一氧化碳变换

中温变换工艺设计方案

目录

前言 (2)

1、背景 (2)

2、分类 (2)

3、工艺方法的选择 (2)

反应原理 (3)

中温变换催化剂 (4)

工艺流程 (6)

工艺条件 (7)

设计体会与收获 (8)

参考文献 (9)

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。

1、背景

变换是合成氨生产中的重要工序，同时也是一个耗能重点工序，而外加蒸汽量的大小，是衡量变换工段能耗的主要标志。因此，尽量减少其用量对其过程的节能降耗具有重要意义。从70年代以来，我国在变换工艺的节能降耗方面，进行了大量的科研开发和技改工作，先后开发了中变、中变串低变、全低变等变换工艺，使蒸汽消耗量从传统的中变消耗1 t／tNH 以上，降低到200 kg／tNH，从而形成一种能耗低、稳定可靠、周期长的变换工艺。

2、分类

一氧化碳变换的工艺流程包括中变-低变串联流程、多段中变流程、全低变流程、中低低流程等。

3、工艺方法的选择

变换工艺流程的设计，首先应依据原料气中的一氧化碳含量高低来加以确定。以煤为原料气的中小型氨厂制得的半水煤气中含有较高的一氧化碳，所以需采用多段中变流程。中变催化剂操作温度范围较宽，而且价廉易得，使用寿命长。因此，在一氧化碳转换工艺设计中，我组选用中温变换工艺。

反应原理

变换反应可用下式表示：

此外，一氧化碳与氢之间还可发生下列反应

（1-2） O H C H CO 22+⇔+

（1-3）

但是，由于变换所用催化剂对反应式（1-1）具有良好的选择性，从而抑制了其他副反应的发生。因此仅须考虑反应式（1-1）的平衡。其中反应（1-1）是主反应，反应（1-2）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：

H 2+O 2=H 2O+Q

变换反应是可逆反应，对一定初始组成的原料气，温度降低，平衡变换率提高，变换气中的一氧化碳的平衡含量减少。并且，在实际生产过程中适当提高汽气比对提高一氧化碳变换率有利，但过高的汽气比在经济上不合理。其中，一氧化碳变换反应式等体积的反应，压力对变换反应无显著影响。

一氧化碳变换过程中催化剂其主导作用。水蒸气分子首先被催化剂的活性表面吸附，并分解为氢气及吸附态的氧原子。当一氧化碳分子撞击到氧原子吸附层时，即被氧氧化为二氧化碳，并离开催化剂表面。可表示如下：

2

2

2][][][)(][CO K CO O K H O K g O H K +=++=+ 式中[K]————催化剂

（1-1）

Q H CO O H CO ++⇔+222mol KJ H R /19.41-=∆ΘO H CH H CO 2423+⇔+

O —————吸附态氧

实验证明，在这两个步骤中，第二部是过程的控制步骤。

中温变换催化剂

中温变换工艺所用催化剂为铁一铬系，铁—铬系中温变换催化剂以氧化铁为主体，氧化铬为主要促进剂的多组分催化剂，具有选择性高、抗毒能力强的特点。

铁铬系催化剂的一般化学组成为：

32e O F 80%~90%，3.2O Cr 7%~11%，..并含有少量的O K 2、32O Al 、MgO 等。 四氧化三铁是铁铬系催化剂的活性组分，还

原前以氧化铁的形态存在。氧化铬是重要的结构性促进剂。由于

32O Cr 与32O Fe 具有相同的晶体，制成固溶体后，可高度分散于活性组分

43O Fe 晶粒之间，稳定了43O Fe 的微晶结构，是催化剂具有更多的微孔和更大的比表面积，从而提高催化剂的活性和耐热性以及机械强度。添加O K 2可提高催化剂的活性，添加MgO 和32O Al 可增加催化剂的耐热性，且MgO 具有良好的抗硫化氢能力。

铁铬系催化剂能使有机硫转化为无机硫，起反应为：

222222CO S H O H COS S

H COS O H CS +=++=+

中变炉催化剂平衡曲线

根据H 2O/CO=3.5，与公式X P =AW q

U 2-×100％

V=K P AB-CD q=WV U 42-

U=K P （A+B ）+（C+D ），W=K P -1

中变炉催化剂平衡曲线如下：

0.2

0.4

0.60.8

1

250300320340360380400420440460

温度 （℃）

转化率 X p

工艺流程

半水煤气首先进入饱和热水塔1，在饱和热水塔内气体与喷淋下来的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，并与蒸汽过热器（电炉）5送来的300~500℃的过热蒸汽相混，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，经第一催化反应床层反应后气体温度升到480~500℃，经蒸汽过热器、中间换热器与蒸汽、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，进入第三段催化床反应。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降至常温后送下一工序。

流程方框图