日产千吨合成氨蒸汽转化工段工艺设计.docx

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(<-100oC)条件下用液氮吸收别离少量CO,而且也能脱除甲烷和大局部氨，这样可以获得只含有惰性气体100Cm3?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Hz反响生成CHt和HzO的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氯化物含量(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+CO%含量脱除到IOCm3/n?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。甲烷化反响如下：CO+3H2CH4÷H2OH=-206.2kJmolCO2+4H2-*CH4+2H2OH=-165.1kJmol0298(3)氨合成将纯洁的氢、氮混合气压缩到高压，在催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局部。氨合成反响在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反响后气体中氨含量不高，一般只有10%20%,故采用未反响氢氮气循环的流程。氨合成反响式如下：N2+3H2-*2NH3(g)H=-92.4kJmol1.3 氨的主要用途合成氨工业是根底化学工业的重要组成局部，有十分广泛的用途。氨可生产多种氮肥，如尿素、硫酸筱、硝酸筱、碳酸氢核等；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、丁靖橡胶、冷却剂等，国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维；中国合成氨应用分析图其他12%资料来源：立本研究，2014年P1.4 甲烷蒸汽转化制合成气概述1.4.1 生产方法以天然气为原料生产合成氨原料气，目前工业上多采用水蒸气转化(steamreforming),该方法制得的合成气中H2ZCO比值理论上为3,有利于用来制造合成氨和氢气；用来制造其它有机化合物1例如甲醇、醋酸、乙烯、乙二醇等)时此比值需要再加调整。目前工业上由天然气制合成气的技术主要有蒸汽转化法和局部氧化法。蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烧类与水蒸气反响，生成H2、Co等混合气，其主反响为CH4+H2O=C0+3H2H=206kJ/mol该反响是强吸热的，需要外界供热。此法技术成熟，目前广泛应用于生产合成气、纯氢气和合成氨原料气。局部氧化法是由甲烷等垃类与氧气进行不完全氧化生成合成气，CH4+1/2O2=CO+2H2H=-35.7kJ/mol该过程可自热进行，无需外界供热，热效率较高。1.4.2 工艺原理甲烷，水蒸气转化反响和化学平衡正常正常生产工况下，甲烷水蒸气转化过程的主要反响有：CH4+H2O=CO+3H2(1)CO+H2O=CO2+H2(2)以上二反响均是可逆反响，其中甲烷水蒸气转化反响式(1)是强烈吸热反响，在压力不太稳定时，其平衡常数KP仅是温度的函数，可由下式计算：IgKPI=-9864,75+8.3666IgT2.0814X10-37+8737×1(7T2-11.894(3)(3)式中，T,KPl为平衡常数，T单位为K,KPl单位为(atm)2CO变换反响式(2)为放热反响，其平衡常数Kp2与温度的关系为：IgKp=2-1.59041g7'+1.817×103T-5.65×10-7T2+8.24×10,T,1+1.5313(4)各组分的平衡分压和平衡组成要用平衡时物料衡算来计算。假设反响前体系中组分CH4、C0、Co2、H2O>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