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应用化工技术毕业论文
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制氢工艺设计
专 业 应用化工技术
1
应用化工技术毕业论文
摘要 氢气是一种重要的工业产品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门，由于使用要求的不同，这些部门对氢气的纯度、对所含杂质的种类和含量都有不相同的要求，特别是改革开放以来，随着工业化的进程，大量高精产品的投产，对高纯度的需求量正逐步加大，等等对制氢工艺和装置的效率、经济性、灵活性、安全都提出了更高的要求，同时也促进了新型工艺、高效率装置的开发和投产。
依据原料及工艺路线的不同，目前氢气主要由以下几种方法获得：
①电解水法；
②氯碱工业中电解食盐水副产氢气；③烃类水蒸气转化法；④烃类部分氧化法；⑤煤气化和煤水蒸气转化法；⑥氨或甲醇催化裂解法；⑦石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢；等等。
其中烃类水蒸气转化法是世界上应用最普遍的方法，但该方法适用于化肥及石油化工工业上大规模用氢的场合，工艺路线复杂，流程长，投资大。
关键词 原料气精制 转化 中温变 PSA单元
第27页
共27页
目录
一、装置概述 4
1、装置概况 4
2、装置工艺技术特点 4
二、制氢工艺设计 6
1、工艺过程 6
2、制氢的反应机理 6
3、变压吸附原理 7
三、生产工艺过程 8
1、工艺流程简述 8
2、装置物料平衡及工艺操作条件 11
（1）装置生产物料平衡 11
（2）主要工艺操作条件 11
四、设计结果和设计讨论 19
1、设计结果 19
2、设计讨论 20
五、存在的问题及解决方法 21
1、（瞬时）紧急停电事故处理 21
（1）恍电现象：
21
（2）停电原因：
21
（3）紧急处理：
21
（4）需注意的问题:
21
2、低风压紧急处理 22
（1）供风要求 22
（2）低风压现象：
22
（3）低风压原因：
22
（4）紧急处理（一般情况按维持装置运行处理，特殊情况按紧急停工处理） 22
（5）需注意的问题:
22
六、总结与展望 23
1、国内外催化剂概况及发展趋势 23
（1）国内外概况 23
（2）发展趋势 23
致 谢 25
参考文献 26
制氢工艺设计
一、装置概述
1、装置概况
20000m3N/h干气制氢装置由海工英派尔工程设计院承担设计，由中国十化建负责施工。
装置由原料气压缩、原料气精制、转化中温变换、PSA、余热锅炉等部分组成.装置产氢能力为20000NM3/h,可供100万吨/年加氢精制装置用氢，装置年运转时间为
8000小时。
装置于2011年8月破土动工，2012年10月竣工投产。
2、装置工艺技术特点
1.制氢装置设计以催化干气为原料，原料蒸汽是由本装置余热锅炉供给。
2.制氢装置PSA采用上海华西化工科技有限公司专有技术，选用国内研制生产的新型净化催化剂、转化催化剂及中温变换催化剂。
装置采用先进工艺流程及设备。
3.工艺上选择合理的工艺操作参数，采用较高的转化温度（840℃），提高转化深度，增加产氢率。
4.转化选用较低的水碳比（3.5），有效降低了转化炉燃料消耗。
5.在原料精制方面，为适应装置对原料多方面需求，采用固定床轴向变温加氢＋绝热反应器及脱硫反应器并串联工艺。
6.装置原料选择方面，可选用催化干气、焦化干气作制氢原料气。
7.装置选用了成熟可靠的催化剂，提高了装置操作稳定性，确保长周期运转。
8.CO变换部分采用中温变换，进一步提高氢气的收率。
9.氢气净化选用PSA工艺技术，简化流程提高了氢气质量。
10.利用转化炉烟道气高温位余热预热原料气，利用烟道气和转化气的高温位余热发生
3.5MPa中压饱和蒸汽，一部分作为装置自用蒸汽，另一部分并入全厂中压蒸汽管网。
11.回收工艺未反应水，降低了除盐水耗量。
在中变气冷却、分离过程中，冷凝一定量的未反应水。
水中除含有微量CO2等有物质外，还含有少量金属离子。
这部分酸性水不能直接排放，将会污染环境或增加污水处理场负担。
这部分酸性水经汽提脱除CO2等杂质后，需经除氧可作锅炉给水的补充用水。
本设计采用了这一先进成熟的回收技术，工艺未反应水经汽提后直接进入除氧器除氧，除氧后可作为锅炉给水。
这样，既保护了环境，又减少了脱盐水用量。
12.转化炉设计结构。
转化炉采用顶烧炉，对流段横卧于地面。
这种炉型具有以下特点：
①.热效率高，在对流段尾部设置空气预热器，使燃烧空气与烟道气换热后进入烧嘴助燃。
②.采用顶部火嘴。
③.对流段设置于地面，便于安装和检修，同时又降低了汽包安装高度。
④.转化炉管的热补偿形式，采用弹簧吊架，借上尾管吸收热膨胀量，改善了炉管及下集合管的受力情况，降低了工程造价。
⑤.采用新型顶烧燃烧器，对燃料的适应性强，既可单烧高压瓦斯，又可混烧高、低压瓦斯。
⑥.转化炉选用新型耐火及保温材料，如轻质浇注料、锆铝陶瓷纤维模块、摩根热陶瓷耐火砖。
⑦.为了充分利用高温烟道气热量，提高传热效率，对流蒸发段采用钉头管，空气预热器采用新型板式空气预热器。
13.提高自动控制水平
①.本设计采用集散型计算机控制系统（DCS）。
以提高装置运行安全可考靠性。
②.设置连锁自保系统，提高装置安全运行的考靠性。
二、制氢工艺设计
1、工艺过程
制氢工艺采用轻烃蒸汽转化法制氢。
转化制氢过程可分为原料净化、轻烃蒸汽转化、CO中温变换等过程。
制氢装置全系统包括原料气压缩、原料气精制、轻烃蒸汽转化、CO中温转换、余热锅炉、PSA等部分。
1.原料气净化是原料气进入精制系统加氢、脱硫反应器，在一定的操作温度、氢气压力和空速条件下，在加氢、脱硫、脱氯催化剂作用下，进行加氢烯烃饱和脱硫、脱氯化学反应，把原料气中有机硫化物、氯化物脱除，烯烃完全饱和。
精制后硫含量可降至0.5PPm，氯含量降至0.2PPM，烯烃含量可降至零。
确保后序催化剂的正常运行。
2.精制原料气进入转化炉炉管反应器，并在一定压力、温度、空速、水碳比条件下，通过转化催化剂作用，原料气与蒸汽进行转化反应，生成氢气和一氧化碳、二氧化碳和少量的甲烷。
3.转化气中含有一氧化碳，进入中变反应器，在一定的温度、压力、空速、水碳比的条件下，通过中温变换催化剂的作用,使CO与水蒸汽进行中温变换反应生成氢气和
CO2。
4.原料蒸汽来源于余热锅炉，一是余热锅炉利用高温转化气，通过E2201蒸汽发生器，利用转化气高温热发生3.5Mpa蒸汽供转化用汽。
二是通过对流段高温烟气加热余热锅炉蒸发段发生蒸汽。
5.中变气进入PSA氢提纯装置，进行变压吸附脱除中变气中杂质，得到纯度99.9%
的高纯度氢气。
2、制氢的反应机理
原料烃中的硫化物以多种形态存在，一般分为无机硫化物和有机硫化物,有些硫化物不能被氧化锌脱硫剂直接反应脱除，必须经加氢生成无机硫化物方可被氧化锌脱硫剂吸附脱除，原料气中有机硫化物一般是指硫醇、硫醚、二硫化物和环状硫化物等，原料气中的硫化物绝大部分是有机硫化物。
加氢脱氯过程是将有机氯转变为无机氯，采用高活性的金属氧化物为活性组分，氯化物反应后，被吸附固定载体上，达到脱出氯化物目的。
硫醇加氢:
R-SH+H2=RH+H2S
硫醚加氢:
R-S-R’+H2=RH+RH+H2S
噻吩加氢:
C4H4S+2H4=C4H10+H2S
氧化锌脱硫：
H2S+ZnO=ZnS+H20
a.烃类的蒸汽转化是将烃类与蒸汽转化为H2和CO少量残余CH4CH4+H20=CO+3H2
CO+H20=CO2+H2
b.CO中温变换是将转化气中的CO与水蒸气继续反应生成CO2和氢气
CO+H20=CO2+H2
3、变压吸附原理
制氢的PSA氢提纯装置就是将含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气的混合气经变压吸附达到对混合气体进行分离提纯氢纯度的工艺过程，该工艺原理是多孔性固体物质内部表面对气体分子的物理吸附。
混合气体中的杂质组分在高压具有较大的吸附能力，在低压下具有较小的吸附能力，PSA装置就是利用这一原理，通过吸附剂对混合气进行循环吸附，解析，达到氢提纯目的。
分子筛对一般气体分子的吸附顺序:
H2 H21.产品纯度高：
对于绝大多数气源，变压吸附几乎都可除去其中所有杂质，得到纯度为99.9%高纯氢。
2.工艺流程短：
对于含有多种杂质的气体，在大多数情况下，变压吸附都可一步将多种杂质脱除而获的高纯氢。
3.原料气适应性强：
对于氢含量从15～98%，杂质包括H2O、N2、O2、CO、CO2、烃类、硫化物、氮氧化合物等复杂气源，均可以利用变压吸附予以提纯。
4.操作弹性大：
变压吸附氢提纯的操作弹性一般可为30～120%。
5.产品纯度易调节：
只需调整运行参数，变压吸附氢提纯装置即可得到各种不同纯度的产品氢。
6.操作简便：
变压吸附氢提纯置流程简单，运行设备少，操作全部自动化，装置容易开停，所用时间较短。
三、 生产工艺过程
1、工艺流程简述
1.原料气压缩部分
来自装置外的0.5MPa催化干气进入原料油缓冲罐（D-2201），经原料气压缩机（K-2201）升压至3.1MPa后进入原料预热炉（F-2201），预热至250℃进入加氢脱硫部分。
2.加氢脱硫部分
经压缩的原料气进入加氢脱硫部分，首先经加热炉预热后进入变温反应器，在其中有机硫加氢转化为硫化氢，烯烃加氢饱和，有机氯的转化反应，该反应器反应放热由壳程导热油取走，使反应器出口温度为250℃左右，然后经绝热反应器R-2201，原料气在加氢催化剂的作用下，反应不完全的烯烃进一步加氢饱和反应及有机硫、有机氯的转化反应，使有机硫转化为无机硫，有机氯转化为无机氯。
然后再进入氧化锌脱硫反应器（R-2202A/B），在氧化锌脱硫反应器中首先进入脱氯阶段，脱除原料中的氯，最后进入氧化锌脱硫段，在此氧化锌与硫化氢发生脱硫反应，脱除原料中的硫，精制后的气体硫含量小于0.5PPm，氯小于0.2ppm，烯烃含量小于1%进入转化部分。
3.转化部分
精制后的原料气在进入转化炉F-2202之前，按一定的水碳比与3.5Mpa的水蒸气混合，再进入转化炉对流段（原料预热段）预热到500℃，由上集合管进入转化炉炉管。
转化炉管内装有转化催化剂，在催化剂的作用下，原料气与水蒸气发生复杂的转化反应，从而产生出氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和水的平衡混合物，整个反应过程表现为强吸热过程，反应热由转化炉燃烧脱附气、高压瓦斯气供给。
出转化炉的高温转化气经转化蒸汽发生器发生中压蒸汽后，温度降350-380℃进入中温变
4.中温变换部分
由转化气蒸汽发生器（E-2201）来的350℃转化气进入中温变换反应器，在中变催化剂的作用下，CO与水蒸汽的发生变换反应后出R-2203，变换气中一氧化碳的含量降至3%左右，同时继续产生氢气，再经锅炉给水第二预热器预热锅炉给水、锅炉给水第一预热器预热锅炉给水换热，经除盐水预热器对除盐水换热，再经中变气空冷器、水冷器降温至40℃，中变气经换热及四级分水后进入PSA部分进行氢气提纯。
5.PSA部分
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