小合成氨厂低温变换工段工艺设计资料

《化工工艺设计任务书》变换工艺设计说明书设计题目小合成氨厂低温变换工段工艺设计课题来源小合成氨厂低温变换工段工艺设计变换工段化学工艺设计标准变换工段在合成氨生产起的作用既是气体净化工序，又是原料气的再制造工序，经过变换工段后的气体中的CO含量大幅度下降，符合进入甲烷化或者铜洗工段气质要求。

要求：1.绘制带控制点的工艺流程图2.系统物料、能量衡算3.系统主要设备能力及触媒装填量核算4•该工段设备多，工艺计算复杂，分变换炉能力及触媒装填量核算、系统热量核算和系统水循环设备及能力核算。

变换工艺流程低压机四段来的半水煤气压力 2.0 MPa，温度40C的半脱气经热水洗涤塔除去气体中的油污、杂质，进入饱和塔下部与上部喷淋下来的166〜175 C的热水逆流接触，进行传质传热，使气体中的水汽含量接近饱和，从塔顶出来到蒸汽喷射器，补入外管来的高压蒸汽，进一步提高气体的温度和水气比，使出0/干气=0.6〜0.7。

达到变换所需的液气比值。

接着气体进入半水煤气换热器I,半水煤气换热器n管内加热，温度升至300 C,经过加压电炉进入中变炉内。

中变炉触媒分三段，每段各装一层触媒，上段出口变换气CO含量13〜15%，温度437C，通过甲烷化加热器壳程换热和增湿器降温，增湿温度降至370C进入中变二段，二段出口CO变换率8〜9%，温度403 C进入增温器，三段出口变换气中，CO 3〜3.5%，温度386C，经过半水煤气换热器n和半水煤气换热器I的管间，加热进中变的半水煤气，温度降至285C 然后进入一水加热器被管内的循环热水降温至185C,进入低变炉进行低温变换。

低变炉触媒分上、下两段，每段各层一层耐硫变换催化剂，上段出口变换气温度222C，含CO 0.5〜0.6%，进入段间冷却器管间，温度降至190C，进入低变炉下段反应，出口变换气温度232 C,含CO 0.2〜0.3%，进入二水加热器降温后，温度170 C进入热水塔与饱和塔底出来的热水逆流接触，进行传质传热，进一步降温并回收热量，147C的变换气接着又进入脱盐水预热器管内与来自脱盐水站的脱盐水换热后进入变换气水冷器管间，出来后温度降至40 C,在变换气水分离器内，分离冷凝水后去变脱工段。

变换工段化学工艺设计原则1.入工序气体流量：6000kmol/h （干基）压力：2.47Mpa温度：40 C2.入口气体组分：CO%=2.01% CO2%=10.95% 出％=41.49% 2%=13.93% CH4%=0.21% H2O%=31.23% Ar=0.18 %（体积比）3.出口气体组分：CO% < 0.34% （体积比）目录1.前言................................................................ 1.1.1.变换气反应原理................................................ 1.1.2.CO变换反应的化学平衡的影响因素： (3)1.3.CO低温变换催化剂............................................. 4.1.4.工艺流程简述.................................................. 5.2.物料及热量衡算 ..................................................... 7.2.1.设计条件...................................................... 7.2.2.低温炉变换第I段催化剂层物料及热量衡算 (7)2.2.1.低温变换第I段催化剂层 H20/干气 (7)2.2.2.低温变换第I段催化剂层CO的平衡转换率计算 (8)2.2.3.出口温度校核............................................ 8.2.2.4.低温炉变换第I段催化剂层物料及热量衡算 (9)2.3.第二变换炉第U段催化剂床层物料及热量衡算 (9)2.3.1.第二变换炉第二段催化剂层CO的平衡转化率计算 (10)2.3.2.第二变换炉第二段催化剂热量衡算......................... 1 02.3.3.平衡温距校核.......................................... 1.13.主要设备计算 ...................................................... 1.23.1.低变换炉的计算 (12)3.1.1.低温变换第一段催化剂用量计算........................... 1 23.1.2.第二变换炉第二段催化剂用量计算......................... 1 33.2.煤气换热器的计算 (14)3.2.1.设备直径及管数确定..................................... 1.43.2.2.设备规格的确定 (15)3.2.3.传热系数计算 (16)3.2.4.传热面积计算 (20)3.2.5.列管长度的计算 (20)4.主要设备一览表 (21)5.主要参考文献 (22)丄、F 亠一—1.刖言合成氨生产常用的原料包括：焦碳、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油。

不论以固体、液体或气体为原料，所得到的合成氨原料气中均含有一氧化碳。

固体燃料气化所得半水煤气中的一氧化碳含量为28%~30%，烃类蒸汽转化为12%~13%,焦炉转化气为11%~15%，重油部分氧化为44%~48%。

一氧化碳的清除一般分为两次。

大部分一氧化碳，先通过变换反应，即在催化剂存在的条件下，一氧化碳与水蒸气作用生成氢气和二氧化碳。

通过变换反应，既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时，又可制得与反应了的一氧化碳相等摩尔的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。

因此，一氧化碳的变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。

最后，残余的一氧化碳再通过铜氨液洗涤法、液氮洗涤法或甲烷化法等方法加以清除。

变换工段是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。

目前，变换工序主要有全低变”工艺和中低变”工艺，此次设计运用的是中低变串联”工艺是90年代在我国小合成氨厂开始使用的，是从“中低变”演变而来，使用低温活性较好的 B302Q、B303Q等耐硫变换催化剂，各段进口温度均在200 C左右。

经过几年的发展，随着耐硫低温催化剂的开发利用，“全低变”的工艺和设备不断完善，操作水平也进一部提高，目前“全低变”工艺已进入成熟阶段。

该工艺具有蒸汽消耗低、系统阻力小、生产强度大等优点。

1.1.变换气反应原理合成氨生产需要的原料气是 H2和N2,而半水煤气中含有约30%左右的CO, 需要将其除去。

变换工段的目的就是将半水煤气中的 CO除去，在本质上是原料气净化的一个过程。

为了将 CO除去，工业上采用的方法是：在催化剂存在的条件下，利用较为廉价的水蒸气与 CO反应，生成H2和CO2。

原料气中的一氧化碳与水蒸汽的变换反应可用下式表示：CO + H O C2O 尹Q ( 1-1}此反应为可逆放热反应，反应热为 40964 J/mol,当开车正常生产后，即可利用其反应热来维持过程的继续进行。

在一般情况下，一氧化碳与水蒸汽直接进行反应，其变换反应的速度是很慢的，如果用催化剂催化，则可以加快反应速度，大大有利于变换反应的进行。

随着一氧化碳变换反应的进行，伴随着微量的副反应发生，主要有如下几种:（1）甲烷的生成CO 3H 2 二CH 4 H 2O QCO 3H 2 二CH 4 H 2O QCO 2 4H 2 = CH 4 2H 2O Q（2） 一氧化碳的分解反应2C0 二 C CO 2 Q（3） 有机硫的转化反应COS H 2 二 CO H 2SCOS H 2O =CO 2 H 2SCS 2 2H 2O 二 CO 2 2H 2SCO 变换反应化学平衡一氧化碳和水蒸汽的变换反应系可逆反应。

CO H 2O = CO 2 H 2 Q其平衡常数为: ., y CO y H 2 rCO C H 2K P - ■ y CO y H 2O r CO rH 2O(1-9) 式中：yi --- 各组分的摩尔分数r ――气体的逸度系数Kp ―― CO 的平衡常数 由于小合成氨厂的变换反应多在压力的，其逸度系数接近于1,即:则式（1-9）可简化为:、,y C°2 y H 2 F CO PH 2K P -- - y CO y H 2O P CO PH 2O (1-2) (1-3) (1-4) (1-5) (1-6) (1-7) (1-8) <2.0 MPa,温度为180〜250 C条件下进行 r CO 2 rH 2 r CO rH O二 k r =1(1-10) (1-11)式中，Pi--各组分的分压由于变换反应是一个放热反应，考虑平衡常数是温度的函数，且随温度的升高而降低。

平衡常数与温度关系的表达式很多，数值各不相同，这是由于恒压热容等基础热平衡数据不同所致。

本设计可采用下面的公式计算[1]。

2185 3 7 2lg K P0.11021lgT 0.6218 10 -1.0604 10”T2-2.218T（ 1-12）式中，T――温度，K5025.163 3 7 2K p =exp（0.09361 n T 1.4555 10_T-2.4887 10"T -5.2894）T（ 1-13）在变换范围内，平衡常数也可用下面简化式计算：4757lnK P 4.33T（ 1-14）式（1-14）在低温下计算出的 Kp与式（1-⑵及（1-13）相差较大，温度越高误差越小。

1.2.CO变换反应的化学平衡的影响因素：a.温度温度对变换反应的影响较大：温度升高，反应速度加快。

从化学平衡来看，降低反应温度，增加蒸汽用量，有利于反应向生成氢气和二氧化碳的方向进行，可以提高CO平衡转化率。

在变换反应的初期，反应物浓度高，提高反应温度，可加快正反应；在变换反应的后一阶段，二氧化碳和氢气的浓度增加，逆反应速度加快，因此，须设法降低反应温度，使逆反应速度减慢，这样可以得到较高的变换率。

但降低温度也减慢了反应速度，降低了催化剂的生产能力，应综合考虑。

对于一氧化碳含量较高的半水煤气，开始反应时，为了加快反应速度，一般要在较高的温度下进行，而在反应的后一阶段，为了使反应比较完全，就必须使温度降低一些，工业上采取的两段中温变换就是根据这一概念设计确定的。

对于一氧化碳含量在2%—4%的中温变换气体，只需要在 230 C左右，用低温变换催化剂进行低温变换。