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2013届本科生毕业论文 年产5万吨合成氨变换工段工艺设计  PAGE 25 年产5万吨合成氨变换工段工艺设计 顾雪飞 (化学与生命科学学院 09级化学工程与工艺班) 指导老师：周丹红 摘要：合成氨的生产过程中，有大量的CO常含在粗原料气中， CO必须进行净化处理，因为它是合成氨催化剂的毒物，因此，通常先经过CO变换反应，使其转化为氨合成所需要的H2和易于清除的CO2。所以，CO变换不仅为原料气的净化过程，而且为原料气造气的继续。最后，或是低温变换串联甲烷化法对少量的CO加以脱除。本设计为年产5万吨合成氨的变换工段，此设计选用中变串低变工艺流程，从物料衡算、热料衡算、工艺论证以及设备选型这些工艺进行了较为详细的设计计算，为年产5万吨合成氨的变换工段工艺流程进行了初步设计。 关键词：合成氨；变换工段；工艺流程；设计 引言 氨是一种重要的化工、医药原料，它是由氮和氢合成。合成氨工业是氮肥工业的基础。一般均以各种燃料为原料生产氨，合成氨像大型化、集成化、自动化，形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向[1]。在合成氨的装置大型化的技术开发过程中，焦点主要集中在关键性的工序和设备，即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机[2]。 变换工段是指水蒸气与CO反应生成氢气和二氧化碳的过程[1]。 中变串低变的工艺流程，是从80年代中期发展起来的，在B107等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-Mo系宽温变换催化剂[3]，由于宽变催化剂的串入，在中变串低变流程中，操作条件发生了较大的变化。一方面变换气中的CO含量也大幅度降低；另一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性被大大增加，使变换系统被便于操作，也大幅度降低了能量的消耗。 工艺原理 一氧化碳变换反应式为： CO+ H2O= CO2+ H2+Q (1-1) CO+ H2 = C+ H2O (1-2) 其中反应（1）是主反应，反应（2）是副反应，为了控制目的产物的生成，工业上采用对式反应（1-1）具有良好选择性的催化剂，进而其它副反应的发生被抑制[4]。 水蒸气与一氧化碳的反应是一个可逆的放热反应，温度的函数是反应热。 下列反应式也包括在变换过程中： H2 + O2=H2O+ Q 工艺条件 1.压力：  压力对变换反应的平衡的影响几乎没有。但是提高压力易于副反应的进行，如析炭和生成甲烷等。在平衡方面加压并无好处。但从动力学角度可提高反应速率。从能量消耗上看，加压也是有利。由于干变换气的摩尔数大于干原料气摩尔数，因此，变换的能耗应在压缩原料气之后，没常压变换再进行压缩的能耗高。根据中小型氨厂的特点，确定具体操作压力间的合理配置。 2.温度：  变化反应是可逆放热反应。从反应动力学的角度来看，温度降低，反应速率常数减小对反应速率不利，但平衡常数随温度的降低而变大，即CO平衡含量减小，反应推动力变大，对反应速率有利，可见温度对两者的影响是相反的，因而存在着最佳反应温对一定气相组成及催化剂，从动力学角度推导的计算式为[5]： Tm= 式中Te、Tm—分别为平衡温度及最佳反应温度，最佳反应温度随催化剂和系统组成的不同而变化。 3. 汽气比  水蒸汽比例一般指水蒸汽/干原料气或H2O / CO比值。工业变换反应中最主要的调节手段是改变水蒸汽比例，水蒸汽用量增加的， CO的平衡变换率也被提高了，从而有利于降低CO残余含量，变换反应的进行被加速，因为过量水蒸汽的存在，保证了催化剂中活性组分Fe3O4的稳定而不被还原，并使副反应不易发生，如析炭及生成甲烷等[1]。但是，变换过程中最主要消耗指标是水蒸气用量，用量的尽量减少对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果偏低，将使催化剂床层阻力减小；CO停留时间增长，余热回收设备附和减轻等，因此，一般适宜中（高）变换的水蒸气比例为：H2O /CO=3～5，经反应后，中变气中H2O /CO可达15以上，不必再添加蒸汽，低温变换的要求即可被满足。 工艺流程确定 现在的变化工艺有：中串低，中低低，中温变换及全低4种工艺，中串低工艺在本设计中选用，中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、饱和热水塔、换热器等[5]。转化气从转化炉进入废热锅炉，在废热锅炉中变换气从920℃降到330℃，使汽气比达到3到5之间需在废热锅炉出口加入水蒸汽，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量被降到3%以下。再将转换气的温度降到180℃左右通过换热器，进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到0.3%以下，再进入甲烷化工段[3]。 1 变换工段物料及热量衡算8 1.1 已知生产