合成氨工艺

一、设计（论文）的要求：

1、说明书 包括前言，合成氨变换工段工序原理，工艺条件

及工艺流程确定，以及主要设备的选择说明，对本设计的评

述。

2、计算部分 包括物料衡算，热量衡算，有效能利用率计算，主

要设备计算。

3、图纸 带控制点的工艺流程图。

二、设计（论文）的原始数据：

天然气成分：以鸿化厂的实际工作数据为依据来进行。

年工作日330天,其余数据自定。

三、参考资料及说明：

《化工工艺设计手册》（上、下册）、《氮肥工艺设计手册》理化数据、《化肥企业产品能平衡》、《小合成氨厂工艺技术与设计

手册》、《合成氨工学》、《化工制图》、《化工原理》、《化

学工程》、《化工设计概论》以及关于氮肥的其他相关杂志。

目录

1. 前

言………………………………………………………………………………

4

2. 工艺原

理…………………………………………………………………………

4

3. 工艺条

件…………………………………………………………………………

5

4. 工艺流程的确

定 (6)

5. 主要设备的选择说

明 (6)

6. 对本设计的综

述 (6)

第一章 变换工段物料及热量衡算 (8)

第一节 中变物料及热量衡算 (8)

1．确定转化气组

成 (8)

2．水汽比的确

定 (8)

3．中变炉一段催化床层的物料衡

算 (9)

4．中变炉一段催化床层的热量衡算 (11)

5．中变炉催化剂平衡曲线 (13)

6. 最佳温度曲线的计算 (14)

7．操作线计算 (15)

8．中间冷淋过程的物料和热量计算 (16)

9．中变炉二段催化床层的物料衡算 (17)

10.中变炉二段催化床层的热量衡算 (18)

第二节 低变炉的物料与热量计算 (19)

第三节 废热锅炉的热量和物料计算 (24)

第4节 主换热器的物料与热量的计算 (26)

第五节 调温水加热器的物料与热量计算 (28)

第二章 设备的计算 (29)

1. 低温变换炉计算 (29)

2. 中变废热锅炉 (31)

参考文献及致

谢 (35)

前言

氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。合成氨的生产主要分为：原料气的制取；原料气的净化与合成。粗原料气中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过CO变换反应，使其转化为易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。因此，CO变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。最后，少量的CO用液氨洗涤法，或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。

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。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。

目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程，这是从80年代中期发展起来的。所谓中变串低变流程，就是在B107等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-Mo系宽温变换催化剂。在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的CO含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。

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，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应（1—1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。

一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。

变换过程中还包括下列反应式：

H2+O2=H2O+Q

工艺条件

1.压力：

压力对变换反应的平衡几乎没有影响。但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。单就平衡而言，加压并无好

处。但从动力学角度，加压可提高反应速率。从能量消耗上看，加压也是有利。由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定。一般小型氨厂操作压力为0.7-1.2MPa,中型氨厂为1.2~1.8Mpa。本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取

1.7MPa.

1.温度：

变化反应是可逆放热反应。从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常 数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，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催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为

Tm=

式中Tm、Te—分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。

1． 汽气比：

水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。增加水蒸汽用量，提高了CO的平衡变换率，从而有利于降低CO残余含量，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分

Fe3O4的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发

生。但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，将造成催化剂床层阻力增加；CO停留时间缩短，余热回收设备附和加重等，所以，中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：

H2O/CO=3～5，经反应后，中变气中H2O/CO可达15以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求。

工艺流程确定

目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低4种工艺。

本设计参考四川省自贡市鸿鹤化工厂的生产工艺，选用中串低工艺。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℃，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。再通过换热器将转换气的温度降到180℃左右，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。

主要设备的选择说明

中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。低变炉选用C6型催化剂，计算得低变催化剂实际用量

10.59m3。以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能

力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的CO浓度。

对本设计评述

天然气变换工段工序是合成氨生产中的第一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常