缅甸天燃气蒸汽转化过程设计课程设计论文

《缅甸天燃气蒸汽转化过程设计课程设计论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《缅甸天燃气蒸汽转化过程设计课程设计论文（39页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 课 程 设 计设计题目 缅甸天燃气蒸汽转化过程设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 2013年12月9日2013年12月27日目 录中文摘要1英文摘要21前言3 1.1 天然气制氨的重要性3 1.2 以天然气为原料的生产方法3 1.3 设计概述42工艺原理5 2.1 甲烷，水蒸气转化反应和化学平衡5 2.2 转化催化剂和反应动力学63工艺流程和主要设备9 3.1 工艺流程9 3.2 主要设备104基本设计参数115物料衡算12 5.1 一段转化炉的物料衡算12 5.1.1 计算依据12 5.1.2 计算过程12 5.1.3 一段转化炉物料平衡表13 5.2 二段转化炉的物料衡算13 5

2、.2.1 计算依据13 5.2.2 计算过程13 5.2.3 二段转化炉物料平衡表156一段转化炉热量衡算17 6.1 已知数据17 6.2 计算过程17 6.2.1 计算需要供给的热量17 6.2.2 计算供热用燃料天然气量、空气用量及产生的烟道气总量187设备设计与选型22 7.1 钴钼加氢脱硫器的设计22 7.2 氧化锌脱硫槽设计24 7.3 设备选型268管道计算27 8.1 管径的确定27 8.2 管道管径及流量表309环境与安全分析31 9.1 防爆和防火31 9.1.1 电气火灾和爆炸原因319.1.2 危险物质319.1.3 危险环境31 9.2 防毒32 9.3 火灾报警系统

3、32 9.4 控制污染的治理措施33结论34致谢35参考文献36缅甸天然气蒸汽转化过程设计摘 要：本设计以缅甸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

4、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Design of Steam Reforming Process of Natural Gas Produced from BurmaAbstract: This design with Luzhou Sichuan natural gas as raw materials by steam conversion legal syngas, for daily output thousand Tons of ammonia gas supply raw. The design document

5、s 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 e

6、nvironmental 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

7、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, envi

8、ronmental and safety analysis of the whole production process evaluation.Keywords: Syngas Natural gas Mass balance Heat balance Preliminary design 1前 言1.1 天然气制氨的重要性 天然气（Natural Gas）是埋藏在地下的古生物经过亿万年的高温和高压等作用而形成的可燃气，是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。是一种多组分的混合气态化石燃料，其主要成分为甲烷。它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。 党的十八届三中全会

9、决定全面深化改革，其重点是经济体制的改革，核心问题是处理好政府和市场的关系，使市场在资源配置中起决定性作用。合成气系指一氧化碳和氢气的混合气，英文缩写Syngas。合成气中H与CO的比值随原料和生产方法的不同而异，合成气是有机合成原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源，在化学工业中有着重要作用。制造合成气的原料是多种多样的，许多含碳资源如煤、天然气、石油馏分、农林废料、城市垃圾等均可用来制合成气。以天然气为原料制合成气的成本最低；重质油与煤炭制造合成气的成本相仿，但重油和渣油制合成气可以使石油资源得到充分的利用。1.2 以天然气为原料的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

10、转化法（steam reforming），该方法制得的合成气中H/CO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（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部分氧化法。蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烃类与水蒸气反应，生成H2、CO等混合气，其主反应为该反应是强吸热的，需要外界供热。此法技术成熟，目前广泛应用于生产合成气、纯氢气和合成氨原料气。部分氧化法是由甲烷等烃类与氧气进行不完全氧化生成合成气该过程可自热进行，无需外界供热，热效率较高。本设计采用此种方法。本设计以缅甸天然气为原料，采用水蒸汽

11、转化法生产合成氨原料气。1.3 设计概述本课程设计内容为日产千吨合成氨厂制气装置，以缅甸天然气为原料，采用水蒸气转化法生产合成氨的原料气，由于课程设计的时间所限，设计内容和深度主要属于工艺专业初步设计的范畴。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，物料衡算与能量衡算，设备设计与选型，列出设备一览表，管道管径及流速计算等，并考虑到环境评价及安全生产措施等。(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工艺原理因为天然气中甲烷含量在95%以上，而甲烷在烷烃中是热力学最稳定的，其他烃类较易反应，因此在讨论天然气转化过程时，只需考虑甲烷与水蒸气的反应

12、。2.1 甲烷，水蒸气转化反应和化学平衡正常生产工况下，甲烷水蒸气转化过程的主要反应有 CH4+H2OCO+3H2 （2-1） CO+H2OCO2+H2 （2-2）以上二反应均是可逆反应，其中甲烷水蒸气转化反应式（2-1）是强烈吸热反应，在压力不太稳定时，其平衡常数K仅是温度的函数，可由下式计算 （2-3）式中，T，K为平衡常数，T单位为K，K单位为（atm）。CO变换反应式（2-2）为放热反应，其平衡常数与温度的关系为： （2-4）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。若反应前体系中组分CH、CO、CO、HO、H、N的物质的量分别为n（CH）、n（CO）、n（CO）、n（HO）

13、、n（H）、n（N），设平衡时CH反应式（2-1）的转化量为nmol，CO反应式（2-2）的转化量为nmol，总压（绝对压力）为p。根据物料衡算可计算出反应平衡时各组分的分压，代入式（2-1）和式（2-2）的平衡常数式，整理后可以得到： （2-5) (2-6)根据反应温度由（2-3）和（2-4）求出K和K，再将总压和气体的初始组成代入（2-5）和（2-6）两式迭代解出，即可求出平衡组成。2.2 转化催化剂和反应动力学转化催化剂：甲烷水蒸气转化，在无催化剂时的反应速率很慢，在1000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

14、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 研究表明，一些贵金属和镍均具有对甲烷蒸汽转化的催化活性，其中镍最便宜，又具有足够高的活性，所以工业上一直采用镍催化剂，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。甲烷与水分子的反应是在固体催化剂活性表面上进行的，所以催化剂应该具有较大的镍表面积。提高镍表面的最有效的方法是采用大比表面积的载体，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镍晶粒不易烧结。载体还应具有足够机械强度，使催化剂使用中不易破碎。为了抑制烃类

15、在催化剂表面酸性中心上裂解析碳，往往在载体中添加碱性物质中和表面酸性。一般固体催化剂是多孔物质，催化剂颗粒内部毛细孔的表面称之为内表面，其上分布有活性组分，反应物分子扩散到孔内表面上进行反应，如果孔径大而短，在孔的深处反应物的浓度较高，反应速率大，产物向外扩散阻力也小，若孔细又长，结果相反，这些孔的深处可能没有反应物分子，其内表面就没有被利用。因为催化剂内表面积比外表面积大得多，所以内表面积对反应速率起着非常重要的作用。为了提高内表面利用率，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，装入反应器后应先进行严格的还原操作，是氧化镍还原成金属镍

16、才有活性。还原气可以是氢气、甲烷或一氧化碳。纯氢还原可得到很高的镍表面积，但镍表面积不稳定，在反应时遇水蒸气会减少，故工业上是通入水蒸气并升温到500以上，然后添加一定量的天然气和少量氢气进行还原。水蒸气存在虽使镍表面有所下降，但它可将催化剂中的微量硫化物转化成硫化氢气体而脱除，也可将催化剂中石墨气化而除去，还可以使反应器内温度均匀，不会产生热点而损坏催化剂。转化催化剂在使用中出现活性下降的现象的原因主要有老化、中毒、积碳等。催化剂在长期使用过程中，由于经受高温和气流作用，镍晶粒逐渐长大、聚集甚至烧结，致使表面积降低，或某些促进剂流失，导致活性下降，此现象成为老化。许多物质，例如硫、砷、氯、溴

17、、铅、钒、铜等的化合物，都是转化催化剂的毒物。最重要、最常见的毒物是硫化物，极少量的硫化物就会使催化剂中毒，使活性明显降低，时间不长就完全失活。甲烷水蒸气转化过程伴随有析碳副反应，同时也有水蒸气消碳反应。析出的碳是否能在催化剂上积累，要看析碳速率与消碳速率之比，但析碳速率小于消碳速率时，则不会积碳。这与温度、压力、组分浓度等条件有密切关系。生产中，催化剂活性显著下降可由三个现象来判断：其一是反应器出口气中甲烷含量升高；其二是出口平衡温距增大。平衡温距为出口实际温度与出口气体组成对应的平衡温度之差。催化剂活性下降时，出口甲烷含量升高，一氧化碳和氢含量降低，此组成对应的平衡常数减小，故平衡温度降低

18、，平衡温距增大。催化剂活性越低，平衡温距则越大；其三是出现“红管”现象。因为反应是吸热的，活性降低则吸热减少，而管外供热未变，多余热量将管壁烧得通红。此时管材强度下降，如不及时停工更换催化剂，将会造成重大事故。 甲烷水蒸气转化的反应机理很复杂，从20世纪30年代开始研究至今，仍未取得一致认识。不同研究者采用各自的催化剂和实验条件，提出了各自的反应机理和动力学方程，以下举例3种。 (2-7) (2-8) (2-9)式中 r反应速率； k反应速率常数； K转化反应的平衡常数；p(CH)、p(HO)、p(H)和p(CO)CH、HO、H和CO的瞬时分压。由以上方程可知，对于一定的催化剂而言，影响反应速

19、率的主要因素有温度、压力和组成。（1） 温度的影响 温度升高，反应速率常数增大，由（2-7）和（2-8）看，反应速率亦增大；在式（2-9）中还有一项K也与温度有关，因甲烷蒸汽转化是要吸热的，平衡常数随温度的升高而增大，结果反应速率也是增大的。（2） 压力的影响 总压增高，会使各组分的分压也增高，对反应初期的速率提高很有利。此外，加压尚可使反应体积减小。（3） 组分的影响 原料的组成由水碳比决定，HO/CH过高时，虽然水蒸气分压高，但甲烷分压过低，反应速率不一定高；反之，HO/CH过低时，反应速率也不会高。所以水碳比要适当。在反应初期，反应物CH和HO的浓度高，反应速率高。到反应后期，反应物浓度

20、下降，产物浓度增高，反应速率降低，需要提高温度来补偿。转化反应是气固相催化过程，包括内、外扩散和催化剂表面上吸附、反应、产物脱附和扩散等多个步骤，每个步骤对整个过程的总速率都有影响，最慢的一步控制了总速率。3工艺流程和主要设备3.1 工艺流程图3.1 工艺流程示意图生产工艺流程示意图见图3.1，据此进行物料衡算和热量衡算。图3.1流程简述如下：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（体积分数）以下。脱硫后天然气与中压蒸汽混合，

21、再送到对流段加热至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），（H2+CO）/ N2=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

22、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。3.2 主要设备 （1）一段转化炉：一段转化炉采用顶烧方箱炉，由辐射段和对流段组成，外壁用钢板制成，炉内壁衬耐火层。转化管竖直排列

23、在辐射段炉膛内，总共有300400根内径约70120mm、总长1012m的转化管，每根管内装催化剂。多管型式能提供大的比传热面积，而且，管径小者更有利于横截面上温度均匀，提高反应效率。反应炉管的排布要着眼于辐射传热的均匀性，故应有合适的管径、管心距和排间距，此外，还应形成工艺期望的温度分布，要求烧嘴有合理的布置及热负荷的恰当控制。反应炉管的入口处温度500至520，出口处800至820。对流段有回收热量的换热管，采用中国西南化工研究院生产的Z-111型一段转化炉用催化剂。（2）二段转化炉：二段转化炉不需要外部供热，在炉内，氧气与部分甲烷燃烧放热，使转化反应自热进行。故采用内径约3m，高约13m

24、的圆筒形转化炉，壳体为碳钢制成，内衬不含硅的耐火材料，炉壳外保温，与环境无热交换，所以，二段炉是一个上部有均相燃烧空间的固定床绝热式催化反应器，高温气体自上而下流过带孔的耐火砖层、耐高温的铬催化剂层、镍催化剂层，最后由炉下部引出二段转化气。采用中国西南化工研究院生产的Z-206型二段转化炉用催化剂。（3）钴钼加氢脱硫器：为圆筒形设备，内装两层催化剂。采用中国T-201型加氢催化剂。（4）氧化锌脱硫槽：为立式圆筒形设备，其结构与加氢脱硫器相似，采用T-303型催化剂。脱硫剂的用量可按一年考虑，设计为两槽串联，使用半年后，第一槽（前槽）更换为新脱硫剂，而将第二槽（后槽）作前槽使用。这样总是让新脱硫

25、剂在串联的后槽起把关作用。 4基本设计参数(1) 生产能力：每小时转化1200kmol天然气。(2) 经脱硫后的天然气组成（体积分数）为：CH4 99.07%，CO2 0.50%，CO 0.12%， H2 0.02%，N2 0.29% ,合计 100.00%。(3) 原料混合气配比为：。(4) 一段转化炉进口混合气温度为370，出口转化气温度为805，出口处转化反应平衡温距为10，变换反应达平衡，转化过程为恒压，压强为3.0MPa(5) 二段转化炉，出口甲烷含量为0.3%（干基），出口温度为1000，加氮空气控制量，二段炉转化气。加氮空气组成为：78% N 、 21% O 、 1% Ar。5物

26、料衡算5.1 一段转化炉的物料衡算5.1.1 计算依据 以1200kmol的原料天然气为基准，则反应前各组分的量为n（CH）=12000.9907=1188.84kmoln（CO2）=12000.0050=6.00kmoln（CO）=12000.0012=1.44kmoln（H）=12000.0002=0.24kmoln（N）=12000.0029=3.48kmoln（HO）=3.31200=3960kmol 出口温805，平衡温距10，故平衡温度795。总压P=3.0 MPa=29.61atm。5.1.2 计算过程 将T=795=795+273=1068K，代入式（2-3），解得K= 158

27、.114(atm)；将T=805=805+273=1078K，代入式（2-4），解得K=1.0559。根据反应温度由（2-5）和（2-6）求出K和K，再将总压和气体的初始组成代入，得：初选值n=800 n=403，迭代结果为：n=801.11kmol n=405.25kmol，即一段转化气中：n（CH4）= 1188.84n=387.73kmoln（CO）= 1.44nn =397.3kmoln（CO2）= 6n =411.25kmoln（H2）= 0.243nn =2808.62kmoln（N2）=3.48kmoln（H2O）= 3960nn =2753.64kmol5.1.3 一段转化炉物

28、料平衡表组分输入输出进气量湿基组成（摩尔分数）出气量组成（摩尔分数）kmolkgkmolkg湿基干基CH41188.8419021.4423.0376%387.736203.685.7337%10.0559%CO1.4440.320.0279%397.311124.45.8752%9.6978%CO262640.1163%411.25180956.0815%10.3544%H20.240.480.0047%2808.625617.6441.5340%69.8043%N23.4897.440.0674%3.4897.440.0514%0.0876%Ar0000000H2O39607128076.

29、7442%2753.6449565.5240.7209%/合计516090703.68100%6762.2290703.68100%100%表5.1 一段转化炉的物料平衡表（每小时）相对误差：，误差很小，结果可靠。5.2 二段转化炉的物料衡算5.2.1 计算依据出口含量为0.3%（干基），出口温度为1000，二段转化气中,加氮空气组成为78% N2、21% O2、1% Ar，变换反应达到平衡。5.2.2 计算过程利用原子衡算法：二段转化一段转化气加氮空气二段转化气1000设加氮空气量为W kmol/h，二段干转化气为V kmol/h，其中H、CO、CO物质的量分别为a、b、c kmol/h，则

30、为0.003V kmol/h。由总物料平衡得：abc0.003V0.78W0.01W3.48V 整理得：abc0.79W3.48= 0.997V (1)由反应器进出口物料碳原子守恒得：= bc0.003V 整理得：bc0.003V=1196.28 (2)设参加反应的水蒸气量为d kmol/h，则反应后剩余水蒸气为(2774.17-d)kmol/h由氢原子守恒得：*4*2*2=2a4*0.003V2*(2774.17-d) 整理得：a0.006V-d = 3563.75 (3)由氧原子守恒得：*22*0.21W=b2c(- d) 整理得：b2c-d-0.42W=1199.27 (4)由出口转化气

31、中： 即： 整理得：ab2.34W=10.44 (5) 变换反应达到平衡,将T=1273K代入式（2-4），算出K=0.600，则： (6)联立求解以上六方程，求解a,b,c,d,V,W这6个未知数，d可能为负数，得：a=3226.101853kmol/hb=749.98 kmol/hc=429.005931 kmol/hd=-323.590009 kmol/hW=1694.718741 kmol/hV=5764.589658 kmol/h即加氮空气中：的量0.78W=1321.1881 kmol/h的量0.21W=355.8909 kmol/h的量0.01W=16.9472 kmol/h二段

32、转化气中：的量0.003V=17.29406897kmol/h的量2753.64-d=3077.230009 kmol/h5.2.3 二段转化炉物料平衡表组分输入输出进气量kmolkg出气量组成（摩尔分数）一段转化气空气kmolkg湿基干基CH4387.73/6203.6817.29406897276.70510360.0019559180.003CO397.3/11124.4749.9820999.440.0848209470.130098938CO2411.25/18059429.00593118876.260970.0485195460.074419606H22808.82/5617.6

33、43226.1018536452.2037060.3648644160.559631488N23.481321.88061837110.09731321.1881 37110.09730.1498951210.229910142Ar016.94718741677.887496216.9472 677.88749620.0019166860.002939826O20355.890935511388.509940000H2O2753.64/49565.523077.230009 55390.140160.348027366/合计6762.221694.718741139782.73478841.9

34、19667139782.7347100%100%表5.2二段炉物料平衡表（每小时）相对误差：，误差很小，结果可靠。6一段转化炉热量衡算6.1 已知数据反应器进出、口各物料量见表5.1；基准温度取298K。反应器入口温度为370(643K)，出口温度为805(1078K)，各组分在对应温度下的平均摩尔热容值以及各组分在298K的生成热可从文献中查出。组分643K1083K1089K1078KCH4-7490045.256.8656.7756.935CO-11060029.831.1831.1931.208CO2-39370043.448.3648.3948.445H2029.229.5629.5

35、729.588N2029.630.8030.9131.112Ar029.630.8030.9131.112H2O-24200035.137.5837.5937.6086.2 计算过程6.2.1 计算需要供给的热量一段转化气298K原料混合气298K（25）原料混合气370一段转化气798本稳态流动反应体系的热量衡算按下式进行。即： （6-1）下面用表6.2和6.3来分别计算输入端和输出端的总焓。输入组分/kmol/kJ/K/kJCH41188.84-8904411634518473146.99CO1.44-15926434514799.672CO26-236220034589693.1H20.

36、2403452416.932N23.48034535537.76Ar003450H2O3960-95832000034547748690合计5160-104988558066364284.46H入 = -1049885580+66364284.46=-983521295.5kJ表6.2 一段转化炉输入端的焓（每小时）输出组分/kmol/kJ/K/kJCH4387.73-2904097778017218817.89CO397.3-439413807809671171.952CO2411.25-16190912578015539944.88H22808.82078064823745.6N23.48

37、078081736.0128Ar007800H2O2753.64-66638088078080775936.63合计6762.22-901272362188111353H入 = -901272362 + 188111353 = -713161009kJ表6.3 一段转化炉输出端的焓（每小时）Q为正值，说明需要向反应器供给热量，每输入1200kmol原料天然气需要供热2.7036108kJ。6.2.2 计算供热用燃料天然气量、空气用量及产生的烟道气总量供热方式为在反应管内燃烧天然气，燃料天然气的组成与原料天然气相同。燃烧反应有：已知：燃料加入的空气过量10%，空气的组成为（体积分数）。燃料天然气

38、和空气的温度为30，压力0.1MPa，燃烧产生的烟道温度为910。选取1kmol的燃料天然气为衡算基准，假设天然气能完全燃烧。由以上化学方程式可知，需要干空气（过量）：1.1（0.990720.00020.50.00120.5）/0.2110.3824 kmol查出水在0.1MPa和30时的饱和蒸汽压为0.004186MPa，则湿空气的量为：10.38240.1/(0.1-0.70.004186)10.6958 kmol由此可求出：空气中带入的H2O量10.695810.38240.3134 kmol燃烧生成的H2O量0.990720.00021.9816 kmol烟道气中的H2O总量0.31

39、341.98162.2950 kmol烟道气中的N2量10.38240.780.00298.1012 kmol烟道气中的Ar量10.38240.010.103824 kmol烟道气中的O2量10.38240.21(0.99072+0.00020.5+0.00120.5)0.1982 kmol烟道气中的CO2量0.99070.00120.00500.9969kmol烟道气总量2.29508.10120.1038240.19820.996911.695124 kmol干烟道气量11.6951241.98169.713524 kmol下面计算燃烧1Kmol燃料天然气可产生的热量，并将结果汇总于下表中

40、。输入组分n/kmolnHF(298K)/kJcp(303K)/kJ.kmol-1K-1T/Kncp(303K) T/kJ天然气中空气中CH40.99070-74203.4335.85177.3353CO0.00120-132.7228.750.1722CO20.00500-1968.537.350.9325H20.00020028.950.0289N20.00298.098272029.151178.720526O202.180304029.45320.504688Ar00.103824029.1515.106392H2O00.3134-75842.833.6552.6512合计110.69

41、58-152147.451745.451706-152147.451745.451706-150401.9983kJ表6.4 输入反应器管间的燃料天然气和空气带入的焓（每1kmol燃料天然气）输入组分n/kmolnHF(298K)/kJcp(1183K)/kJkmol-1K-1T/Kncp(1183K)T/kJCO20.9969-384093.7249.288543407.0198N28.1012031.1885222973.3782O20.1982032.98855770.8903Ar0.103824031.18852857.599864H2O2.2950-531044.838.188577

42、383.9575合计11.695124-915138.52352392.8457-915138.52352392.8457-562745.6743kJ表6.5 高温烟道气离开反应管区时带出的焓（每1kmol燃料天然气）所以，每1kmol的天然气燃烧后可供热量为：-562745.6743(150401.9983)-412343.676 kJ假设炉壁热损失为可供热量的5%，则实际可供热量为：412343.676（10.05）391726.49223.9173105 kJ由前面计算得知每1200kmol原料天然气与水蒸气反应需要热量为2.7036108 kJ。故每转化1200kmol天然气需在反应管

43、外燃烧的天然气量为：（2.7036108）/（3.9173105）=690.169需要湿空气量：10.2266690.169=7058.0848 kmol/h烟道气量：11.22545690.169=7747.4576 kmol/h7设备设计与选型7.1 钴钼加氢脱硫器的设计(1) 催化剂装填量按空速计算,公式为: （7-1）式中 催化剂容积，标准状态下原料气体积流量，加氢催化剂的使用空速， 采用T201型加氢催化剂，用于天然气脱硫时，空速取3110故由式（7-1）可得：(2) 加氢反应器内径按气体线速度计算，公式为： （7-2）式中 反应器内径，操作状态下原料气流量，设计线速度，取0.170

44、由文献操作数据得：对内径圆整取为2.00。(3) 催化剂层高由，解得 催化剂分两层装填，在催化剂下层的下边和上层的上边还各铺一层氧化铝球作为过滤及均匀分布气流使用。(4) 设备壁厚计算 筒体壁厚计算所计算的壁厚因为名义厚度，即为将设计厚度向上圆整至钢材标准的厚度，钢板的常用厚度见表7-1。2、3、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、30、32、34、36、38、40、42、46、50、5560、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120 表7.1 钢板的常用厚度 所计算的筒体壁厚为名义壁厚，即为将设计壁厚向上圆整至钢材标准规格

45、的厚度。考虑到筒体在工艺操作过程中各种介质的腐蚀等影响，以及该设备需要装有安全阀，所以设计公式8可以写成：式中， 设计厚度，； 计算压力，； 圆筒内径，； 设计温度下圆筒材料的许用压力，取为72； 圆筒的纵焊缝系数，取为0.85； 腐蚀余量，取为1。故可得设计厚度：名义厚度为： 式中，为名义厚度，； 厚度附加量，取为1.8； 厚度圆整值，；故可得名义厚度： 故由表7.1可知，取厚度圆整值为1.29，所以取用20R的钢板。 封头壁厚计算本设计采用的封头是标准椭圆形封头。 从上式可知，标准椭圆形封头的厚度与筒体基本相同，若因值有所不同，则相差也不会很大，为了焊接方便，常取两者等厚。7.2 氧化锌脱

46、硫槽设计(1) 脱硫剂装填量按脱硫剂硫容量计算，公式为 （7-3）式中 脱硫剂装填量，标准状态下原料气体积流量，标准状态下原料气的平均含硫量，取为50标准状态下净化气的含硫量，取为0.1脱硫剂使用时间，取为180天，即18024=4320氧化锌脱硫剂的工作硫容，质量%，取为20% 氧化锌脱硫剂的堆积密度，取为1400 故 (2) 脱硫槽内径取设计线速度0.115，由式(7-2)得： 取为2.5。(3) 脱硫剂层高氧化锌脱硫槽结构与加氢脱硫器相似。即为分两层装填，在脱硫剂下层的下边和上层的上边还各铺一层氧化铝球作为过滤及均匀分布气流使用。(4) 设备壁厚计算筒体壁厚的计算式中， 设计厚度，； 计

47、算压力，； 圆筒内径，； 设计温度下圆筒材料的许用压力，取为72； 圆筒的纵焊缝系数，取为0.85； 腐蚀余量，取为1。故可得：名义厚度为： 式中，为名义厚度，； 厚度附加量，取为1.8； 厚度圆整值，；故可得名义厚度： 故由表7.1可知，取厚度圆整值为1.4，所以取用20R的钢板。封头厚度计算本设计采用的封头是标准椭圆形封头。 从上式可知，标准椭圆形封头的厚度与筒体基本相同，若因值有所不同，则相差也不会很大，为了焊接方便，常取两者等厚。7.3 设备选型本设计为日产千吨大型氨厂的制气装置。最主要的设备一段转化炉的反应过程很复杂，它包括化学反应动力学和传热过程两大部分，而且炉膛的辐射传热更是复杂

48、。由于课程设计时间有限，参照文献，初定了一段转化炉，二段转化炉等设备的规格和型号，并列出设备一览表(表7.1)序号设备位号设备名称规格或型号（mm）数量备注1R9801加氢反应器12V9801氧化锌脱硫槽23R9802一段转化炉辐射段：顶烧方箱炉，378根转化管，自吸式烧嘴。对流段有六个预热器。14R9803二段转化炉水夹套4000筒体 310015E9801第一废热锅炉1350H=1323016E9802第二废热锅炉1350H=734517V9802汽包1990L=1510018E9803辅助锅炉热负荷19C9801引风机由烟道气流量选型号1引风机进口负压20010C9802原料天然气压缩机

49、低压缸9CZ6高压缸9BZ6111C9803工艺空气压缩机低压缸5CK-57高压缸7CK-311表7.1 主要设备一览表8管道计算8.1 管径的确定 由流体的常用流速范围，初步选定管内流体流速，按下式计算管子的内径，并修正到符合公称直径要求。式中：流体在操作条件下的体积流量，； 流体的流速，； 管子内径，。(1) 预热后原料天然气管道： 操作条件为：温度399，压强3.5，流量1200由，得操作状态下的体积流量： 初选流速=12,则选中的无缝钢管，实际的流速：(2) 工艺蒸汽管道： 操作条件为：温度316，压强3.62，流量3960。由，得操作状态下的体积流量： 初选流速=17,则选中的无缝钢

50、管，d=350mm，实际的流速：(3) 混合气管道： 操作条件为：温度370，压强3.40，流量5160。由，得操作状态下的体积流量： 初选流速=14,则选中的无缝钢管，=500，实际的流速：(4) 一段转化气管道： 操作条件为：温度805，压强3.0，流量6762.22。由，得操作状态下的体积流量： 初选流速=16,则选中的无缝钢管，=700mm，实际的流速：(5) 二段转化气管道： 操作条件为：温度1000，压强2.9，流量8841.64。由，得操作状态下的体积流量： 初选流速=18,则 选中的无缝钢管，=800，实际的流速：(6) 燃料天然气管道： 操作条件为：温度30，压强0.1013

51、，流量690.169。由，得操作状态下的体积流量： 初选流速=18,则选中的无缝钢管，=600，实际的流速：(7) 加氮空气管道： 操作条件为：温度454，压强3.0，流量1694.7187。由，得操作状态下的体积流量： 初选流速=14,则选中的无缝钢管，=300，实际的流速：8.2 管道管径及流量表序号管道组合号管道名称介质压强/MPa温度/物料流量/kmol/h操作状态流量/m/h管径/mm流速/m/s1PG29801-250PIB-H预热后燃料天然气天然气3.53991200191510.082PG9802-350PIB-H工艺蒸汽水蒸气3.623163960535715.53PG980

52、3-500PIB-H混合气天然气和水蒸气3.43705160811311.54PG9804-700PIB-H一段转化气合成气3.08056762.222020215.05PG9805-800PIB-H二段转化气合成气2.910008841.643226817.66NG9801-600PIB燃料天然气天然气0.101330690.1691721416.927PA9801-350PIB-H二段进口工艺空气空气3.04541694.7187341413.4表8.1主要管道管径及流速表9 环境与安全分析 天然气蒸汽转化是在加压、高温下操作，产品煤气（转化气）是易燃易爆的有毒气体，因转化气中含大量的CO

53、，一旦泄露被人呼吸可立即中毒身亡，故安全设计方面非常重要，应有完善的安全控制系统。9.1 防爆和防火 电气设备的火灾和爆炸事故往往是重大的人身伤亡和设备损坏事故，化工企业要重点防范。9.1.1 电气火灾和爆炸原因（1）危险温度 危险温度是因电气设备过热所引起，而电气设备过热主要由电流产生的热量所造成。电气设备运行时总会发出热量。只有当电气设备的正常运行条件遭到破坏时，其发热量增加，湿度升高，从而会引起火灾。（2）电火花和电弧电火花是电板间击穿放电，电弧是由大量密集的电火花汇集而成。在有爆炸危险的场所，电火花和电弧是一个十分危险的因素。9.1.2 危险物质 在大气条件下，气体、蒸气、薄雾、粉尘或

54、纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧能在整个范围内传播的混合物称为爆炸性混合物。能形成上述爆炸性混合物的物质称为爆炸危险物质。凡有爆炸性混合物出现或可能有爆炸性混合物出现，且出现的量足以要求对电气设备和电气线路的结构、安装、运行采取防爆措施的环境称为爆炸危险环境。爆炸危险物质分为以下三类：I 类：矿井甲烷；类：爆炸性气体、蒸气、薄雾；类：爆炸性粉尘、纤维。9.1.3 危险环境 气体、蒸气爆炸危险环境 （1）0区是指正常运行时连续出现或长时间出现或短时间频繁出现的爆炸性气体、蒸气或薄雾的区域。除了装有危险物质的封闭空间（如密闭的容器、贮油罐等内部气体空间）外，很少存在0区。 （2）1区是指正常运行时可能出现（预计周期性出现或偶然出现）的爆炸性气体、蒸气或薄雾的区域。 （3）2区是指正常运