CRT上，以便监视、控制和修改某些参数

25、。需要的数据、流程都可随机或定时在打印机上打印和彩色硬拷贝机上拷贝。与此同时，报警、连锁系统，程序控制系统，采用了微机技术的可编程序逻辑控制器（PLC）代替过去的继电器，采用由用户编写的程序，实现自动或手动的“开”或“停”和复杂程序不同的各种逻辑控制，计时、计数、模拟控制等。近年由于机电一体化需要逻辑控制和模拟控制计时、计数、运算等功能相结合，各仪表厂家的产品已从单一的逻辑控制，趋向多种控制功能结合为一体。因此，用“可编程序控制器”（PC）这一名称较为确切。此外，若配置有高一级管理、控制功能的上位机系统，还能进行全厂综合优化控制和管理，这种新颖的过程控制系统不仅可以取代常规模拟仪表，而且还可以

26、完成局部优化控制以及模拟仪表难以实现的复杂自控系统。若能用仿真技术进行操作人员的模拟培训只需在一台高性能的计算机上配合相应的软件以代替实际生产装置的控制、运作设备，这样就可以在较短的时间内学习开停车、正常操作和事故状态操作。这些都表示氨生产技术自动化进入新的阶段，改变了几十年合成氨生产控制的面貌。合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的制备、净化和压缩和合成。(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；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，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

27、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。变换反应如下：CO+H2OH2+CO2H=-41.2kJ/mol；由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分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变换反应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。脱硫脱碳过程各种原料制取的粗原料

28、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，以重油和煤为原料的部分氧化法，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(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2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、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。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

29、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(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，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残余的CO和CO2。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10 cm/m (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分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-100)条件下用液氮吸收分离少量

30、CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100 cm/m以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10 cm/m以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。甲烷化反应如下：CO+3H2=CH4+H2OH=-206.2kJ/mol；CO2+4H2=CH4+2H2OH=-165.1kJ/mol；(3)氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催

31、化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：N2+3H2=2NH3(g)H=-92.4kJ/mol1.4设计方案确定1.4.1原料的选择合成氨生产的原料有焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等。本设计选择天然气作为原料，主要考虑到我国天然气资源丰富及清洁节能等原因，详如下述。首先，我国天然气资源比较丰富，地质资源总量约3839万亿立方米，列世界第十位，其中陆上30万亿立方米，海上9万亿立方米。已探明储量约1.9万

32、亿立方米，仅占资源总量的5%左右，列世界第16位，天然气资源勘探潜力很大。近年来我国天然气勘探取得了重大突破，陆上已在川渝、陕甘宁、新疆和青海形成四大气区；海上气田以渤海、南海西部地区和东海西湖凹陷作为重点勘探和增加产量的地区。其次，我国天然气工业高速发展方兴未艾。据最新的石油与勘探开发介绍，目前，我国天然气工业正处于发展高峰时期，且发展速度越来越快。近年来，国家对环境问题越来越重视。天然气作为一种清洁优质的能源，在我国改善能源结构，以及我国在大力推动低碳经济发展的过程中，获得了前所未有的大发展。无论是在传统的天然气产区，还是在新的天然气勘探开发区，近几年，我国天然气工业的发展都呈现出前所未有

33、的良好态势。我国将大力提高天然气在我国能源消费结构中的比重。天然气作为化石能源中污染最少的能源，热值相应高于煤炭与石油。在目前我国的能源消费结构里，煤炭占67，石油占20，而天然气却只占3.4，远低于23.5的世界平均水平。加大天然气在能源消费结构中的比重，既有利于促进节能减排，又能够维持经济与社会可持续发展。第三，以天然气为原料合成氨工艺比重油和煤为原料的工艺成本低，而且能耗低。根据计算，若大型氨厂分别用石脑油、渣油、天然气和煤为原料制氨，其价格分别按1800元/t、1400元/t、1.20元/m3和260元/t计，中压蒸汽价格按78元/t计，对应的合成氨成本分别为1721元/t、1557元

34、/t、1493元/t和1021元t。可见，在这4种原料中，以煤为原料制氨成本最低,然而，以煤为原料合成氨能耗远大于天然气（见表1-1）。天然气工艺技术目前最可靠，天然气合成氨工艺成熟、生产可靠、连续。煤头技术中，固定层气化流程，虽然工艺成熟，但气化消耗高，环保污染严重、难以达标、厂区环境恶劣；水煤浆气化技术对煤种要求特别高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔点、固定碳含量。1.4.2 工艺流程的选择工艺流程简图：天然气 原料气压缩机 加氢脱硫 氧化锌脱硫 蒸汽 一段转化空气 空气压缩机 二段转化 废热锅炉高温变换低温变换脱碳甲烷化合成氨压缩机合成氨压缩机 冷冻 二氧化碳二氧化碳压缩 尿素装置尿素以天

35、然气为原料合成氨生产装置转化变换工序设计，其主要参数是一、二段转化工艺和CO高-低变串联流程的温度和压力。天然气经加氢脱硫，出口总硫量小于0.5ppm后，在压力3.03MPa、温度380左右的条件下配入中压蒸汽达到水碳比为3.5（R=3.5），进入一段转化炉的对流段加热，气体一边加热一边反应，出反应管的温度在822左右，最后沿集气管中间的上升管上升，继续吸收一些热量，使温度升到850左右，经输气总管送往二段转化炉。工艺空气经压缩机压到3.33.5 MPa，也配入少量水蒸气，然后进入对流段的工艺空气加热盘预热到480左右，进入二段炉顶部与一段转化气汇合，在顶部燃烧区燃烧、放热，温度升到1200左

36、右，在通过催化剂床层时继续反应并吸收热量，离开二段转化炉的温度约为1000左右，压力为3.0 MPa，所得混合气残余甲烷含量约为0.3。经二段转化后的合成气送入第一换热器（101-C），接着又送入第二换热器（102-C），使合成气温度由1003降到360左右，利用这些能量制取高压蒸汽。从第二换热器出来的气体继续送往变换工序处理。含CO的原料合成气经换热器降温，在压力3.0 MPa、温度371下进入高变炉（因原料气中水蒸气含量较高，一般不需要加蒸汽）。经高变处理后，气体中CO降到3.0左右，温度为425440。气体通过高变废热锅炉，冷却到336左右，锅炉产生10.0MPa的饱和蒸汽。由于此时气体

37、温度还不能进行低温变换，于是将变换气用来加热其它工艺气体，而变换气被冷却到241后进入低变炉。经低变处理后，气体残余CO降到0.30.5之间，再送入后续工段继续净化。第二章 设计工艺计算2.1 转化段物料衡算原料气（入加氢转化器天然气）组成如下表：组 分mol（干）kmol/hkg/hCH48900996.8015948.80C2H650056.00168000C3H84.0044.801971.20C4H101.0011.20649.60C5H120.808.96645.12N20.202.2462.72干100.0011200020957.44循环氢气组成如下表：组 分kmol/hkg/h

38、N219.50545H258.30117Ar0.209CH40.8013合 计7880684出加氢器气体组成如下表：组 分mol（干）kmol/hCH483.2165997.6C2H64.671356C3H83.737144.8C4H100.934311.2C5H120.74748.96N21.813421.74H24.863258.3Ar0.01670.2合 计100.001198.82.1.1 一段转化炉的物料衡算计算数据依据：水碳比R=3.50一段炉出口甲烷含量设计为10一段转化炉出口温度：822一段转化炉出口压力：30.9Kg/cm3（表压）A. 物料衡算：总碳流量：C=997.6+5

39、62+44.83+11.24+8.965=1333.6kmol/h水碳比：R=3.50故加入水蒸汽量：nH2O=3.501333.6=4667.6kmol/h设一段转化炉出口CO、CO2、H2的含量分别为nCO、nCO2和nH2，干转化气总量为V kmol/h,转化消耗水蒸汽量为nH2O kmol/h。列元素平衡式C平衡 1333.6=nCO + nCO2 +0.1V （1）H2 平衡58.3+997.62+563+44.84+11.25+8.966+4667.6= nH2 +20.1V+(4667.6-nH2O )化简为 2510.46= nH2+0.2V -nH2O （2）O2平衡 466

40、7.6=(4667.6-nH2O )+nCO +nCO2化简为 2nCO2+nCO -nH2O =0 （3）出口总干气量：V=nCO2+nCO+nH2+nN2+nAr+nCH4 =nCO2+nCO+nH2 +21.74+0.2+0.1V化简为 V=nCO2+nCO+nH2 +0.1V+21.94 （4）一段转化炉进行的主要反应为：CH4+H2O(g) CO+3H2CO+H2O(g) CO2+H2查2知，在t=822时，kpco=0.94135（4）-（1）得 nH2=V-1355.54 （6）（6）-（2）得 nH2O=1.2V-3866 （7）故化简nH2O=4363.5107-（1.19V1-3730.945）得nH2O=8094.4557-1.19V （8）（3）-（1）得 nCO2= nH2O+0.1V-1333.6将（7）代入上式，可化简为nCO2=1.3V-5199.6 （9）由（1）2-（3）可得 nCO=2667.2-0.2V-nH2O （10）将（7）代入（10）得 nCO=2667.2-0.2V-1.2V+3866化简为 nCO=6533.2-1.4V （11）出口转化气