王青山化工工艺课程设计

课 程 设 计设计题目 土库曼斯坦天燃气蒸汽转化过程设计 学生姓名 王青山 学 号 20093404 专业班级 化工工艺 09-4班 指导教师 曾全生 2012 年 12 月 17 日2013 年 1 月 5 日目录 中文摘要 .1英文摘要 .21 前言 .31.1 天然气制氨的重要性 .31.2 以天然气为原料的生产方法 .32 设计说明 .42.1 设计概念 .42.2 物料性质与规格 .42.3 工艺流程 .42.4 环境与安全分析 .52.4.1 正常操作安全控制系统 .52.4.2 事故紧急停车及安全控制系统 .72.5 主要设备 .93 工艺设计计算 .113.1 设计依据 .113.1.1 工艺原理 .113.1.2 工艺条件 .143.2 物料衡算 .153.2.1 一段转化炉的物料衡算 .153.3.2 二段转化炉的物料衡算 .173.3 一段转化炉热量衡算 .193.3.1 已知数据 .193.3.2 计算过程 .204 设备选型与设计 .234.1 钴钼加氢脱硫器的设计 .234.2 氧化锌脱硫槽的设计 .234.3 设备选型 .244.4 主要设备一览表 .245 管道计算 .265.1 管径的确定 .265.2 管道管径及流速表 .28结束语 .29谢辞 .30参考文献 .31附录：一段转化炉物料衡算数据迭代程序 .3209 级化工工艺课程设计1土库曼斯坦天然气蒸汽转化过程设计摘 要：本设计以土库曼斯坦天然气为原料通过水蒸汽转化法制合成气，为日产千吨合成氨提供原料气。设计文件由设计说明书,工艺管道及仪表流程图和 设备布置图组成。设计内容包括工艺路线设计,物料衡算,热量衡算,设备选型与设计以及管道的确定和生产流程环境与安全分析。工艺路线采用一段蒸汽转化和二段通入加氮空气燃烧的联合转化流程。设计过程中对一段转化炉和二段转化炉都作了物料衡算，只对一段转化炉作热量衡算。对一段转化炉、二段转化炉、加氢反应器、排风机等设备进行了选择，并对烟囱进行了初步设计。管道计算主要是初步确定不同管路需要的管径，壁厚，环境与安全分析是对整个生产流程作评价。关键词: 合成气 天然气 物料衡算 能量衡算 初步设计09 级化工工艺课程设计2Design of Steam Reforming Process of Natural Gas Produced from TurkmenostanAbstract: This design with Turkmenistan natural gas as raw materials by steam conversion legal syngas, for daily output thousand Tons of ammonia gas supply raw. The design documents by the design specification, process piping and flow chart meters and Equipment layout composition. Design contents include the process route design, materials, heat balance the numerical calculation, the equipment Selection and design of the pipeline to determine manufacturing processes and the environmental and safety analysis. Process route adopted A period of steam reforming and two sections of access to add nitrogen air combustion joint conversion process. Design process to A for 1-phase converter and two for 1-phase converter is material calculation, only one for 1-phase converter for heat calculation.For a for 1-phase converter, two for 1-phase converter and hydrogenation reactor, exhaust fan equipment were chosen,And the chimney has carried on the preliminary design. Piping calculation is mainly determined initially different pipeline need tube Diameter and wall thickness, environmental and safety analysis of the whole production process evaluation.Keywords:Syngas Natural gas Mass balance Heat balance Preliminary design09 级化工工艺课程设计31 前言1.1 天然气制氨的重要性我国人口众多， “民以食为天” ，为解决粮食问题，党中央、国务院对农业发展极为重视，为促进农业发展，化肥工业发展很快，氮肥占有相当大的比重，从 20 世纪 50 年代开始，经过九个五年计划的快速增长，合成氨产量 1998 年达3162 万吨，居世界首位。合成氨在国民经济中占有极其重要的位置。到 21 世纪随着人口增加，对农作物需求量增加，对化肥产品要求也越高，除调整化肥产品结构、企业结构外，对合成氨低成本项目还将进行适度建设。以天然气为原料生产合成氨的成本最低，而以煤炭为原料导致能耗高、污染严重。今后，将逐步将合成氨生产原料从煤转化向天然气，这对我国能源结构调整、保障能源和粮食的安全具有重要意义，同时也符合了党的十八大的指导方针，有利于中国的经济发展。1.2 以天然气为原料的生产方法天然气中甲烷量一般大于 90%，其余为少量的乙烷、丙烷等气态烷烃，有些还含有少量氮和硫化物。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部分氧化法。以天然气为原料合成氨的原料气，目前工业上多采用水蒸气转化法。蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烃类与水蒸气反应，生成 H2、CO 等混合气，其主反应为 mol/kJ206 3CO9824 H该反应是强吸热的，需要外界供热。此法技术成熟，目前广泛应用于合成气、纯氢气和合成氨原料气。 【1】本设计以土库曼斯坦天然气为原料，采用水蒸气转化法生产合成氨原料气。09 级化工工艺课程设计42 设计说明2.1 设计概念本设计生产装置为日产千吨合成氨提供原料气，由于设计时间限制，设计内容和深度属于工艺专业初步设计的范围。设计文件由两部分组成：（1） 设计说明书：主要内容有论证设计方案、物料衡算与热量衡算、设备设计与选型并列出设备一览表、管道管件及流速计算等；并考虑到环境保护评价和安全生产措施。（2） 图纸：绘制工艺管道及仪表流程图和设备布置图，图纸符合最新标准。2.2 物料性质与规格天然气的组成因产地而异，往往差别很大。在数多情况下，甚至同一气田的气体组成常有变化。以土库曼斯坦天然气为计算依据，经脱硫后的组成为：CH4 96.51% CO2 1.89% CO 0.16% H2 0.09% N2 1.35% ,合计 100%。2.3 工艺流程图 2.1 工艺流程示意图生产工艺流程示意图见图 2.1，据此进行物料衡算和热量衡算。图 2.1 流09 级化工工艺课程设计5程简述如下：原料天然被压缩至 3.6MPa 左右，送到一段炉的对流段预热至 380至 400，热源是由辐射段来的高温烟道气。预热后气体进入钴钼催化脱硫器，使有机硫加氢变成硫化氢，再到氢化锌脱硫罐脱硫硫化氢，使天然气中总含硫量降至 以下。脱硫后天然气与中压蒸汽混合，再送到对流（ 体 积 分 数 ）6105.段加热至 500 至 520，然后分流进入位于一段炉辐射段的各转化管，自上而下经过管内催化剂层进行吸热的转化反应，热量由管外燃烧天然气提供。由反应管地步出来的转化气温度为 800 至 820，甲烷含量约 9.5%（干基） ，各管气体汇合于集气管并沿中心管上升，由炉顶出来送往二段转化炉。在二段炉入口预热至 450左右的空气，与一段转化气中的部分甲烷在炉顶部燃烧，是温度升至 1200 摄氏度左右，然后经过催化剂床层继续转化，离开二段炉的转化器约1000，压力 3.0MPa，残余甲烷低于 0.3%(干基） ， （H 2+CO）/ N 2=3。从二段转化炉出来的高温转化气先后经废热锅炉，回收高温气的显热产生蒸汽，此蒸汽再经对流段加热成为高温过热蒸汽，作为工厂动力和工艺蒸汽。转化气本省温度降至 370左右，送往变化工段。燃料天然气先经一段炉对流段预热后，进入到辐射段的烧嘴，助燃空气由鼓风机送预热器后也送至烧嘴，在喷射过程中混匀并在一段炉内燃烧，产生的热量通过反应管壁传递给催化剂和反应气体。离开辐射段的烟道气温度高于1000，在炉内流至对流段，依次流经排列在此段的天然气-水蒸气混合原料气的预热器、二段转化工艺空气的预热器和助燃空气预热器，温度降至 150至200，由排风机送至烟囱而排往大气。 【2】2.4 环境与安全分析天然气蒸汽转化是在加压高温下操作，产品转化气是易燃易爆的有毒气体，因转化气中含大量一氧化碳，一旦泄漏被人呼吸可立即中毒身亡。故安全设计方法非常重要，应有完善的安全控制系统，包括正常操作安全控制系统和事故紧急停车及安全控制系统。2.4.1 正常操作安全控制系统2.4.1.1 蒸汽转化三种原料的比例蒸汽转化的三种原料，即原料天然气、工艺蒸汽和工艺空气，必须保持一09 级化工工艺课程设计6定的数量比例。为防止水碳比过低和空气量过高，增减量操作必须遵循下列顺序。增量：先蒸汽，再天然气、燃料气，最后空气。减量：先燃料气、空气，再天然气，最后蒸汽。为保持三种原料的比例关系，采用自动比例调节系统。也有单参数调节的，这样主要依靠操作者的全面判断来给定调节值，对处理异常情况有一定的灵活性。为了保证安全操作，在仪表空气发生故障时蒸汽调节阀应全开，而另两个物料调节阀则应全关。 【3】2.4.1.2 一段炉的操作与安全一段炉操作的主要任务是控制工艺条件，使全部转化管受热均匀以延长炉管的寿命，操作上为了保护炉管的目的，设有必要的测温点、窥孔和烧嘴组以及单个烧嘴的调节装置。可通过窥孔用光学高温计观察转化炉管的表面温度。以天然气为原料的转化炉在转化管下端或下集气管设置一定数量的测温点。以石脑油为原料的转化炉在转化管上部的反应复杂需要的反应热量和蒸汽量较多，所以选数根据转化管上部不同高度设置测温点以便掌握反应情况和调节燃气量。为了保持燃烧的稳定，还必须要求燃气压力和炉膛负压的稳定，在燃气系统应设压力调节器和压力过高过低的保护装置。为了保证燃烧的安全，还应设“超前滞后”调节系统，当提高燃烧负荷时先增加燃烧空气最后增加燃气量，达到预设定燃气量与空气的比例，当减燃烧负荷时则先减燃料气量后减空气量，以保证燃烧室内的安全。当空气送风机不能使用时，则一段炉只能在设计热负荷的 65%下运行，这时操作要加倍小心。如果氧含量分析器表明炉内氧含量低于正常值时，应准备采取手动措施减少燃料气量。 【4】2.4.1.3 二段转化炉的操作二段转化炉的操作比较简单，只需根据合成系统的氢氮比调节二段转化炉的空气量。但是，当空气流量变化时首先要影响到二段转化炉的反应温度；当09 级化工工艺课程设计7温度上升时应降低一段转化炉的燃烧速率，温度下降时要增加一段转化炉的燃烧速率。2.4.1.4 空气压缩机、空气预热盘管及二段炉空气分布器的保护在改变空气流量时要注意低流量下对空气压缩机、空气预热盘管及二段炉分布器的保护。在设计上空气压缩机高缸出口，有防喘振调节器，在二段炉需要的空气量多时，该调节器不起作用，当空气量过低时，该调节器打开放空阀以保持稍高于压缩机喘振限的最低流量。进入二段炉空气分布器的空气流量必须足够大，才能保证与一段转化气充分混合，避免局部超温，保护分布器不被烧坏，在设计上要使空气-蒸汽混合气通过分布器喷孔处的流速达到足以防止孔端过热的程度。空气流量低于设计的允许最低值时，可降低系统压力操作，或者增加随空气加入的蒸汽量，以维持通过喷孔的最低流速。2.4.1.5 废热锅炉的操作只需用副线的遥控阀控制工艺气的流量，使工艺气体的出口温度保持稳定。定时排污保持炉水质量。 【4】2.4.2 事故紧急停车及安全控制系统2.4.2.1 事故的影响及紧急停车的处理原则（1）原料气中断 原料气流量降低，可能造成二段炉的空气比例失调，二段炉显著超温。如果原料气完全中断，则进入二段炉空气中的氧无从消耗，进入后续设备会在某处与可燃气体相遇而爆炸；氧气还会使还原态的催化剂急剧氧化，烧毁催化剂，甚至损坏设备。处理原则是立即切断进二段炉的工艺空气，同时关原料气阀及一段炉燃料气阀保护转化炉，工艺气在高炉前放空。转化管继续以设计流量通蒸汽至少30min，以便吹出烃类避免在催化剂上结碳。（2）工艺空气中断 工艺空气中断会造成转化气中残余甲烷升高和合成气09 级化工工艺课程设计8氢氮比失调，以及空气预热盘管过热。处理原则是关空气管线上的电动阀，并加大进空气预热盘管的蒸汽量，防止热气倒流，保护预热盘管，停止合成氨生产，工艺气体在甲烷化炉前放空。然后减少原料气流量，并维持二段炉温度，等待重新开车。（3）工艺蒸汽中断 工艺蒸汽中断或流量过低，后果将是很严重