一氧化碳变换反应工艺流程

一氧化碳变换反应工艺流程
一氧化碳变换反应工艺流程
一氧化碳变换流程有许多种,包括常压、加压变换工艺,两段中温变换(亦称高变、三段中温变换(高变、高-低变串联变换工艺等等。

一氧化碳变换工艺流程的设计和选择,首先应依据原料气中的一氧化碳含量高低来加以确定。

一氧化碳含量很高,宜采用中温变换工艺,这是由于中变催化剂操作温度范围较宽,使用寿命长而且价廉易得。

当一氧化碳含量大于15%时,应考虑将变换炉分为二段或多段,以使操作温度接近最佳温度。

其次是依据进入变换系统的原料气温度和湿度,考虑气体的预热和增湿,合理利用余热。

最后还要将一氧化碳变换和残余一氧化碳的脱除方法结合考虑,若后工序要求残余一氧化碳含量低,则需采用中变串低变的工艺。

一、高变串低变工艺
当以天然气或石脑油为原料制造合成气时,水煤气中CO含量仅为10%~13% (体积分数,只需采用一段高变和一段低变的串联流程,就能将CO含量降低至0.3%,图2-1是该流程示意图。

图2-1一氧化碳高变-低变工艺流程图
1-废热锅炉2-高变炉3-高变废热锅炉4-预热器5-低变炉6-饱和器7-贫液再沸器来自天然气蒸气转化工序含有一氧化碳约为13%~15%的原料气经废热锅炉1降温至370℃左右进入高变炉2,经高变炉变换后的气体中一氧化碳含量可降至3%左右,温度为420~440℃,高变气进入高变废热锅炉3及甲烷化进气预热器4回收热量后进入低变炉5。

低变炉绝热温升为15~20℃,此时出低变炉的低变气
中一氧化碳含量在0.3%~0.5%。

为了提高传热效果,在饱和器6中喷入少量软水,使低变气达到饱和状态,提高在贫液再沸器7中的传热系数。

二、多段中变工艺
以煤为原料的中小型合成氨厂制得的半水煤气中含有较多的一氧化碳气体,需采用多段中变流程。

而且由于来自脱硫系统的半水煤气温度较低,水蒸气含量较少。

气体在进入中变炉之前设有原料气预热及增湿装置。

另外,由于中温变换的反应放热多,应充分考虑反应热的转移和余热回收利用等问题。

图2-2为目前中小型合成氨厂应用较多的多段中温变换工艺。

半水煤气首先进入饱和热水塔1,在饱和塔内气体与塔顶喷淋下来的
130~140℃的热水逆流接触,使半水煤气提温增湿。

出饱和塔的气体进入气水分离器2分离夹带的液滴,并与电炉5来的300~350℃的过热蒸汽混合,使半水煤气中的汽气比达到工艺条件的要求,然后进入主热交换器3和中间换热器4,使气体温度升至380℃进入变换炉,经第一段催化床层反应后气体温度升至
480~500℃,经蒸汽过热器、中间换热器与蒸汽和半水煤气换热降温后进入第二段催化床层反应。

反应后的高温气体用冷凝水冷激降温后,进入第三段催化剂床层反应。

气体离开变换炉的温度为400℃左右,变换气依次经过主热交换器、第一水加热器、热水塔、第二热水塔、第二水加热器回收热量,再经变换气冷却器9降至常温后
图2-2 一氧化碳多段中温变换工艺流程
1-饱和热水塔2-气水分离器3-主热交换器4-中间换热器5-电炉6-中变炉7-水加热器
8-第二热水塔9-变换气冷却器10-热水泵11-热水循环泵12-冷凝水泵送下一工序。

三、中低低工艺
上述全低变工艺相比于传统中变工艺和低变工艺具有能抗硫、能耗低等优势,但也暴露出一段钴钼耐硫催化剂怕氧、怕油、易反硫化以及要求气体中硫化氢含量高,容易对设备造成腐蚀等弊病,难以维持长周期稳定生产。

鉴于此提出了“中-低-低”变换工艺,如图2-2所示,变换炉分为三段,各段间均采用气体与热水间接换热降温,一段采用铁-铬系中变催化剂,二、三段用钴-钼耐硫系催化剂。

为了加强热量回收,采用以饱和热水塔为中心,高效段间水加热器相结合的热量回收系统。

图2-3 中低低变换工艺流程
1-饱和热水塔2-水加热器3-气水分离器4-热交换器5-调温水加热器Ⅰ
6-电炉7-变换炉8-调温水加热器Ⅱ 9-冷却塔10-热水泵
四、全低变工艺
近20年来,在变换催化剂和变换技术的工业实践中发现Fe-Cr系中变催化剂的一些问题,最普遍的问题是相当多的中小型化肥厂每年大修时都对中变催化剂进行1/3~1/2不等的更换处理,不仅劳动强度大,而且增加了购买催化剂的费用。

经调查研究发现,无论是中串低工艺还是中低低工艺,Fe-Cr系催化剂都会表现出以下突出的缺点:①活性温度高,导致热损大,蒸汽消耗高,阻力相对也大;②相对于耐硫低变催化剂而言,易粉化,易被硫等毒物中毒,使用寿命
短;③在相同的生产能力前提下,使用Fe-Cr催化剂需要较大型的设备,因此一次性投资和维修费用均高于全低变工艺。

全低变工艺是针对传统中变、低变工艺存在的缺点,使用宽温区的钴钼耐硫低温变换催化剂取代传统的铁铬系耐硫变换催化剂,并且由于催化剂的起始活性温度低,使全低变工艺变换炉的操作温度大大低于传统中变炉的操作温度,使变换系统处于较低的温度范围内操作,入炉的汽气比大大降低,蒸汽消耗量大幅度减少。

但也由于入炉原料气的温度低,气体中的油污、杂质等直接进入催化剂床层造成催化剂污染中毒,活性下降。

全低变工艺流程如图2-4所示。

全低变工艺是将原中温变换系统热点温度降低100℃以上,从而非常有利于一氧化碳变换反应的平衡,实际吨氨蒸汽消耗量仅为250 kg左右,且热回收设备面积小。

该工艺带来的效益是显而易见的,具体优点如下:①原中变催化剂用量减少1/2以上,降低了床层阻力,提高了变换炉的设备能力。

②床层温度下降100~200℃,气体体积缩小25%,降低了系统阻力,减少了压缩机功率消耗。

③换热面积减少50%左右。

④从根本上解决了中变催化剂的粉化问题,改善了催化剂的装卸劳动卫生条件。

⑤提高了有机硫的转化能力,在相同操作条件和工况下全低变工艺比中串低或中低低工艺有机硫转化率提高5%。

⑥操作容易,启动快,增加了有效运行时间。

降低了对变换炉的材质要求,催化剂使用寿命长,一般可使用5年左右。

图2-4 钴钼耐硫系全低变工艺流程图
1-饱和热水塔2-水加热器3-气水分离器4-热交换器5-电炉
6-变换炉7-调温水加热器8-锅炉给水加热器9-热水泵
近年来开发的无饱和塔全低变流程的优点更为明显,从根本上杜绝了设备的腐蚀,减少了因变换腐蚀而导致的停车,设备减少,系统的阻力降低,压缩机出力提高,减少了原饱和塔循环热水泵的用电,降低了热水排放的能耗,减轻了对设备的腐蚀,更重要的是提高了有机硫的转化能力。

因为在传统的饱和热水塔工艺中,煤气中的各种有机硫通过循环热水溶解,再通过变换气释放出来。

无饱和塔流程可以解决这个问题,不仅精脱硫中的有机硫转化部分可以去掉,同时煤气中非COS等有机硫也不会串到后工段,对甲烷化或合成催化剂是极为有利的。