天然氣轉(zhuǎn)化成水煤氣

(1)原料天然氣組成分子式C1C2C3N2HS2組成0.82150.02840.00130.00720.0892CO20.0524H2S含量的變化范圍為：9.2%~10.8%；CO2含量的變化范圍為：4%~6%(2)設(shè)計(jì)規(guī)模：15萬噸/年；(3)原料氣溫度：20°C；(4)要求：HS<20mg/m32水蒸氣法將天然氣轉(zhuǎn)換成水煤氣：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由以上列的轉(zhuǎn)化反應(yīng)式可以看出，用天然氣轉(zhuǎn)化成水煤氣，從理論上可以得到CO+3H2,一個(gè)體積的CH4可以轉(zhuǎn)化成4個(gè)體積的CO+H2,實(shí)際上轉(zhuǎn)化過程平衡條件決定于CO+H2O—CO2+H2最終的水蒸汽轉(zhuǎn)化氣組分為CO、CO2、H2的混合物，組分中的CO還可以進(jìn)行合成氨最理想最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化方式。其中主要的反應(yīng)式就是CH4的反應(yīng)生成的CO、CO2、H2。.根據(jù)查找數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值得到如下數(shù)據(jù)在不同溫度下反應(yīng)生成的平衡組成溫度/C平衡常數(shù)平衡組成/%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根據(jù)我們需要選擇產(chǎn)生H2最多的可以使我們的天然氣的利用率最大。所以盡量選擇1100°C。當(dāng)溫度降低后，可以使水變成液體除去，剩下的都是氣體，所以氣體部分就是H2；0.4885/(1-0.3561)=0.7587CO2：0.0371/(1-0.3561)=0.05762CO：0.1133/(1-0.3561)=0.17596在總體中占的比例就是H2:0.7587X0.8215=0.6233CO2：0.05762X0.8215+0.0524=0.0997CO：0.17596X0.8215=0.1437由于N：H=1：3可以使反應(yīng)達(dá)到最大效益，所以，通入大于0.33倍H2的氮?dú)庾顬楹线m，假設(shè)可以通入的氮?dú)饬繛?0體積，可以使的合成氣變成半水煤氣可得N2:30^130=0.2308H2:62.33：130=0.4795CO2：9.97：130=0.0767CO：14.37：130=0.1105表4.1半水煤氣成分組分N2CO2COH2其他體積/%23.087.6711.05 ，47.9510.25通過查資料可以的到栲膠脫硫的脫硫液成分如下表:表4.2脫硫液成分組分NaCO23NaHCO3總堿總釩栲膠濃度5.050.626.80.61.5（g/L）2計(jì)算原料氣的體積及流量以每年300個(gè)工作日，每天工作24小時(shí)，則每小時(shí)生產(chǎn)合成氨為：150000^(300X24)=20.8333t/h考慮到在合成時(shí)的損失，則以每小時(shí)生產(chǎn)20.8333噸計(jì)算為基準(zhǔn)，所以%3=208333Kg：17Kg/Kmol=1225.49Kmol則合成NH3所需要N2的物質(zhì)的量為nN2=nNH3：2=612.745Kmol考慮到半水煤氣經(jīng)過洗滌、脫硫、變換等工序到合成的過程中氮?dú)獾膿p失，則損失率以1%計(jì)，則半水煤氣中氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為%=612.75X(1+1%)=612.75Kmol那么原料氣中N2的體積為VN2=22.4Nm3/KmolX612.75Kmol=137250.49Nm3根據(jù)半水煤氣中各氣體的體積比，則其它氣體的體積為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那么總氣體的體積V=VN2+VCO2+VCO+VH2+VO2二53847.1232Nm3+77576.63Nm3+330629761Nm3+71959.975Nm3+137250.49Nm3二677265.864Nm3根據(jù)氣體方程，將0°C、101.325KPa下的體積換算成125KPa、45°C時(shí)的體積V0V0=101.325X677265.864X(273.15+45)/(125X273.15)m3=639435.15m3則進(jìn)入脫硫塔的氣體的流量為G=639435.15m3/h3根據(jù)氣體中HS的含量計(jì)算HS的質(zhì)量2 2入脫硫塔中HS的質(zhì)量：m1=0.09/1.3mg/m3X639435.15m3=442.685Kg2根據(jù)設(shè)計(jì)要求，出塔氣體中H2S的含量為20mg/m3，取出塔氣中H2S的含量為20mg/m3，則塔的脫硫效率是n=(692-20)/692X100%=97.1%.由于原料氣中HS的含量低，故在脫硫的過程中原料氣進(jìn)入脫硫塔和出脫硫塔的2體積流量視為不變，則出塔氣體的流量W0^617801.29m3/h所以出塔氣中HS的質(zhì)量為m2=1.5mg/m3X617801.29m3=0.927Kg2故在脫硫塔中吸收的H2S的質(zhì)量為G1=m1-m2=442.685-0.927=441.758Kg4脫硫液循環(huán)量的計(jì)算取脫硫液中硫容量為S=100g/m3,根據(jù)液氣比L/G=(C1-C2)/S式中：C1為進(jìn)脫硫塔氣體中硫化氫的含量，g/m3C2為出脫硫塔氣體中硫化氫的含量，g/m3S為硫容量，g/m3L為脫硫液的循環(huán)量，m3/hG為進(jìn)脫硫塔氣體的流量，m3/h則液氣比為L(zhǎng)/G=(0.692-0.02)/100=0.0067脫硫液的循環(huán)量L=0.0067X639435.15=4284.22m3/h因脫硫液在循環(huán)中有損失及再生率為95%，取損失率為10%則液體的循環(huán)量為L(zhǎng)=L(1+10%)=4284.22X(1+10%)=4712.64m3/hT5生成NaSO消耗的HS的質(zhì)量G，Kg/hTOC\o"1-5"\h\z223 2 2取Na2S2O3的生成率為H2S脫除量的8%，貝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理論硫回收量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理論硫回收率，W=G/G41W=325.99/425.452X100%=76.62%8生成Na2S2O3消耗的純堿量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%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))G=325.99：98%=332.64Kg/h7表4.3物料衡算表（以每小時(shí)計(jì)）:入脫硫塔氣體流量639435.15m3出脫硫塔氣體流量639435.15m3脫硫液循環(huán)量4712.64m3硫泡沫生成量10.87m3硫化氫吸收量4284.22Kg硫膏量332.64Kg消耗的純堿量53.054Kg硫代硫酸鈉生成量79.08Kg4.2熱量衡算（以0°C為計(jì)算基準(zhǔn)）1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)半水煤氣的平均式量 M=(28X23.08%)+(44X7.67%)+(28X11.05%)+(2X47.95%)+(32X10.25%)=17.5kg/kmol半水煤氣的密度：p=PM/TR=1.25X17.5X102/[(273.15+40)X8.314]=0.840kg/m3半水煤氣的質(zhì)量流量G「V0P=639435.15X0.840kg/h=537125.526kg/h脫硫液密度計(jì)算用公式：p「1.0641—0.000446T(g/cm3)脫硫液入脫硫塔時(shí)的溫度T入=45°C，則p入二1.0641—O.OOO446X45=1.04403g/cm3=104403kg/m3L入脫硫塔脫硫液的質(zhì)量流量W入=4712.64p入=4920.14kg/h脫硫液出脫硫塔是的溫度T出Q45C，則p出Qp入出脫硫塔脫硫液的質(zhì)量流量W出5入平均比熱容的計(jì)算根據(jù)比熱容的計(jì)算式C=a+bT+cT2,J/(mol?K)p將半水煤氣中的各組分的a、b、c值列于表中物COHCONO質(zhì)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的比熱容：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)平均比熱容為C=ZYiXCpm pi上式中Yi——為各氣體的體積分?jǐn)?shù)Cpi——為各氣體的比熱容故半水煤氣在60攝氏度的比熱容Cpo=29.78KJ/(kmol?K)同理：半水煤氣在45攝氏度的比熱容 C45=29.30KJ/(kmol?K)半水煤氣在41攝氏度的比熱容 C41=29.30KJ/(kmol?K)脫硫液的比熱容CP，J/(g°C)C=3.839+0.00352TP脫硫液的進(jìn)口溫度為41C，則進(jìn)口時(shí)的比熱容Cp1=3.839+0.00352X41=3.9833J/(g?C)=3.983KJ/(kg?C)脫硫液的出口溫度約為41C,則出口時(shí)的比熱容L2洗滌塔熱量衡算洗滌塔熱負(fù)荷Q1，KJ/hQ1=G0(CP0t1-C45t2)式中G0——入洗滌塔半水煤氣量Q=537125.526/18.1X(29.78X60-29.30X40)=1.824X106KJ1冷卻水消耗量W3,m3/h

W=Q/(C?△t)3 1H2O式中△t——冷卻水溫升，取△t=5°C,CH2o=4.2KJ/(Kg°C),p=1000Kg/m3W3=1.824X106/(4.2X1000X5)=868.78m3/h3硫泡沫槽熱量衡算①硫泡沫槽熱負(fù)荷，KJQ=VpC(t—t)2FFF3 4式中Vf 硫泡沫體積，m3,VF=G6=10.87m3pf 硫泡沫密度，kg/m3,pf=1100kg/m3Cf——硫泡沫比熱容，KJ/(kg?C),Cf=3.68KJ/(kg?C)t3——槽中硫泡沫末溫，C， t3=64.5Ct4——槽中硫泡沫初溫，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蒸汽的液化熱，KJ/kg，r1=2177.6KJ/kgWQ/r=0.22X105/2177.6=10.53kg4=2 14熔硫釜熱量衡算①熔硫釜熱負(fù)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，設(shè)全容積為150m3,熔硫釜裝填系數(shù)為75%，則G=150X0.75=112.5m38Cs——硫膏比熱容，KJ/(kg.°C)，Cs=1.8KJ/(kg?C)ps 硫膏密度，kg/m3，ps=1770kg/m3t5t5——加熱終溫，C，t6——入釜溫度，C，t5=150Ct6=64.5C硫膏的熔融熱，KJ/kg，廠49.8KJ/kg入——熔硫釜向周圍空間的散熱系數(shù)，KJ/(m2?h?°C)，入=12.56KJ/(m2?h?°C)F6 熔硫釜表面積，m2，F(xiàn)6=130m24——熔一釜所需時(shí)間，h0.98——硫膏中含硫膏98%GCp(t—t)表示硫膏升溫吸收熱量；0.98GpC表示硫膏熔融吸收熱8SS5 6 8Sh量；4入F6(t5—16)表示向環(huán)境散熱量。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蒸汽的液化熱，KJ/kg, r2=2177.6KJ/kgW=40921851.6/2177.6=18792.18Kg/釜5表4.4熱量衡算表：收入KJ/kg支出KJ/kg半水煤氣帶入的熱量半水煤氣帶出的熱量0.091X106洗滌塔GC60t46.48X106冷卻水吸收的熱量1.824X106(/h)0P1總和46.48X106總和1.915X106硫泡沫脫硫液帶入的熱量2.77X105脫硫液帶出的熱量2.99X105蒸汽冷凝放出的熱量10.3X105槽(/h)總和13.07X105總和2.99X105硫膏帶入的熱量4.624X105硫膏帶出的熱量1.302X106熔硫釜蒸汽冷凝放出的熱量8.502X105環(huán)境吸收的熱量0.107X105/（釜）總和1.3126X106總和1.3126X1065. 設(shè)備計(jì)算及選型5.1脫硫塔的設(shè)計(jì)計(jì)算nW]脫硫吸收塔采用填料塔，填料為76X76X2.6聚丙烯鮑爾環(huán)，公稱直徑為

76cm，空隙率為￡=0.92，比表面積為a=72.2m2/m3，米用亂堆的方式。5.1.1塔徑計(jì)算利用泛點(diǎn)速度計(jì)算圖求液泛速度首先根據(jù)液體質(zhì)量流速(L，Kg/h)、氣體質(zhì)量流速(G，Kg/h)、氣體密度(pg，Kg/m3)、液體密度(pl，Kg/m3)，用泛點(diǎn)速度計(jì)算圖橫座標(biāo)的式子算出數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)查出“泛點(diǎn)速度計(jì)算圖”的縱座標(biāo)上的數(shù)據(jù)，再用縱座標(biāo)上的式子，求解出泛點(diǎn)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"費(fèi)照3度計(jì)黑圖圖一圖中mPa,SW0——液泛速度，m/s； L——液體質(zhì)量流速，kg/h；圖中mPa,SG——?dú)怏w質(zhì)量流速，kg/h；pl——液體密度，kg/m3p 氣體密度，kg/m3； a 填料比表面積，m2/m3￡——填料空隙率，%； p——液體粘度，mPa?S，p=0.837g 重力加速度，m/s2對(duì)于本系統(tǒng):(L/G)1/4(p/pL)1/8=[(484.13X1044.03)/(0.869X61988.94)]1/4(0.871/1045.81)1/8=0.72123由圖可讀出對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)為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利用泛點(diǎn)速度W0,算出操作氣速W「m/s取空塔氣速為泛點(diǎn)速度的45%，則實(shí)際空速為u=0.45W°=.1.331m/s根據(jù)操作態(tài)的每小時(shí)氣體處理量算出塔徑D,mD=；'4V/us式中：D 吸收塔直徑，m；Vs——?dú)怏w的體積流量，m3/sD=[4X61988.94：3600：(3.14X1.331)]1/2=4.06m圓整后D取4.2m5.1.2填料高度計(jì)算吸收過程傳質(zhì)系數(shù)KG計(jì)算KG二AW1.3Na0.1B-0.01式中：KG 傳質(zhì)系數(shù)，Kg/(m2?h?atm)；A 經(jīng)驗(yàn)數(shù)，取A=20；W——吸收塔操作氣速，m/s； Na——溶液中N"。,含量，g/L；B——吸收過程液氣比，L/m3。KG=20X1.3311.3X5.00.1X(484130/61988.94)-0.01=33.38Kg/(m2?h?atm)計(jì)算吸收過程平均推動(dòng)力△PM,atm△PM=[(P-P*)—(P—P*)]/ln[(P—P*)/(P—P*)]1 1 2 2 1 1 2 2式中：P1 吸收塔入口氣相H2S分壓，atm；P2——吸收塔出口氣相H2S分壓，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分壓，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計(jì)算傳質(zhì)面積FP，m2FP=G1/(KGXAPM)式中：G1——H2S脫除量，Kg/h；KG 傳質(zhì)系數(shù)，Kg/(m2?h?atm);PM——吸收過程平均推動(dòng)力，atm。FP=43.98/(33.38X8.182X10-5)=16103.097m2根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出填料高度HP=FP/(0.785D2Xa)式中 a——填料比表面面積HP=16103.097/(0.785X4.22X72.2)=16.1m取HP=17m填料分兩段，上段8cm下段9cm.5.2噴射再生槽的計(jì)算5.2.1槽體計(jì)算再生槽直徑計(jì)算再生槽直徑計(jì)算可用下式計(jì)算：D1=(GA/0.75A.)1/2式中：A. 吹風(fēng)強(qiáng)度，m3/(h?m2)，取A.=70m3/(h?m2)；D1——槽體直徑，m；GA——空氣量，m3/h。而空氣量用下式計(jì)算：GA=LtXC.式中：C 噴射器抽吸系數(shù)，ms/m3；C=2.4ms/m3Lt——溶液循環(huán)量，ms/h。GA=484.13X2.4=1162ms/hD1=(1162/0.75X70)i/2=4.70m計(jì)算再生槽擴(kuò)大部分直徑D2,mD2=0.4+D1D=0.4+4.70=5.10m2計(jì)算再生槽高度HT,mHT=H1+H2+H3H1——再生槽有效高度，m；H2——噴射器出口到槽底距離，取H2=0.5m;H3——擴(kuò)大部分高度，取H3=1.5m;再生槽有效高度H下式計(jì)算：1H1=(LtXt)/(0.785D；X60)式中：t 溶液在再生槽內(nèi)停留時(shí)間，min，一般取t=13min；Lt——溶液循環(huán)量，m3/h；D1——槽體直徑，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噴射器計(jì)算噴嘴計(jì)算設(shè)噴嘴個(gè)數(shù)(n)確定：n=Lt/L.在式中：Li——每個(gè)噴射器溶液量，m3/h，取Li=40m3/h;Lt——溶液循環(huán)量，m3/h。n=484.13/40=12.1那么取n=13噴嘴的孔徑(d「，mq=(Li/0.785X3600Xw「1/2在式中Wj 噴嘴處的溶液流速，m/s，取Wj=20m/s。q二(40/0.785X3600X20)i/2=0.027m溶液入口管直徑dL，mdL=3d.dL=3X0.027=0.081m=81mm 取089X4熱軋無縫的鋼管；噴嘴入口的收縮段長(zhǎng)度L5,mL5=(dL-d.)/2tan(a/2)式中ai——噴嘴入口的收縮角，通常取ai=14°L5=(0.081