贫天然气转化制合成气过程模拟与优化

【摘要】：某化肥企业二期450kt/a合成氨装置，使用CO_2和N2含量高、低热值(5553kcal/Nm3)的贫天然气作为合成原料气。该套装置采用凯洛格-布朗路特公司(简称KBR)组合合成氨工艺技术，其核心工艺为KBR深冷净化工艺。本课题选取了原料天然气蒸汽转化制合成气以及CO_2脱除系统作为研究对象。由于脱碳系统的能耗很大，通常占合成氨总能耗的10%~15%，仍存在非常大的节能潜力，本课题的研究目的就是运用化工过程模拟与优化技术对该工艺流程进行模拟计算，探寻进一步降低脱碳能耗的途径。 首先基于Aspen HYSYS流程模拟软件对贫天然气蒸汽转化制合成气过程进行模拟计算，选用的物性计算模型是SRK和PR状态方程，模拟值与设计值均吻合良好，但通过进一步比较转化气的组成，发现PR状态方程能够获得更准确的计算结果；然后对aMDEA脱碳过程进行模拟计算，选用DBR AminePackage物性包作为物性计算模型，模拟值与设计值同样吻合良好。以上计算结果表明针对该过程所建立的模型是适合的，从而能够为进一步的优化研究提供可靠的依据。 针对现有流程，提出了对原料气进行预分离脱碳的新工艺流程，并对两种不同的流程方案进行了模拟计算。通过对原料气预分离脱碳的操作参数进行灵敏度分析，确定出了优化的操作参数，可以为装置的设计和运行提供依据。还考察了原料气粗脱碳程度对脱碳总能耗的影响，结果表明，贫天然气粗脱碳至5%(摩尔分数)时，能够达到更好的节能效果。最后比较了两种改进流程方案的脱碳能耗，结果表明，先加压后脱碳流程优于先脱碳后加压流程。 最后综合比较了原流程和改进流程，结果表明，改进流程在脱碳能耗、蒸汽转化能耗、生产能力方面均展现出明显优势，只是需要新增加一套脱碳装置，新工艺流程具有较好的工业应用前景。 【关键词】：贫天然气 合成气 脱碳能耗 流程模拟 优化
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE646;TQ113.264
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 课题背景与研究目的9
• 1.2 天然气转化制备合成气技术综述9-14
• 1.2.1 烃类蒸汽转化法10-12
• 1.2.2 天然气部分氧化法12-14
• 1.3 CO_2脱除技术综述14-16
• 1.3.1 物理吸收法14
• 1.3.2 化学吸收法14-15
• 1.3.3 物理化学吸收法15-16
• 1.4 化工流程模拟概述16-22
• 1.4.1 流程模拟系统的结构16-19
• 1.4.2 流程模拟系统的发展历程19-20
• 1.4.3 流程模拟系统的工程应用20-21
• 1.4.4 化工流程模拟系统 Aspen HYSYS21-22
• 1.5 课题研究内容与意义22-23
• 第2章 贫天然气转化制合成气过程的模拟计算23-41
• 2.1 原料天然气的规格23
• 2.2 贫天然气转化工艺原理及流程叙述23-28
• 2.2.1 原料天然气压缩和脱硫23-24
• 2.2.2 一段炉转化24-25
• 2.2.3 工艺空气压缩和燃气透平驱动25
• 2.2.4 二段炉转化25-26
• 2.2.5 CO 变换26-28
• 2.3 贫天然气转化过程模拟计算方法28-34
• 2.3.1 物性计算模型的选择28-30
• 2.3.2 单元操作模块的选择30-32
• 2.3.3 模拟计算值与设计值的比较32-34
• 2.4 脱碳系统工艺原理与流程叙述34-36
• 2.5 脱碳系统模拟计算方法36-40
• 2.5.1 物性计算模型的选择36
• 2.5.2 单元操作模块的选择36-38
• 2.5.3 模拟计算值与设计值的比较38-39
• 2.5.4 脱碳系统操作费用的计算39-40
• 2.6 本章小结40-41
• 第3章 改进流程的模拟计算41-56
• 3.1 原流程与改进流程方块图的比较41-42
• 3.2 改进流程方案 1 的模拟计算42-51
• 3.2.1 原料气粗脱碳过程的模拟计算42-48
• 3.2.2 蒸汽转化过程的模拟计算48-49
• 3.2.3 合成气精脱碳过程的模拟计算49-50
• 3.2.4 粗脱碳和精脱碳过程的总操作费用50
• 3.2.5 粗脱碳程度对总脱碳能耗的影响50-51
• 3.3 改进流程方案 2 的模拟计算51-54
• 3.3.1 原料气粗脱碳过程的模拟计算51-52
• 3.3.2 蒸汽转化过程的模拟计算52
• 3.3.3 合成气精脱碳过程的模拟计算52-53
• 3.3.4 粗脱碳和精脱碳过程的总操作费用53-54
• 3.4 两种改进流程方案脱碳能耗的比较54
• 3.5 本章小结54-56
• 第4章 原流程与改进流程的综合比较56-59
• 4.1 脱碳系统能耗的比较56
• 4.2 蒸汽转化过程能耗的比较56-57
• 4.3 装置生产能力的比较57
• 4.4 脱碳系统所需单元设备的比较57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 结论与展望59-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目64

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