年产36万吨合成氨一氧化碳变换工段工艺设计

摘要

本设计为年产36万吨合成氨一氧化碳变换工段工艺设计。变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用。介绍氨的基本性质和用途，阐述了变换工段工艺发展概况，优化了合成变换的工艺流程。确定本设计采用中变串低变的工艺流程，本次设计利用 ASPEN PLUS V.11对设计过程进行模拟，统筹多种因素合理安排合成工艺中的各种设备及其形式、参数，通过 ASPEN 软件中的 Simulation、Energy analysis 模块完成各部分及全过程的物料及能量衡算。并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算，做出了合成氨变换工段中变串低变的工艺流程图和设备布置图。所得结果基本满足设计要求，工艺流程可行。

关键词：合成氨一氧化碳 ASPEN PLUS V.11 中低温变换

第一章绪论

1.1氨的基本性质

氨（Ammonia），一种氮和氢的化合物，NH

是一种无色气体，有强烈的刺激性

3

气味，易溶于水，室温和大气压力1体积的水可以溶解700倍体积的氨，水溶液也称为氨水。它被冷却加压成液体，液氨是一种制冷剂。氨也是制造硝酸、肥料和炸药的重要原料。氨对地球上的生命很重要，它是许多食物和肥料的重要成分，氨水也是所有药物的直接或间接成分。氨有多种用途，但也有腐蚀性和其他危险性。由于其广泛的用途，氨是世界上最大的无机化合物生产商之一，其中80% 以上用于制造化肥。氨也是路易斯碱，因为它提供了孤对电子。

1.2 一氧化碳变换反应的意义与目的

在合成氨的生产过程的原料中存在着有害的一氧化碳成分，因此就要除去一氧化碳，在这一过程中CO变换起着至关重要的作用。反应所需的反应气来自天然气，但是天然气中含有一氧化碳成分。在合成过程所需的原料，不能用一氧化碳，

因为毒害作用，会使催化剂失效。因此必须除去CO成分，这一目的需要在催化剂

的促使下通过变换反应来完成。使用催化剂的情况下，发生CO+H

2O=CO

2

+H

2

反应。通

过该反应，既去除了大部分的一氧化碳，又制得了等量的氢，消耗的也只是水蒸气。那么，这一反应即消除了一氧化碳纯化了原料气体，又是原料气的再生。最终使一氧化碳的量净化降低至3%左右。总之，利用一氧化碳变换工段，既减少了污染，又节约了成本，具有很好的经济效益和实用效果[1]。

1.3 设计依据

经过各个大中小型企业经过多年的摸索研究，合成氨的发展现在已经具备了一套成熟的化学生产工艺。整个合成氨工艺大致可分为四个阶段，即造气、净化、压缩、合成。初始的反应气中通常存在着很多的的碳，因为一氧化碳对反应催化剂有毒，所以需要在进入氨合成工序之前将其中的CO经变换工艺将其转变为CO

2

除去。

合成所需要的H

2

。因此，CO变换即消除了一氧化碳纯化了原料气体，同时是原料气的再生。行如果仍然存在少量的CO，可以将氨溶解于水中，形成氨水，达到洗涤除去的目的。变换工段是借助于一定温度，特定的催化剂，使一氧化碳与水蒸气发生反应生成有效气体氢气与二氧化碳。在各个大中小型企业中发挥了至关重要的作用。

在这里采取中串低变的方法，中串低变这一概念是从上世纪80年代流的。中变串低变是在B109,B1113,B114,B115等作为催化剂的前提下，以铁-铬系催化剂为主要添加物，然后再串进钴-钼系宽变催化剂的工艺。这一工艺使反应所需的条件发生了很大的变化。一方面最大程度的降低了入炉蒸汽比，另一方面又最大程度的降低了出炉气体中的CO含量。因为中变后钴-钼系宽变催化剂的串入，不仅使反应所需的条件发生了很大的变化，而且还大大降低了能耗，更方便了变换系统操作。

1.4 变换工艺的选择

变换工艺主要有 4 种：全中变、中串低、全低变和中低低。对于每一种变换工艺，由于采用不同的热回收方式而使变换工艺流程及设备结构有所不同。合理选

择变换工艺应考虑以下因素：半水煤气、水和蒸汽的质量；半水煤气中硫化氢含量；变换气中 CO 含量要求；对变换后续工段的影响；企业现有的管理水平和操作水平。中变段间的热回收方式最主要有 3 种：煤气冷激、中变炉内喷冷激和中变炉外喷水增湿。中变段间煤气冷激与中变炉内喷水冷激两种中低工艺流程各有优缺点。现比较如下面：

① 节能效果：段间喷水热回收率高，直接将段间高位能转化为蒸气，增加了汽气比，降低了蒸汽消耗，节能效果比段间煤气冷激要好。

② 设备：段间喷水冷激需在中变炉内设置蒸发层和喷头，这样与煤气冷激相比中变炉的结构就更为复杂，设备高度亦需增加，煤气冷激流程有部分半水煤气不经过主热交换，因此主热换热面积也比炉内喷水流程要小。

③ 操作运行：煤气冷激流程操作简单，但需防止中变下段发生偏流，造成床层漏氧，引起低变一段催化剂中毒失活，炉内喷水冷激操作要求高，冷激水最好能用脱氧软水，喷水冷激装置既要达到所需的喷淋量，又要保证雾化好，以免中变下段催化剂粉化和结块。

通过以上比较，中变炉内喷水冷激流程具有节能，运行费用低等优点，中变段间煤气冷激流程具有操作简单、投资省等优点。因此本设计采用中变－低变串联流程，且中温变换炉采用段间煤气冷激流程。

第二章工艺原理和流程

2.1 工艺原理

CO变换反应式为：

CO+H

2O=CO

2

+H

2

+Q (2-1)

CO+H

2 = C+H

2

O (2-2)

以上是两次反应，(2-1)式是主要反应。反应为可逆变化，为了避免反应反方向进行，进一步提高反应生成目的产物的效率，在合成氨过程中加入拥有良好选择性的催化剂。

(2-2)式是低温变换反应，也是(2-1)的副反应。通过两次变换，一氧化碳含量减少到0.3%，从而纯化了原料气体，达到了优质、高效、节能、减排的目的。