年产30万吨合成氨工艺设计样本.doc

《化工原理》课程设计

题 目 名 称： 年产30万吨合成氨
转变工序设计
系 别： 化工和制药学院
专 业： 制 药 工 程
班 级： 03制药工程（1）
学 生： 蒋 晟
学 号： 063107
指导老师（职称）： （教授）

摘要
氨是关键基础化工产品之一，在国民经济中占相关键地位。合成氨生产经过多年发展，现已发展成为一个成熟化工生产工艺。
本设计是以天然气为原料年产三十万吨合成氨转变工序设计。多年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展主流，技术改善关键方向是开发性能愈加好催化剂、降低氨合成压力、开发新原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。
设计采取工艺步骤介绍：天然气经过脱硫压缩进入一段转化炉，把CH4和烃类转化成H2，再经过二段炉深入转化后换热进入高变炉，在催化剂作用下大部分CO和水蒸气反应获H2和CO2，再经过低变炉使CO降到合格水平，去甲烷化工序。
本设计综述部分关键叙述了中国外合成氨工业现实状况及发展趋势和工艺步骤、参数确实定和选择，叙述了建厂选址；介绍了氨变换工序多种步骤并确定本设计高-低变串联步骤。工艺计算部分关键包含转化段和变换段物料衡算、热量衡算、平衡温距及空速计算。设备计算部分关键是高变炉催化剂用量具体计算，并依据设计任务做了转化和变换工序带控制点工艺步骤图。
本设计优点在于选择较为良好厂址和原料路线，确定良好工艺条件、合理催化剂和能源综合利用。另外，就是尽可能降低设备投资费用。

关键字：合成氨；天然气；转化；变换；

Abstract
Ammonia is the most important one of basic chemical products, plays an important role in the national economy. Ammonia production after years of development, now has developed into a mature chemical production processes.
The design is based on annual output of 300,000 tons of natural gas as raw material, the design of synthetic ammonia transformation process. In recent years, the large-scale industrial development soon ammonia, low energy consumption, the clean production of synthetic ammonia equipment development are the main direction of technical improvement, is to develop better performance of catalyst, reducing ammonia synthesis pressure, the development of new materials gas purification methods, reduce fuel consumption, low heat recovery and reasonable utilization, etc.
The design process used in brief are: compressed natural gas after desulfurization and conversion into a furnace, the methane and hydrocarbons into hydrogen, through the Secondary reformer further transformed into the highly variable furnace heat exchanger, the great catalyst part of the reaction of carbon monoxide and hydrogen and carbon dioxide vapor, then through the low-temperature shift to reduce to an acceptable level of carbon monoxide to methanation process.
The design review described some of the major domestic and international situation and the development of synthetic ammonia industry trends and technological process, parameter identification and selection, discusses the plant's location; introduced the transformation process of the various processes and determine the design of high temperature shift and low temperature Transformation series of the process. Calculation of some of the major transformation process, including segment and transform section material balance, heat balance, equilibrium temperature and airspeed calculation. Calculation of some of the major equipment is a high temperature shift catalyst of specific terms, and according to the design task to do the conversion and transformation process flow chart with control points.
Advantage of this design is to choose a better site and raw materials line to determine the good conditions, reasonable catalyst and energy utilization. In addition, investment in equipment designed to minimize costs.
Keywords: ammonia; natural gas; transformation; transformation；
目录
摘要 I
Abstract II
目录 IV
1 综述 - 1 -
1.1 氨性质、用途及关键性 - 1 -
1.1.1 氨性质 - 1 -
1.1.2 氨用途及在国民生产中作用 - 1 -
1.2 合成氨生产技术发展 - 2 -
1.2.1世界合成氨技术发展 - 2 -
1.2.2中国合成氨工业发展概况 - 4 -
1.3合成氨转变工序工艺原理 - 6 -
1.3.1 合成氨经典工艺步骤介绍 - 6 -
1.3.2 合成氨转化工序工艺原理 - 8 -
1.3.3合成氨变换工序工艺原理 - 8 -
1.4 设计方案确实定 - 9 -
1.4.1 原料选择 - 9 -
1.4.2 工艺步骤选择 - 9 -
1.4.3 工艺参数确实定 - 10 -
1.4.4 工厂选址 - 11 -
2 设计工艺计算 - 13 -
2.1 转化段物料衡算 - 13 -
2.1.1 一段转化炉物料衡算 - 14 -
2.1.2 二段转化炉物料衡算 - 17 -
2.2 转化段热量衡算 - 20 -
2.2.1 一段炉辐射段热量衡算 - 20 -
2.2.2 二段炉热量衡算 - 27 -
2.2.3 换热器101-C、102-C热量衡算 - 28 -
2.3 变换段衡算 - 30 -
2.3.1 高温变换炉衡算 - 30 -
2.3.2 低温变换炉衡算 - 32 -
2.4 换热器103-C及换热器104-C热负荷计算 - 35 -
2.4.1 换热器103-C热负荷 - 35 -
2.4.2 换热器104-C热负荷 - 35 -
2.5 设备工艺计算 - 36 -
参考文件 - 40 -
致谢 - 41 -
附录 - 42 -

1 综述
1.1 氨性质、用途及关键性
1.1.1 氨性质
氨分子式为NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，含有特殊刺激性臭味。大家在大于100cm3/m3氨环境中，天天接触8小时会引发慢性中毒。
氨关键物理性质有：极易溶于水，溶解时放出大量热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨和干燥氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。
氨化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光作用下可分解为氮和氢。含有可燃性，自然点为630℃，通常较难点燃。氨和空气或氧混合物在一定范围内能够发生爆炸。氨性质比较活泼，能和多种无机酸反应生成盐。
1.1.2 氨用途及在国民生产中作用
氨是关键无机化工产品之一，在国民经济中占相关键地位。合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成氨。世界上氨除少许从焦炉气中回收外，绝大部分是合成氨。氨关键用于农业，合成氨是我化肥工业基础，氨本身是最关键氮素肥料，其它氮素肥料也大全部是先合成氨，再加工成尿素或多种铵盐肥料，这部分均占70%百分比，称之为“化肥氨”； 同时氨也是关键无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、染料、炸药、合成纤维、合成树脂原料，这部分约占30%百分比，称之为“工业氨”。氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量12％。硝酸、多种含氮无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等全部需直接以氨为原料生产。液氨常见作制冷剂。
合成氨是大宗化工产品之一，世界每十二个月合成氨产量已达成1亿吨以上，其中约有80%氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品原料。氨作为最为关键基础化工产品之一，同时也是能源消耗大户，世界上大约有10%能源用于合成氨。
伴随世界人口不停增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵和其它化工产品氨用量也在增加。据统计1994年世界氨产量为113.46Mt，其中中国、美国、印度、俄罗斯四个关键产氨国占了二分之一以上。在化学工业中合成氨工业已经成为关键支柱产业[1]。
1.2 合成氨生产技术发展
1.2.1世界合成氨技术发展
(一) 原料组成改变
为了合成氨，首先必需提供氮和氢。氮来自空气，氢来自水。气和水四处全部有，而且取之不尽。传统制氮方法是在低温下将空气液化、分离，和水电解制氢。因为电解制氢法，电能消耗大，成本高。传统方法还是采取高温下将多种燃料和水蒸气反应制造氢。所以合成氨生产初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等，60多年来世界合成氨原料组成改变见下表1-1。
表1.1世界合成氨原料组成（%）
原料
1929
1939
1953
1965
1971
1975
1980
1985
1990
焦炭、煤
65.2
53.6
37
5.8
9.0
9.0
5.5
6.5
13.5
焦炉气
15.8
27.1
22
20
天然气
-
1.3
26
44.2
60
62.0
71.5
71.0
77
石脑油
-
-
-
4.8
20
19.0
15.0
13.0
6
重油
-
-
-
9.2
4.5
5.0
7.5
8.5
3
其它
19
18
15
16
6.5
5.0
0.5
1.0
0.5
累计
100
100
100
100
100
100
100
100
100
由表1-1可知，合成氨原料组成是从以固体燃料为主转移到以气体燃料和液体原料为主。
自从北美大量开发天然气资源成功以后，20世纪50年代开始采取天然气制氨。因为天然气便于管道运输，用作合成氨原料含有投资省、能耗低等显著优点。到20世纪60年代末，国外关键产氨国全部已前后停止用焦炭、煤为原料，而以天然气、重油等为原料，天然气所占比重不停上升。部分没有天然气资源国家，如日本、英国在处理了石脑油蒸汽转化过程析碳问题后，1962年开发成功石脑油为原料生产合成氨方法。石脑油经脱碳、气化后，可采取和天然气为原料相同生产装置制氨。但石脑油价格比天然气高，而且又是石油化工关键原料，用于制氨受到一定限制。为了扩大原料范围，又开发了用重油部分氧化法制氢。以后比石脑油价廉、起源广泛重油和减压渣油开始作为合成氨另一个原料。
表1-2为多种原料日产1043.3t合成氨厂，相对投资和能量消耗比较。由表可见，即使各国资源不一样，但选择原料基础方向相同。只要资源条件含有作为合成氨原料。首先应考虑天然气和油田气，其次采取石脑油。
表1.2 氨厂采取多种原料相对投资和能量消耗
原料
天然气
重油
煤
相对投资费用
1.0
1.5
2.0
能量消耗/(GJ/t)
28
38
48
尤其是以天然气为原料合成氨工业占了很大比重，本设计就是以天然气为原料合成氨，关键是转化工段设计。
(二) 生产规模大型化
20世纪50年代以前，氨合成塔最大能力为日产200t氨，到60年代早期为400t。伴随蒸汽透平驱动高压离心式压缩机研制成功，美国凯洛格企业利用建设单系列大型炼油厂经验，首先利用工艺过程余热副产高压蒸汽作为动力，于1963年和1966年相继建成日产544.31t和907.19t氨厂，实现了单系列合成氨装置大型化，这是合成氨工业发展史上第一次突破。大型化优点是投资费用低，能量利用率高，占地少，劳动生产率高。从20世纪60年代中期开始，新建氨厂大全部采取单系列大型装置。不过，大型单系列合成氨装置要求能够长周期运行，对机器和设备质量要求很高，而且在超出一定规模以后，优越性并不十分显著了。所以大型氨厂通常是指日产600t级，日产1000t级和日产1500t级三种。现在世界上规模最大合成氨装置为日产1800t氨，1991年在比利时安特卫普建成投产。
(三) 低能耗新工艺
合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外。整个生产过程还需消耗较多电力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。现在合成氨能耗占世界能源消费总量3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗4%。因为吨氨生产成本中能源费用占70%以上，所以能耗是衡量合成氨技术和经济效益关键标志。
以天然气为原料日产1000t合成氨装置吨氨能耗现在已从20世纪70年代40.19GJ下降到39.31GJ左右，而且以天然气为原料大型氨厂所需动力约有85%可由余热供给[3]。
(四) 生产自动化
合成氨生产特点之一是工序多、连续性强。20世纪60年代以前过程控制多采取分散方法，在独立多个车间控制室中进行。自从出现单系列装置大型氨厂，除泵类有备用外，其它设备和机器全部是一台。所以，某一步骤失调就会影响生产，为了确保长周期安全生产，对过程控制提出更高要求，从而发展到把全步骤温度、压力、流量、物位和成份五大参数模拟仪表、报警、连锁系统全部集中在中央控制室显示和监视控制。
自从20世纪70年代计算机技术应用到合成氨生产以后，操作控制上产生了飞跃。1975年美国霍尼威尔企业开发成功TCP-总体分散控制系统（Totol Distributed Control System），简称集散控制系统（DCS）。
DCS是现代计算机技术、控制技术、数据通讯技术和荧光显示技术（CRT）相结合产物。在CRT操作平台上能够存取、显示多个数据和画面，包含带控制点步骤，全部过程变量、控制过程变量，和其参数动态数值和趋势图，从而实现集中监视和集中操作。操作人员对于人一控制点、控制单元、生产设备、车间和全厂运作情况进行随机或定势观察，只要经过键操作调出对应画面，即可把所需内容显示在CRT上，方便监视、控制和修改一些参数。需要数据、步骤全部可随机或定时在打印机上打印和彩色硬拷贝机上拷贝。和此同时，报警、连锁系统，程序控制系统，采取了微机技术可编程序逻辑控制器（PLC）替换过去继电器，采取由用户编写程序，实现自动或手动“开”或“停”和复杂程序不一样多种逻辑控制，计时、计数、模拟控制等。多年因为机电一体化需要逻辑控制和模拟控制计时、计数、运算等功效相结合，各仪表厂家产品已从单一逻辑控制，趋向多个控制功效结合为一体。所以，用“可编程序控制器”（PC）这一名称较为确切。
另外，若配置有高一级管理、控制功效上位机系统，还能进行全厂综合优化控制和管理，这种新奇过程控制系统不仅能够替换常规模拟仪表，而且还能够完成局部优化控制和模拟仪表难以实现复杂自控系统。若能用仿真技术进行操作人员模拟培训只需在一台高性能计算机上配合对应软件以替换实际生产装置控制、运作设备，这么就能够在较短时间内学习开停车、正常操作和事故状态操作。这些全部表示氨生产技术自动化进入新阶段，改变了几十年合成氨生产控制面貌。
1.2.2中国合成氨工业发展概况
中国合成氨生产是从20世纪30年代开始，但当初仅在南京、大连两地建有氨厂，一个是由著名爱国实业家范旭东先生创办南京永利化学工业企业铔厂—— 永利宁厂，现南京化学工业企业前身；另一个是日本占领东北后在大连创办满洲化学工业株式会社，最高年产量不超出50Kt（1941年）。另外在上海还有一个电解水制氢生产合成氨、硝酸小型车间。
中国成立以来，化工部门落实为农业服务方针，把发展化肥生产放在首位。经过50多年努力，中国已拥有多个原料、不一样步骤大、中、小型合成氨厂1000多个，1999年总产量为34.52Mt氨，已跃居世界第1位，已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田气和液态烃等气固液多个原料生产合成氨技术，形成中国大陆特有煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存合成氨生产格局。
中国合成氨工业发展经历了以下多个阶段。
第一、恢复老厂和新建中型氨厂
20世纪50年代初，在恢复和扩建老厂同时，从原苏联引进以煤为原料、年产50kt三套合成氨装置，并创建了吉化、兰州、太原三大化工基地，后又自行设计、制造了7.5万吨合成氨系统，以川化创建为标志。到60年代中期中氮已投产了15家。20世纪60年代伴随石油、天然气资源开采，又从英国引进一套以天然气为原料加压蒸汽转化法年产100kt合成氨装置(即泸天化)；从意大利引进一套以重油为原料部分氧化法年产50kt合成氨装置，从而形成了煤油气原料并举中型氨厂生产系统，迄今为止，已建成50多座中型氨厂。
第二、小型氨厂发展
从20世纪60年代开始在全国各地建设了一大批小型氨厂，1979年最多时曾发展到1539座氨厂。
第三、大型氨厂崛起
20世纪70年代是世界合成氨工业大发展时期。因为大型合成氨装置优越性，1972年2月中国作出了成套引进化学肥料技术和设备决定。1973年开始，首批引进13套年产300kt合成氨成套装置(其中10套为天然气为原料，建在川化、泸天化、云南、贵州等地)，为了扩大原料范围，1978年又开始第二批引进4套年产300kt合成氨装置。
中国是世界上人口最多农业大国，为了在氮肥产量达成基础自给自足，最近十年前后陆续引进14套含有20世纪90年代优异水平年产300kt合成氨成套设备，同时从20世纪70年代起，中国开始了大型合成氨成套装置自行设计、自行制造工作，第一套年产30万吨合成氨装置于80年在上海建成投产。尤其是于90年代初在川化建成投产年产20万吨合成氨装置达成了当初国际优异水平。从而掌握了世界上几乎全部优异工艺和优异技术如低能耗凯洛格工艺、布朗工艺等，经过对引进技术消化吸收和改造创新，不仅使合成氨技术水平跟上了世界前进步伐，而且促进了中国中小型氨厂技术发展。
至今，在32套引进装置中，原料为天然气、油田气17套，渣油7套，石脑油5套，煤2套和尤里卡沥青1套，加上上海吴泾，成全部两套国产化装置，合成氨总能力为10.22Mt。中国潜在天然气资源十分丰富，除新勘探新疆塔里木盆地有大量天然气能够经过长距离管线东输外，对海南莺歌海域蕴藏天然气已决定在新世纪初新建一套引进年产450kt合成氨装置，这将是中国规模最大一套合成氨装置[1]。
1.3合成氨转变工序工艺原理
1.3.1 合成氨经典工艺步骤介绍
合成氨生产过程包含三个关键步骤：原料气制备、净化和压缩和合成。
(1)原料气制备
将煤和天然气等原料制成含氢和氮粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采取气化方法制取合成气；渣油可采取非催化部分氧化方法取得合成气；对气态烃类和石脑油，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杂质，关键包含变换过程、脱硫脱碳过程和气体精制过程。
　　① 一氧化碳变换过程
　　在合成氨生产中，多种方法制取原料气全部含有CO，其体积分数通常为12%～40%。合成氨需要两种组分是H2和N2，所以需要除去合成气中CO。变换反应以下：
CO+H2O→H2+CO2 ΔH=-41.2kJ/mol；
因为CO变换过程是强放热过程，必需分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分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。所以，CO变换反应既是原料气制造继续，又是净化过程，为后续脱碳过程发明条件。
　　② 脱硫脱碳过程
　　多种原料制取粗原料气，全部含有部分硫和碳氧化物，为了预防合成氨生产过程催化剂中毒，必需在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料部分氧化法，依据一氧化碳变换是否采取耐硫催化剂而确定脱硫位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采取物理或化学吸收方法，常见有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。
　　粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥关键原料。所以变换气中CO2脱除必需兼顾这两方面要求。
　　通常采取溶液吸收法脱除CO2。依据吸收剂性能不一样，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，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。
　　③ 气体精制过程
　　经CO变换和CO2脱除后原料气中尚含有少许残余CO和CO2。为了预防对氨合成催化剂毒害，要求CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。所以，原料气在进入合成工序前，必需进行原料气最终净化，即精制过程。
　　现在在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法关键是液氮洗法，是在深度冷冻(<-100℃)条件下用液氮吸收分离少许CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这么能够取得只含有惰性气体100cm3/ m3以下氢氮混合气，深冷净化法通常和空分和低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少许CO、CO2和H2反应生成CH4和H2O一个净化工艺，要求入口原料气中碳氧化物含量(体积分数)通常应小于0.7%。甲烷化法能够将气体中碳氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下，不过需要消耗有效成份H2，而且增加了惰性气体CH4含量。甲烷化反应以下：
CO+3H2CH4+H2O ΔH=-206.2kJ/mol；
CO2+4H2CH4+2H2O ΔH=-165.1kJ/mol；
(3)氨合成 将纯净氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂作用下合成氨。氨合成是提供液氨产品工序，是整个合成氨生产过程关键部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在条件下进行，因为反应后气体中氨含量不高，通常只有10%～20%，故采取未反应氢氮气循环步骤。氨合成反应式以下：
N2+3H2 2NH3(g) ΔH=-92.4kJ/mol；
1.3.2 合成氨转化工序工艺原理
本设计中合成氨转变工序是指转化工序和变换工序合称。
转换工序是指天燃气中气态烃类转换成H2、CO和CO2，并达成要求，合成氨厂转化工序分为两段进行。在一段转化炉里，大部分烃类和蒸汽于催化剂作用下转化成H2、CO和CO2。
烷烃：
CnH2n+n+nH2O→nCO+(2n+1)H2
或
C0nH2n+n+2nH2O→nCO2+(3n+1)H2
烯烃：
CnH2n+nH2O→nCO+2nH2

CnH2n+2nH2O→nCO2+3nH2
接着一段转化气进入二段转化炉，在此加入空气，由一部分H2燃烧放出热量，催化剂床层温度上升到1200～1250 ℃，并继续进行甲烷转化反应。
CH4+H2O→CO+3H2
CH4+2H2O→CO+4H2
二段转化炉出口气体温度约950～1000 ℃，残余甲烷含量和（H2+CO）/N2比均可达成指标。
1.3.3合成氨变换工序工艺原理
变换工序是指CO和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气过程。在合成氨工艺步骤中起着很关键作用。
现在，多种方法制取原料气全部含有CO，其体积分数通常为12%～40%，合成氨需要两种组分是H2和N2，所以需要除去合成气中CO。变换工段关键利用CO变换反应式：
CO+H2O→CO2+H2 ΔH 298=-41.20kJ/mol
在不一样温度下分两步进行，第一步是高温变换（简称高变）使大部分CO转化为CO2和H2，第二步是低温变换简称低变，将CO含量降到0.3%左右。所以，CO变换既是原料气制造继续，又是净化过程。
1.4 设计方案确实定
1.4.1 原料选择
合成氨生产原料有焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等。本设计选择天然气作为原料，关键考虑到中国天然气资源丰富及清洁节能等原因，详以下述。
首先，中国天然气资源比较丰富，宁夏地域有得天独厚区位优势。地质资源总量约38～39万亿立方米，列世界第十位，其中陆上30万亿立方米，海上9万亿立方米。已探明储量约1.9万亿立方米，仅占资源总量5%左右，列世界第16位，天然气资源勘探潜力很大。多年来中国天然气勘探取得了重大突破，陆上已在川渝、陕甘宁、新疆和青海形成四大气区；海上气田以渤海、南海西部地域和东海西湖凹陷作为关键勘探和增加产量地域。宁夏天然气资源也十分丰富，所以在选择天然气作为原料合成氨有着显著区位优势。
其次，中国天然气工业高速发展方兴未艾。据最新《石油和勘探开发》介绍，现在，中国天然气工业正处于发展高峰时期，且发展速度越来越快。多年来，国家对环境问题越来越重视。天然气作为一个清洁优质能源，在中国改善能源结构，和中国在大力推进低碳经济发展过程中，取得了前所未有大发展。不管是在传统天然气产区，还是在新天然气勘探开发区，近几年，中国天然气工业发展全部展现出前所未有良好态势。中国将大力提升天然气在中国能源消费结构中比重。天然气作为化石能源中污染最少能源，热值对应高于煤炭和石油。在现在中国能源消费结构里，煤炭占67％，石油占20％，而天然气却只占3.4％，远低于23.5％世界平均水平。加大天然气在能源消费结构中比重，现有利于促进节能减排，又能够维持经济和社会可连续发展。
第三，以天然气为原料合成氨工艺比重油和煤为原料工艺成本低，而且能耗低。依据计算，若大型氨厂分别用石脑油、渣油、天然气和煤为原料制氨，其价格分别按1800元/t、1400元/t、1.20元/m3和260元/t计，中压蒸汽价格按78元/t计，对应合成氨成本分别为1721元/t、1557元/t、1493元/t和1021元／t。可见，在这4种原料中，以煤为原料制氨成本最低,然而，以煤为原料合成氨能耗远大于天然气（见表1-1）。天然气工艺技术现在最可靠，天然气合成氨工艺成熟、生产可靠、连续。煤头技术中，固定层气化步骤，即使工艺成熟，但气化消耗高，环境保护污染严重、难以达标、厂区环境恶劣；水煤浆气化技术对煤种要求尤其高，包含煤活性，灰份含量、灰熔点、固定碳含量。
1.4.2 工艺步骤选择
本设计关键是转化和变换工序工艺设计，所选步骤为：
脱 硫
压 缩
压 缩
一段转化
二段转化
高温变换
低温变换
天然气
空气
水蒸气
变换气去甲烷化

天然气蒸汽转化和变换工序是合成氨生产中第一步，也是较为关键一步，因为能否正常生产出合格变换气，是后面全部工序正常运转前提条件。在本设计中，甲烷和其它烃类转化为CO和H2转化工序采取是两段炉催化转化，经过二段转化后，甲烷含量约为0.5%左右。CO变换工序采取了高变串低变工艺步骤路线，经过低温变换后气体中CO含量为0.4%左右。
1.4.3 工艺参数确实定
以天然气为原料合成氨生产装置转化变换工序设计，其关键参数是一、二段转化工艺和CO高-低变串联步骤温度和压力。天然气经加氢脱硫，出口总硫量小于0.5ppm后，在压力3.03MPa、温度380℃左右条件下配入中压蒸汽达成水碳比为3.5（R=3.5），进入一段转化炉对流段加热，气体一边加热一边反应，出反应管温度在822℃左右，最终沿集气管中间上升管上升，继续吸收部分热量，使温度升到850℃左右，经输气总管送往二段转化炉。
工艺空气经压缩机压到3.3～3.5 MPa，也配入少许水蒸气，然后进入对流段工艺空气加热盘预热到480℃左右，进入二段炉顶部和一段转化气汇合，在顶部燃烧区燃烧、放热，温度升到1200℃左右，在经过催化剂床层时继续反应并吸收热量，离开二段转化炉温度约为1000℃左右，压力为3.0 MPa，所得混合气残余甲烷含量约为0.3％。
经二段转化后合成气送入第一换热器（101-C），接着又送入第二换热器（102-C），使合成气温度由1003℃降到360℃左右，利用这些能量制取高压蒸汽。从第二换热器出来气体继续送往变换工序处理。
含CO原料合成气经换热器降温，在压力3.0 MPa、温度371℃下进入高变炉（因原料气中水蒸气含量较高，通常不需要加蒸汽）。经高变处理后，气体中CO降到3.0％左右，温度为425～440℃。气体经过高变废热锅炉，冷却到336℃左右，锅炉产生10.0MPa饱和蒸汽。因为此时气体温度还不能进行低温变换，于是将变换气用来加热其它工艺气体，而变换气被冷却到241℃后进入低变炉。经低变处理后，气体残余CO降到0.3％～0.5％之间，再送入后续工段继续净化。
1.4.4 工厂选址
本设计合成氨厂选址为在宁夏回族自治区灵武市境内宁东能源重化工基地。该化工基地有着得天独厚优势：
（1）天然气资源优势 该基地临近陕甘宁天然气田，此气田是中国迄今探明世界级特大型整装气田，探明控制储量达7000多亿立方米，一期输气管线已建成，二期管线正在计划建设中。
（2）水资源优势 基地在黄河东畔，中心区距黄河仅35公里左右，底开工建设宁东供水工程，估计5月建成通水，总供水量为15970万立方米，能为基地提供充足水源保障。
（3）交通优势 四通八达道路交通是基地一大突出优势，银川-青岛高速公路及307国道横贯基地；大古铁路连接包兰、宝中铁路和京包、陇海线连通可辐射全国，立即开工建设银川-太原铁路又形成一条横穿基地外运大通道；银川河东机场距基地中心区仅30公里，每日航班达50余次，通往北京、上海、广州、西安、太原、济南、青岛、兰州等关键城市。
（4）土地资源优势 基地处于荒山丘陵地带，地形平缓，地势开阔，有成片发展用地，为工业建设提供了宽广土地资源。
（5）区位优势 基地在陕、甘、宁、蒙毗邻地域，西和自治区首府银川市隔黄河相望，东和开发中陕北能源重化工基地毗邻，易形成产业互补，资源共享，其生产、生活条件俱佳。
（6）电力优势 宁夏现在无拉闸限电之虞，宁夏电网统调装机容量达成366万千瓦，而且基地计划建设八大电厂将形成千万千瓦级火电基地，这些全部将为基地提供充足电力供给。
（7）政策优势 伴随西部大开发战略深入推进，国家实施关键支持西部大开发政策方法，和自治区、银川市全方面改善投资环境重大举措，为基地建设提供了强有力政策支持。

2 设计工艺计算
2.1 转化段物料衡算
原料气（入加氢转化器天然气）组成以下表：
组 分
mol（干）％
kmol/h
kg/h
CH4
89．00
996.80
15948.80
C2H6
5．00
56.00
1680．00
C3H8
4.00
44.80
1971.20
C4H10
1.00
11.20
649.60
C5H12
0.80
8.96
645.12
N2
0.20
2.24
62.72
∑干
100.00
1120．00
20957.44
循环氢气组成以下表：
组 分
kmol/h
kg/h
N2
19.50
545
H2
58.30
117
Ar
0.20
9
CH4
0.80
13
合 计
78．80
684
出加氢器气体组成以下表：

组 分
mol（干）％
kmol/h
CH4
83.2165
997.6
C2H6
4.6713
56
C3H8
3.7371
44.8
C4H10
0.9343
11.2
C5H12
0.7474
8.96
N2
1.8134
21.74
H2
4.8632
58.3
Ar
0.0167
0.2
合 计
100.00
1198.8
2.1.1 一段转化炉物料衡算
计算数据依据：
水碳比R=3.50
一段炉出口甲烷含量设计为10％
一段转化炉出口温度：822℃
一段转化炉出口压力：30.9Kg/cm3（表压）
A. 物料衡算：
总碳流量：∑C=997.6+56×2+44.8×3+11.2×4+8.96×5
=1333.6kmol/h
水碳比：R=3.50
故加入水蒸汽量：nH2O=3.50×1333.6
=4667.6kmol/h
设一段转化炉出口CO、CO2、H2含量分别为nCO、nCO2和nH2，干转化气总量为V kmol/h,转化消耗水蒸汽量为n′H2O kmol/h。
列元素平衡式
C平衡 1333.6=nCO + nCO2 +0.1V （1）
H2 平衡
5