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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）。天然气工艺技术目前最可靠，天然气合成氨工艺成熟、生产可靠、连续。煤头技术中，固定层气化流程，虽然工艺成熟，但气化消耗高，环保污染严重、难以达标、厂区环境恶劣；水煤浆气化技术对煤种要求特别高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔点、固定碳含量。 1.4.2 工艺流程的选择
本设计主要是转化和变换工序的工艺设计，所选流程为：
天然气 压 缩 脱 硫 一段转化 二段转化 高温变换 低温变换 水蒸气 压 缩 空气 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的第一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的变换气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。在本设计中，甲烷和其他烃类转化为CO和H2的转化工序采用的是两段炉催化转化，经过二段转化后，甲烷含量约为0.5%左右。CO变换工序采用了高变串低变的工艺流程路线，经过低温变换后的气体中CO含量为0.4%左右。 1.4.3 工艺参数的确定
以天然气为原料合成氨生产装置转化变换工序设计，其主要参数是一、二段转化工艺和CO高-低变串联流程的温度和压力。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℃左右的条件下配入中压蒸汽达到水碳比为3.5（R=3.5），进入一段转化炉的对流段加热，气体一边加热一边反应，出反应管的温度在822℃左右，最后沿集气管中间的上升管上升，继续吸收一些热量，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，也配入少量水蒸气，然后进入对流段的工艺空
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气加热盘预热到480℃左右，进入二段炉顶部与一段转化气汇合，在顶部燃烧区燃烧、放热，温度升到1200℃左右，在通过催化剂床层时继续反应并吸收热量，离开二段转化炉的温度约为1000℃左右，压力为3.0 MPa，所得混合气残余甲烷含量约为0.3％。
经二段转化后的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。从第二换热器出来的气体继续送往变换工序处理。
含CO的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，一般不需要加蒸汽）。经高变处理后，气体中CO降到3.0％左右，温度为425～440℃。气体通过高变废热锅炉，冷却到336℃左右，锅炉产生10.0MPa的饱和蒸汽。由于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 工厂的选址
本设计合成氨厂选址为位于宁夏回族自治区灵武市境内的宁东能源重化工基地。该化工基地有着得天独厚的优势：
（1）天然气资源优势 该基地临近陕甘宁天然气田，此气田是我国迄今探明的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，二期管线正在规划建设中。
（2）水资源优势 基地位于黄河东畔，中心区距黄河仅35公里左右，2003年底开工建设的宁东供水工程，预计2005年5月建成通水，总供水量为15970万立方米，能为基地提供充足的水源保障。
（3）交通优势 四通八达的道路交通是基地的一大突出优势，银川-青岛高速公路及307国道横贯基地；大古铁路连接包兰、宝中铁路与京包、陇海线连通可辐射全国，即将开工建设的银川-太原铁路又形成一条横穿基地的外运大通道；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、兰州等重要城市。
（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，有成片的发展用地，为工业建设提供了广阔的土地资源。
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（5）区位优势 基地位于陕、甘、宁、蒙毗邻地区，西与自治区首府银川市隔黄河相望，东与开发中的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 宁夏目前无拉闸限电之虞，2004年宁夏电网统调装机容量达到366万千瓦，而且基地规划建设的八大电厂将形成千万千瓦级的火电基地，这些都将为基地提供充足的电力供应。
（7）政策优势 随着西部大开发战略的深入推进，国家实施重点支持西部大开发的政策措施，以及自治区、银川市全面改善投资环境的重大举措，为基地建设提供了强有力的政策支持。
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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）组成如下表： 组 分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 ∑干
循环氢气组成如下表：
组 分 N2 H2 Ar CH4 合 计
出加氢器气体组成如下表：
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mol（干）％ 89．00 5．00 4.00 1.00 0.80 0.20 100.00
kmol/h 996.80 56.00 44.80 11.20 8.96 2.24 1120．00
kg/h 15948.80 1680．00 1971.20 649.60 645.12 62.72 20957.44
kmol/h 19.50 58.30 0.20 0.80 78．80
kg/h 545 117 9 13 684
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组 分
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2 Ar 合 计
2.1.1 一段转化炉的物料衡算
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的含量分别为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
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mol（干）％
83.2165 4.6713 3.7371 0.9343 0.7474 1.8134 4.8632 0.0167 100.00
kmol/h 997.6 56 44.8 11.2 8.96 21.74 58.3 0.2 1198.8