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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。为了抑制烃类在催化剂表面酸性中心上裂解析碳，
