1、畢業論文綜述92kt/a合成氨變換工段初步設計文獻綜述學 生：學 號：專 業：班 級：指導老師：四川理工學院材料與化學工程學院二。年11月文獻綜述氨是一種重要的化工產品，主要用于制造尿素、硝酸鏤、磷酸鉞、硫酸鉉以及其他化 工產品，而且隨著世界人口的不斷增長氨的用量還會不斷的增多。合成氨生產經過多年的 發展，生產工藝己經發展的比較成熟，現在的發展趨勢是大型化，以及節能和環保。合成 氨的生產主要分為：原料氣的制取；原料氣的凈化與合成。在合成氨生產中，CO可以使氨合成觸媒中毒，對生產極為不利，必須除去。而 變換工段作用就是除去CO從而獲得有效氣體H2。變換工段是指CO與水蒸氣反應生成二 氧化碳和氫氣

2、的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。因此，CO變換既是原料 氣的凈化過程，乂是原料氣造氣的繼續。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換 串聯甲烷化法加以脫除【1】0變換工段是指CO與水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起 著非常重要的作用。1. 1變換工藝流程的應用現狀:目前，合成氨的變換工藝流程主要有中（高）變-低變串聯流程、多段變換流程、中 低低變工藝、全低變流程。由于現在原料氣中C。含量較高，大多數合成氨廠主要采用的 是中（高）溫變換中低變，但是隨著80年代中國在開發成功耐硫的Co-Mo催化劑的基礎上, 乂開發了適用于全低變工藝的寬溫耐硫催化劑，例如B30

3、3Q,全低變工藝從1990年實現工 業生產后，經過幾年的實踐獲得成功，并在中小型氨廠中推廣適用。全低變工藝流程還是 有很好的發展前景。1.2各變換工藝的特點:1.2.1 中（高）變-低變串聯用此流程時，一般與甲烷化方法配合。所謂中變串低變流程，就是在B107等Fe-Cr系催化劑之后串入Co-M。系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬 變催化劑的串入，操作條件發生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低: 另一方面變換氣中的C0含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統的 操作彈性大大增加，使變換系統便于操作，也大幅度降低了能耗【1】。變換反應為放熱 反應，中低低工藝

4、較好地滿足了工藝設計中“高溫提高反應速度，低溫提高轉化率”的基 本原則，利用中變的高溫來提高反應速度，脫除有毒雜質（如氧等），同時由于中變催化 劑價格低，節約資金，利用兩段低變來提高轉化率實現節能降耗，這樣充分發揮了中變催 化劑和低變催化劑的特點。1. 2. 2多段變換流程以煤氣化制得的合成氨的原料氣，C0的含量較高，需要采用多段變換，而且由于進入 系統的原料與濕度比較低，流程中設有原料氣預熱及增濕裝置。對于小型合成氨廠，因采 用銅氨液最終清洗C0,該法允許變換氣CO含量較高，故不設低溫變換。一般變換爐分為 三段，一、二段間冷卻降溫，二、三段間冷卻用用蒸汽間接換熱，將飽和蒸汽變為過熱蒸汽，這對

5、缺乏過熱蒸汽的小型氨廠尤為合適, 使用過熱蒸汽可顯著的減輕熱交換器的腐蝕【1】。1. 2. 3全低變工藝全低變工藝是指全部適用寬溫區的鉆鉗系耐硫變換催化劑，不再用中底變催化劑，這 是變換工藝80多年發展的一次飛躍。目前全低變工藝流程有兩種：一種是新設計的；一 種是將原有中小型裝置加以改造的。全低變工藝為一種節能新工藝，具有能耗低，在相同 條件下其反應溫度低，設備生產能力大的優點。但全低變工藝催化劑活性下降快，使用壽 命相對較短。基于此，一般在一段入口前裝填保護劑和抗毒催化劑，從而起到保護低變觸 媒的作用。這樣可防止觸媒老化，使用壽命縮短，系統阻力升高較快等問題的出現。80年 代中國在研究Cof

6、fo催化劑的同時，有開發了使用與全低變工藝的寬溫耐硫催化劑，例如 B303Q.全低變工藝從1990年實現工業化后，經過幾年的實踐獲得了成功，并在中小型氨 廠推廣使用【1】。1. 2. 4中低低工藝中低低工藝主要是變換原反應為放熱反應，它叫好的滿足了工藝設計中“高溫提高反 應速率，低溫提高轉化率”的基本原則，利用中變的高溫來提高反應速率，脫除有毒雜質 （如氧等），同時由于中變催化劑價格低，節約資金，利用兩段低變來提高轉化率實現節 能降耗，這樣充分的發揮了中變催化劑和低變催化劑的特點1工藝原理：一氧化碳變換反應式為：C0+H20=C02+H2+Q（1-1）C0+H2 = C+H20（1-2）其中反

7、應（1）是主反應，反應（2）是副反應，為了控制反應向生成目的產物的方向 進行，工業上采用對式反應（1-1）具有良好選擇性催化劑，進而抑制其它副反應的發生。一氧化碳與水蒸氣的反應是一個可逆的放熱反應，反應熱是溫度的函數。變換過程 中還包括下列反應式：H2+02=H20+Q1. 2. 5中低低工藝與全低變工藝的比較從目前情況來看，中低低與全低變各有利弊：中低低實現了觸媒活性溫度的最佳組合, 創造出能耗、阻力及操作的理想效果。而全低變則有能耗低、相同產能下設備小的優點，但操作相對復雜。鑒于目前合成氨企業規模日大，企業的管理水 平、職工的操作水平也相應提高，故全低變工藝前景看好。1.3工藝條件:1.3

8、. 1壓力:壓力對變換反應的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應易 于進行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學角度，在一定的溫度下，對同一種催 化劑，隨著壓力的增加，校正系數增加，加壓可提高反應速率。加壓對低變催化劑也有相 似的影響。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數小于干變換氣的摩爾數, 所以，先壓縮原料氣后再進行變換的能耗，比常壓變換再進行壓縮的能耗底。而加壓就要 求設備的材質更加好。但是總的來說加壓還是有利的。具體操作壓力的數值，應根據中小 型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨 廠操作壓力為0. 7-1. 2

9、MPa,中型氨廠為1. 21. 8MPa0而天然氣為原料的合成氨廠的壓力 還是由轉化壓力來決定的。本設計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉化而來，故壓力 可取 1. 7MPa 1 o1. 3. 2溫度：溫度是變化反應中最重要的工藝條件。變化反應是可逆放熱反應，隨著反應的進行溫 度不斷升高，從反應動力學的角度來看，溫度升高，反應速率常數增大對反應速率有利, 但平衡常數隨溫度的升高而變小，即C0平衡含量增大，反應推動力變小，對反應速率不 利，可見溫度對兩者的影響是不一樣的。因而在著最佳反應溫度對一定催化劑及氣相組成，從動力學角度推導的計算式Tm=TeRTeE21?lnE2?ElEl式中Tm、Te-

10、分別為最佳反應溫度及平衡溫度，最佳反應溫度隨 系統組成和催化劑的不同而變化。但是反應溫度的確定是需要多方面的考慮的。首先應該在催化劑的活性范圍內，應該 防止溫度過高造成催化劑的有效成分的燒結降低催化劑的活性：其次是隨著催化劑的使用 時間的增加，由于老化、粉碎等原因，操作溫度可以適當的提高；最后應該采用分段冷卻 的方式來控制來接近最佳反應溫度【1】。1.3. 3汽氣比：水蒸汽比例一般指H20/C0比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是工業變換反應 中最主要的調節手段。增加水蒸汽用量，提高了 C0的平衡變換率，從而有利于-降低C0殘 余含量，加速變換反應的進行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中

11、活性組分Fe304的 穩定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應不易發生，從而降低了 C0的殘余量，加 速了變化反應的進行。而且改變水蒸氣的用量是調節床層溫升的有效手段。但是，汽氣比 不是越高越好，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標，盡量減少其用量對過程的經濟性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；co停留時間縮短， 余熱回收設備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=3 5,經反應后，中變氣中H2O/CO可達15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求1 O1.4 工藝流程確定：目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低4種工藝。

12、工藝流程的設計依 據主要是原料氣中CO的含量。含量高就采用中高變換，因為中高變化中的催化劑操作溫 度范圍較寬，而且比較經濟；然而大多數的原料氣中CO的含量都高于10垢故都可以通過 中高溫變化來除去大多數的CO,反應為放熱的，考慮的溫升會影響催化劑的活性，所以大 多中變爐都分為二到三段。乂考慮到出口對CO殘余量的要求不同，多數情況是和低變一 起用的。鑒于本次設計是以天然氣為原料，CO的含量比較適合使用中低變串聯，來使出口 CO的量比較低。含13%到15%C0的原料氣經廢熱鍋爐中變換氣從920降到330C,在廢 熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達到3到5之間，但是原料氣中的水蒸氣含量較高可以不 加入蒸

13、汽，以后再進入中變爐將轉換氣中一氧化碳含量降到3%左右，溫度為425到450度 時，再通過中變廢熱鍋爐，將轉換氣的溫度降到180c左右，進入低變爐將轉換氣中一氧 化碳含量降到0.3%以下，再進入甲烷化工段【1】o1.5 對本設計評述：天然氣變換工段工序是合成氨生產中的第一步，也是較為關鍵的一步，因能否正常生 產出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運轉的前提條件。因此,必須控制一定的工藝 條件，使轉化氣的組成，滿足的工藝生產的要求。在本設計中，根據已知的天然氣組成， 操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。根據計算結果對主要設備中變爐，主換熱器，調溫首先對中，低變進行了物料和熱量衡算，在計算的基礎上, 選型，最終完成了本設計的宗旨。設計中一共有中溫廢熱鍋爐, 水換熱器，低變爐幾個主要設備。參考文獻1陳五平.無機化工工藝學M.第三版.北京：化工工業出版社，2002.4 2陳廣愛. 小型合