天然气转化成水煤气

(1)原料天然气组成分子式C1C2C3N2HS2组成0.82150.02840.00130.00720.0892CO20.0524H2S含量的变化范围为：9.2%~10.8%；CO2含量的变化范围为：4%~6%(2)设计规模：15万吨/年；(3)原料气温度：20°C；(4)要求：HS<20mg/m32水蒸气法将天然气转换成水煤气：CH4+H2O=CO+3H2-206.37kJ/molCH4+2H2O=CO2+4H2-163.71kJ/molCH4+CO?=2CO+2H2-247.39kJ/molCO+H2O=CO2+H2+41.19kJ/molCH22+nH2O=nC+(2n+1)H2-QkJ/mol部分氧化2CH4+O2=2CO+4H2+71.18kJ/molCH4+2O2=CO之+H2O+802.46kJ/mol2H2+O2=2H2O+483.99kJ/mol由以上列的转化反应式可以看出，用天然气转化成水煤气，从理论上可以得到CO+3H2,一个体积的CH4可以转化成4个体积的CO+H2,实际上转化过程平衡条件决定于CO+H2O—CO2+H2最终的水蒸汽转化气组分为CO、CO2、H2的混合物，组分中的CO还可以进行合成氨最理想最经济的转化方式。其中主要的反应式就是CH4的反应生成的CO、CO2、H2。.根据查找数据根据经验值得到如下数据在不同温度下反应生成的平衡组成温度/C平衡常数平衡组成/%COKPpCH4H2OH2CO240011.7020.8574.423.780.940.006002.52716.5464.1315.393.590.348001.0158.7448.3733.565.553.799000.73294.5541.3841.845.147.0910000.56121.6937.0947.004.369.8511000.44970.4935.6148.853.7111.33根据我们需要选择产生H2最多的可以使我们的天然气的利用率最大。所以尽量选择1100°C。当温度降低后，可以使水变成液体除去，剩下的都是气体，所以气体部分就是H2；0.4885/(1-0.3561)=0.7587CO2：0.0371/(1-0.3561)=0.05762CO：0.1133/(1-0.3561)=0.17596在总体中占的比例就是H2:0.7587X0.8215=0.6233CO2：0.05762X0.8215+0.0524=0.0997CO：0.17596X0.8215=0.1437由于N：H=1：3可以使反应达到最大效益，所以，通入大于0.33倍H2的氮气最为合适，假设可以通入的氮气量为30体积，可以使的合成气变成半水煤气可得N2:30^130=0.2308H2:62.33：130=0.4795CO2：9.97：130=0.0767CO：14.37：130=0.1105表4.1半水煤气成分组分N2CO2COH2其他体积/%23.087.6711.05 ，47.9510.25通过查资料可以的到栲胶脱硫的脱硫液成分如下表:表4.2脱硫液成分组分NaCO23NaHCO3总碱总钒栲胶浓度5.050.626.80.61.5（g/L）2计算原料气的体积及流量以每年300个工作日，每天工作24小时，则每小时生产合成氨为：150000^(300X24)=20.8333t/h考虑到在合成时的损失，则以每小时生产20.8333吨计算为基准，所以%3=208333Kg：17Kg/Kmol=1225.49Kmol则合成NH3所需要N2的物质的量为nN2=nNH3：2=612.745Kmol考虑到半水煤气经过洗涤、脱硫、变换等工序到合成的过程中氮气的损失，则损失率以1%计，则半水煤气中氮气的物质的量为%=612.75X(1+1%)=612.75Kmol那么原料气中N2的体积为VN2=22.4Nm3/KmolX612.75Kmol=137250.49Nm3根据半水煤气中各气体的体积比，则其它气体的体积为Vco2=7.67：19.55XVn2=53847.1232Nm3VCO=11.05：19.55XVN2=77576.36Nm3Vh2=47.95：19.55XVn2=330629.761Nm3VO2=10.25：19.55XVN2=71959.9756Nm3那么总气体的体积V=VN2+VCO2+VCO+VH2+VO2二53847.1232Nm3+77576.63Nm3+330629761Nm3+71959.975Nm3+137250.49Nm3二677265.864Nm3根据气体方程，将0°C、101.325KPa下的体积换算成125KPa、45°C时的体积V0V0=101.325X677265.864X(273.15+45)/(125X273.15)m3=639435.15m3则进入脱硫塔的气体的流量为G=639435.15m3/h3根据气体中HS的含量计算HS的质量2 2入脱硫塔中HS的质量：m1=0.09/1.3mg/m3X639435.15m3=442.685Kg2根据设计要求，出塔气体中H2S的含量为20mg/m3，取出塔气中H2S的含量为20mg/m3，则塔的脱硫效率是n=(692-20)/692X100%=97.1%.由于原料气中HS的含量低，故在脱硫的过程中原料气进入脱硫塔和出脱硫塔的2体积流量视为不变，则出塔气体的流量W0^617801.29m3/h所以出塔气中HS的质量为m2=1.5mg/m3X617801.29m3=0.927Kg2故在脱硫塔中吸收的H2S的质量为G1=m1-m2=442.685-0.927=441.758Kg4脱硫液循环量的计算取脱硫液中硫容量为S=100g/m3,根据液气比L/G=(C1-C2)/S式中：C1为进脱硫塔气体中硫化氢的含量，g/m3C2为出脱硫塔气体中硫化氢的含量，g/m3S为硫容量，g/m3L为脱硫液的循环量，m3/hG为进脱硫塔气体的流量，m3/h则液气比为L/G=(0.692-0.02)/100=0.0067脱硫液的循环量L=0.0067X639435.15=4284.22m3/h因脱硫液在循环中有损失及再生率为95%，取损失率为10%则液体的循环量为L=L(1+10%)=4284.22X(1+10%)=4712.64m3/hT5生成NaSO消耗的HS的质量G，Kg/hTOC\o"1-5"\h\z223 2 2取Na2S2O3的生成率为H2S脱除量的8%，贝UG2=425.452X8%=34.036Kg/h6NaSO的生成量G，Kg/h223 32HS~NaSO2 223G3=G2MN2S2O3/(2MH2S)式中M ——NaSO的分子量Na2S2O3 223MHS——HS的分子量22G3=34.036X158/(2X34)=79.08Kg/h7理论硫回收量G4，Kg/hG=(G-G)XM/M4 1 2 SH2S式中Ms 硫的分子量G4=(425.452—79.08)X32/34=325.99Kg/h理论硫回收率，W=G/G41W=325.99/425.452X100%=76.62%8生成Na2S2O3消耗的纯碱量G5,Kg/hG=GM/M5 3Na2CO3Na2S2O3式中MNa2CO3——Na2CO3的分子量G=79.08X1O6：158=53.054Kg/h59硫泡沫生成量G6,Kg/m3G6=G4/S1式中S1——硫泡沫中硫含量，kg/m3,取S1=30kg/m3G=325.99kg/h：3Okg/m3=10.87m3/h610入熔硫釜硫膏量G7=G4/S2式中S2 硫膏含硫量，取S2=98%(质量分数)G=325.99：98%=332.64Kg/h7表4.3物料衡算表（以每小时计）:入脱硫塔气体流量639435.15m3出脱硫塔气体流量639435.15m3脱硫液循环量4712.64m3硫泡沫生成量10.87m3硫化氢吸收量4284.22Kg硫膏量332.64Kg消耗的纯碱量53.054Kg硫代硫酸钠生成量79.08Kg4.2热量衡算（以0°C为计算基准）1基础数据半水煤气的平均式量 M=(28X23.08%)+(44X7.67%)+(28X11.05%)+(2X47.95%)+(32X10.25%)=17.5kg/kmol半水煤气的密度：p=PM/TR=1.25X17.5X102/[(273.15+40)X8.314]=0.840kg/m3半水煤气的质量流量G「V0P=639435.15X0.840kg/h=537125.526kg/h脱硫液密度计算用公式：p「1.0641—0.000446T(g/cm3)脱硫液入脱硫塔时的温度T入=45°C，则p入二1.0641—O.OOO446X45=1.04403g/cm3=104403kg/m3L入脱硫塔脱硫液的质量流量W入=4712.64p入=4920.14kg/h脱硫液出脱硫塔是的温度T出Q45C，则p出Qp入出脱硫塔脱硫液的质量流量W出5入平均比热容的计算根据比热容的计算式C=a+bT+cT2,J/(mol・K)p将半水煤气中的各组分的a、b、c值列于表中物COHCONO质2222a26.53726.8826.7527.3228.17b/10-37.68314.34742.2586.2266.297c/10-6—1.172—0.3265—14.25—0.9502—0.7494表4例如在60C的比热容：CO: C=26.537+7.6831X10-3X(273.15+60)p1.172X10-6X(273.15+60)2=28.967KJ/(kmol・K)H2: Cp=26.88+4.347X10-3X(273.15+60)-0.3265X10-6X(273.15+60)2=28.292KJ/(kmol・K)CO2: Cp=26.75+42.258X10-3X(273.15+60)-14.25X10-6X(273.15+60)2=40.832KJ/(kmol・K)N2: Cp=27.32+6.226X10-3X(273.15+60)-0.9502X10-6X(273.15+60)2=29.289KJ/(kmol・K)O:2C=28.17+6.297X10-3X(273.15+60)-0.7494X10-6X(273.15+60)2=30.275KJ/(kPmol・K)平均比热容为C=ZYiXCpm pi上式中Yi——为各气体的体积分数Cpi——为各气体的比热容故半水煤气在60摄氏度的比热容Cpo=29.78KJ/(kmol・K)同理：半水煤气在45摄氏度的比热容 C45=29.30KJ/(kmol・K)半水煤气在41摄氏度的比热容 C41=29.30KJ/(kmol・K)脱硫液的比热容CP，J/(g°C)C=3.839+0.00352TP脱硫液的进口温度为41C，则进口时的比热容Cp1=3.839+0.00352X41=3.9833J/(g・C)=3.983KJ/(kg・C)脱硫液的出口温度约为41C,则出口时的比热容L2洗涤塔热量衡算洗涤塔热负荷Q1，KJ/hQ1=G0(CP0t1-C45t2)式中G0——入洗涤塔半水煤气量Q=537125.526/18.1X(29.78X60-29.30X40)=1.824X106KJ1冷却水消耗量W3,m3/h

W=Q/(C・△t)3 1H2O式中△t——冷却水温升，取△t=5°C,CH2o=4.2KJ/(Kg°C),p=1000Kg/m3W3=1.824X106/(4.2X1000X5)=868.78m3/h3硫泡沫槽热量衡算①硫泡沫槽热负荷，KJQ=VpC(t—t)2FFF3 4式中Vf 硫泡沫体积，m3,VF=G6=10.87m3pf 硫泡沫密度，kg/m3,pf=1100kg/m3Cf——硫泡沫比热容，KJ/(kg・C),Cf=3.68KJ/(kg・C)t3——槽中硫泡沫末温，C， t3=64.5Ct4——槽中硫泡沫初温，C， t4=41CQ=10.87X1100X3.68X(64.5—41)=10.3X10sKJ2②蒸汽消耗量W4，kg/hW4=Q2/r1式中r1——130C蒸汽的液化热，KJ/kg，r1=2177.6KJ/kgWQ/r=0.22X105/2177.6=10.53kg4=2 14熔硫釜热量衡算①熔硫釜热负荷Q3,KJ/釜Q=GCp(t—t)+0.98GpC+4入F(t—t)38SS56 8Sh 6 5 6式中G8——每一釜硫膏量，m3/釜，设全容积为150m3,熔硫釜装填系数为75%，则G=150X0.75=112.5m38Cs——硫膏比热容，KJ/(kg.°C)，Cs=1.8KJ/(kg・C)ps 硫膏密度，kg/m3，ps=1770kg/m3t5t5——加热终温，C，t6——入釜温度，C，t5=150Ct6=64.5C硫膏的熔融热，KJ/kg，厂49.8KJ/kg入——熔硫釜向周围空间的散热系数，KJ/(m2・h・°C)，入=12.56KJ/(m2・h・°C)F6 熔硫釜表面积，m2，F6=130m24——熔一釜所需时间，h0.98——硫膏中含硫膏98%GCp(t—t)表示硫膏升温吸收热量；0.98GpC表示硫膏熔融吸收热8SS5 6 8Sh量；4入F6(t5—16)表示向环境散热量。0=112.5X1.8X1770X(150 —364.5)+0.98X112.5X1770X49.8+4X12.56X130X(150—64.5)二40921851.6KJ/釜②蒸汽消耗量，W5,KJ/釜W5=Q3/r2式中r2——130°C蒸汽的液化热，KJ/kg, r2=2177.6KJ/kgW=40921851.6/2177.6=18792.18Kg/釜5表4.4热量衡算表：收入KJ/kg支出KJ/kg半水煤气带入的热量半水煤气带出的热量0.091X106洗涤塔GC60t46.48X106冷却水吸收的热量1.824X106(/h)0P1总和46.48X106总和1.915X106硫泡沫脱硫液带入的热量2.77X105脱硫液带出的热量2.99X105蒸汽冷凝放出的热量10.3X105槽(/h)总和13.07X105总和2.99X105硫膏带入的热量4.624X105硫膏带出的热量1.302X106熔硫釜蒸汽冷凝放出的热量8.502X105环境吸收的热量0.107X105/（釜）总和1.3126X106总和1.3126X1065. 设备计算及选型5.1脱硫塔的设计计算nW]脱硫吸收塔采用填料塔，填料为76X76X2.6聚丙烯鲍尔环，公称直径为

76cm，空隙率为£=0.92，比表面积为a=72.2m2/m3，米用乱堆的方式。5.1.1塔径计算利用泛点速度计算图求液泛速度首先根据液体质量流速(L，Kg/h)、气体质量流速(G，Kg/h)、气体密度(pg，Kg/m3)、液体密度(pl，Kg/m3)，用泛点速度计算图横座标的式子算出数据，以此数据查出“泛点速度计算图”的纵座标上的数据，再用纵座标上的式子，求解出泛点速度W(m/s)。1.00.8QE0.40.20,10,08□.OB0.04□.02□.5□.080.006D.0040,002Q.0D10.10*0.3Ck40.5Q.60.70.30.31.01112131.4t5, i/4z 1/B(L"费照3度计黑图图一图中mPa,SW0——液泛速度，m/s； L——液体质量流速，kg/h；图中mPa,SG——气体质量流速，kg/h；pl——液体密度，kg/m3p 气体密度，kg/m3； a 填料比表面积，m2/m3£——填料空隙率，%； p——液体粘度，mPa・S，p=0.837g 重力加速度，m/s2对于本系统:(L/G)1/4(p/pL)1/8=[(484.13X1044.03)/(0.869X61988.94)]1/4(0.871/1045.81)1/8=0.72123由图可读出对应纵坐标为0.0664即：W；/g(a/£3)(pg/pl)p0.2=0.0664所以,W0=[0.0664g(£3/a)(pL/p)/p0.2L/2=[0.0664X9.81X(0.923/72.2)X(1044.03/0.869)/0.8370.2]1/2=2.957m/s利用泛点速度W0,算出操作气速W「m/s取空塔气速为泛点速度的45%，则实际空速为u=0.45W°=.1.331m/s根据操作态的每小时气体处理量算出塔径D,mD=；'4V/us式中：D 吸收塔直径，m；Vs——气体的体积流量，m3/sD=[4X61988.94：3600：(3.14X1.331)]1/2=4.06m圆整后D取4.2m5.1.2填料高度计算吸收过程传质系数KG计算KG二AW1.3Na0.1B-0.01式中：KG 传质系数，Kg/(m2・h・atm)；A 经验数，取A=20；W——吸收塔操作气速，m/s； Na——溶液中N"。,含量，g/L；B——吸收过程液气比，L/m3。KG=20X1.3311.3X5.00.1X(484130/61988.94)-0.01=33.38Kg/(m2・h・atm)计算吸收过程平均推动力△PM,atm△PM=[(P-P*)—(P—P*)]/ln[(P—P*)/(P—P*)]1 1 2 2 1 1 2 2式中：P1 吸收塔入口气相H2S分压，atm；P2——吸收塔出口气相H2S分压，atm；P1=(40.92/34)/(53868.39/18.1)X1.25=5.055X10-4atmP=(0.086/34)/(53868.39/18.1)X1.25=1.062X10-6atm2P*,P*——吸收塔入、出口HS分压，atm，溶液中HS含量很低，1 2 2 2可以忽略，P]*=P2*=0。PM=(5.055X10-4-1.062X10-6)/ln[(5.055X10-4)/(1.062X10-6)]=8.182X10-5atm计算传质面积FP，m2FP=G1/(KGXAPM)式中：G1——H2S脱除量，Kg/h；KG 传质系数，Kg/(m2・h・atm);PM——吸收过程平均推动力，atm。FP=43.98/(33.38X8.182X10-5)=16103.097m2根据以上数据计算出填料高度HP=FP/(0.785D2Xa)式中 a——填料比表面面积HP=16103.097/(0.785X4.22X72.2)=16.1m取HP=17m填料分两段，上段8cm下段9cm.5.2喷射再生槽的计算5.2.1槽体计算再生槽直径计算再生槽直径计算可用下式计算：D1=(GA/0.75A.)1/2式中：A. 吹风强度，m3/(h・m2)，取A.=70m3/(h・m2)；D1——槽体直径，m；GA——空气量，m3/h。而空气量用下式计算：GA=LtXC.式中：C 喷射器抽吸系数，ms/m3；C=2.4ms/m3Lt——溶液循环量，ms/h。GA=484.13X2.4=1162ms/hD1=(1162/0.75X70)i/2=4.70m计算再生槽扩大部分直径D2,mD2=0.4+D1D=0.4+4.70=5.10m2计算再生槽高度HT,mHT=H1+H2+H3H1——再生槽有效高度，m；H2——喷射器出口到槽底距离，取H2=0.5m;H3——扩大部分高度，取H3=1.5m;再生槽有效高度H下式计算：1H1=(LtXt)/(0.785D；X60)式中：t 溶液在再生槽内停留时间，min，一般取t=13min；Lt——溶液循环量，m3/h；D1——槽体直径，m0.785 /4再生槽有效高度H1=(484.13X13)/(0.785X4.702X60)=6.05m再生槽高度HT=6.05+0.5+1.5=8.05m5.2.2喷射器计算喷嘴计算设喷嘴个数(n)确定：n=Lt/L.在式中：Li——每个喷射器溶液量，m3/h，取Li=40m3/h;Lt——溶液循环量，m3/h。n=484.13/40=12.1那么取n=13喷嘴的孔径(d「，mq=(Li/0.785X3600Xw「1/2在式中Wj 喷嘴处的溶液流速，m/s，取Wj=20m/s。q二(40/0.785X3600X20)i/2=0.027m溶液入口管直径dL，mdL=3d.dL=3X0.027=0.081m=81mm 取089X4热轧无缝的钢管；喷嘴入口的收缩段长度L5,mL5=(dL-d.)/2tan(a/2)式中ai——喷嘴入口的收缩角，通常取ai=14°L5=(0.081