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1、年产二十万吨合成氨变换工段工艺设计变换工段装置氨是化学工业中产量最大的产品之一。氨本身可做肥料，可以加工成各种氮肥，还可以加工成含氮复合肥料。氨在工业上还是各种含氮化合物或其他产品的原辅材料，如纯碱、硝酸、丙烯腈、己内酰胺、塑料、染料中间体药物等。另外，氨还可以做制冷剂。总之，氨的用途非常广泛，但最多的还是用来生产氮肥，其对提高农作物产量有重要作用，所以在国民经济中占有重要地位。产品介绍国外合成氨生产大都是以天然气为主要原料，缺少天然气的国家和少数厂采用渣油和煤为原料。20世纪60年代以天然气为原料兴建的合成氨装置单套设备的日产能为600t，随后进入70年代兴建的合成氨装置日产1000t，90
2、年代后发展趋向特大型化，国外新建厂日产15002000t氨。我国合成氨是在20世纪30年代开始的，50年代开始兴建中型氮肥厂，起始规模单系列年产2.5万吨合成氨。60年代引进了以天然气为原料制造合成氨和尿素装置。1965年我国自行研究开发合成氨三触媒净化新工艺，兴建了年产11万吨尿素装置。70年代开始引进13套日产1000t合成氨和日产16201740t大型尿素生产装置。进入80年代、90年代又引进了几十套大型合成氨装置和大型尿素装置。合成氨工业概况中温变换工艺中温变换工艺中温变换工艺早期均采用常压，经节能改造，现在大都采用加压变换。加压中温变换工艺主要特点是：采用低温高活性的中变催化剂，降低
3、了工艺上对过量蒸汽的要求；采用段间冷激降温，减少了系统的热负荷和阻力，减小外供蒸汽量；合成与变换，铜洗构成第二换热网络，合理利用热能。其中有两种模式，一是“水流程”模式，二是“汽流程”模式。前者指在合成塔后设置水加热器以热水形式向变换系统补充热能，并通过变换工段设置的两个饱和热水塔使自产蒸汽达到变换反应所需的汽气比。后者在合成塔设后置式锅炉或中置式锅炉产生蒸汽供变换用，变换工段则设置第二热水塔回收系统余热供精炼铜液再生用；采用电炉升温，革新了变换工段燃烧炉升温方法，使之达到操作简单、平稳、省时、节能效果。变换工艺介绍中串低变换工艺中串低变换工艺所谓中温变换串低温变换流程，就是在B107等Fe-
4、Cr系催化剂之后串入Co-Mo系宽温变换催化剂。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，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。根据催化剂低温性能，低变炉入口温度可控制在180230。这样，由于催化剂终态温度降低，可以减少蒸汽添加量，达到节能的效果。另外，由于变换效率的提高，合成氨产量可以相对增加。与中变流程相比,中串低工艺蒸汽消耗下降,饱和塔负荷减轻。中低低变换工艺中低低变换工艺中低低流程是在一段铁铬系中温变换催化剂后直接串二段钴钼系耐硫变换催化剂，利用中温变换的高温来提高反应速率，
5、脱除有毒杂质，利用两段低温变换提高变换率，实现节能降耗。这样充分发挥了中变催化剂和低变催化剂的特点，实现了最佳组合，达到了能耗低、阻力小、操作方便的理想效果。该流程与中变串低变相比，关键是增加了第一低变，填补了280250这一中变串低变所没有的反应温区，充分利用了低变催化剂在这一温区的高活性。比全低变工艺操作稳定在于中低低工艺以铁铬系中变催化剂为净化剂，过滤煤气中氧和油污，起到了保护钴钼系耐硫催化剂的作用。全低变工艺全低变工艺全低变工艺是全部采用低温活性钴钼系变换催化剂进行一氧化碳变换的工艺过程，作为一种节能新工艺, 节能降耗的效果显著。低变炉各段进口温度均在200左右，床层温度比传统的床层温
6、度下降100300，有利于变换反应平衡。汽气比降低，蒸汽消耗大幅下降，在几种变换流程中蒸汽消耗最低。热回收率高，有效能损失小，热交换设备换热面积可减少1/2左右。与原高变催化剂比较，催化剂用两可以减少一半以上，降低了变换炉床层阻力，降低了压缩功耗。余热回收效果好。催化剂段间换热等用水加热器逐级回收、逐级加热饱和热水塔循环热水，出饱和塔半水煤气的温度及饱和度高，出热水塔变换气温度可降到100以下。合成氨的生产主要分为原料气的制取和原料气的净化与合成。粗原料气中常含有大量的C0，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
7、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。变换工段存在的意义需要H2和N2H2+N2 NH3CO2+2NH3 CO(NH2)2+H2O需要NH3和CO2氨合成尿素合成脱硫后原料气体成分脱硫后原料气体成分方法方法气体成分气体成分COH2CO2N2CH4固体燃料气化固体燃料气化28-3035-397-8.217-180.8-1.3甲烷转化工艺甲烷转化工艺12-1353-586-821-240.2-0.4都含有CO，但氨的合成和尿素生产中都不需要CO，应将其除去。工艺条件对变换反应的影响工艺条件对变换反应的影响温度
8、温度压力气体组成影响因素空速（1）热力学角度考虑 变换反应是放热反应，对一定的原料气初始组成，温度的降低，平衡向正反应方向移动，Kp值增大，变换气中CO的平衡含量降低。所以，当原料气组成一定时，温度越低，平衡变换率越高。低温条件下变换后残余CO含量可以有较大的降低。（2）动力学角度T r （反应速度） 从反应动力学可知，温度升高，反应速度常数增大，对反应速度有利，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，对反应速度不利。1. 1. 温度温度Te 平衡温度热力学的影响最佳操作温度Tm 最适宜操作温度E1正反应活化能E2逆反应活化能平衡温度和最适宜温度的关系随温度的关系使
9、反应沿最适宜温度曲线进行时反应器利用率最大、催化剂用量最少高温加快反应速度低温可降低平衡一氧化碳含量动力学的影响 (1)常压和加压变换常压和加压变换 小型厂小型厂 P0.8-1.0MPa 中型厂中型厂 P1.2-1.8MPa 大型厂大型厂 P4.0MPa 、压力、压力反应为等体积反应，压力较低时对变换反应的化学平衡几乎没有影响。反应速度随压力增大而增大以煤为原料 以天然气或渣油为原料采用转化法时变换压力和转化工序相同a 设备体积小，节省投资。b 增加空速，提高生产能力c 有利于热能回收热能的品位得以提高，有利于热量回收。d 费托合成 CO+H2 CnH2n+2nH2O 被抑制在汽气比非常小时有
10、费托合成, 冷激流程可抑制费托合成反应的发生。e 电耗降低优点a 腐蚀加剧（点蚀 ），设备使用寿命缩短。 （尤其是采用耐硫变换催化剂流程）b 有机硫转化缺点（2 2）加压变换的优缺点）加压变换的优缺点3 3、汽气比、汽气比H2O/CO或水蒸气半水煤气原料、热载体、抑制副反应概念蒸汽作用1、山东兖州鲁南化肥厂原始开车的摸索过程中，曾经出现过一次由于将变换炉汽气比控制太低 ，造成发生急剧的甲烷化反应，床层超温至802。2、蒸汽用量大，导致炉温垮温事故。 增加水蒸气用量，既有利于提高一氧化碳的变换率，又有利于提高变换反应速度，同时抑制副反应。但能耗增加。 CO2为变换反应的产物，除去CO2有利于反应
11、平衡向生成H2的方向移动，从而提高CO的变换率，降低变换气中CO含量。4 4、二氧化碳、二氧化碳 生产中，若选用中变串低变工艺，可在两个变换炉之间串入脱碳装置，最终CO含量可降低到0.1。CO变换工艺流程（1 1）气体的净化）气体的净化（脱除（脱除COCO）。）。（2 2）有效气体氢气和二氧化碳的制备。）有效气体氢气和二氧化碳的制备。（3 3）大部分有机硫转换成无机硫（）大部分有机硫转换成无机硫（H H2 2S S）。）。CO水蒸气变换反应，简称CO变换反应:CO+H2O H2+CO2在工业上如何实现？工艺流程如何安排？1、可逆：化学平衡的问题。2、放热3、等体积4、催化剂参与 任务工艺流程中
12、应考虑的问题工艺流程中应考虑的问题：1、根据原料气co含量,满足变换率的要求2、防止催化剂超温分段和段间降温方式天然气制原料气、有无甲醇产品时催化剂的选择3、反应余热的充分利用，达到催化剂反应温度降低能耗4、蒸气的回收和利用降低外供蒸汽消耗5、延长催化剂寿命介质的净化6、变换气体的降温满足后工序需要7、开车或非正常生产时热源催化剂升温需要8、检修及生产调节方便CO+H2O H2+CO2该反应需要在催化剂存在下进行，依据目前开发的催化剂活性温度，其反应温度在200-400之间，中变催化剂在280-400 ，低变催化剂为200-320 变换反应器200-400常温常温加热冷却变换反应器200-40
13、0换热器常温常温达到反应温度的途径水蒸气的加入水蒸气的加入-饱和器和热水器饱和器和热水器原料气水蒸气饱和器热水原料气+水蒸气低温原料气直接加入蒸气饱和器的方法高温变换气热水器变换气的热量传给水，使水升温。低温变换气热水变换反应器200-400换热器原料气变换气热水器饱和器反应系统换热系统加入水蒸气和热量回收系统变换工段原则流程构成反应蒸汽的供应反应蒸汽的供应放热反应， CO+HCO+H2 2O HO H2 2+CO+CO2 2+41KJ+41KJ但热量不能使1mol水气化，且反应在过量的水蒸气条件下进行，变换反应应提供一定量的水蒸汽。 提供蒸汽的方式自给外供蒸汽转化法制气重油部分氧化水冷激除碳
14、黑法制气煤间歇常压气化法制气煤连续加压气化法制气一、大型氨厂一氧化碳中变串低变流程一、大型氨厂一氧化碳中变串低变流程转化气废热锅炉中变炉低变炉废热锅炉甲烷化预热器CO 13-15%，800，3.04MPa370，440，CO 3-4%220，CO 3-4%235，CO 0. 3-0.5%软水饱和器贫液再沸器变换气中串低流程特点中串低流程特点主要工艺参数:中变部分的进口温度 3000C、出口温度 450，低变部分的进口温度 1800C、出口温度 2300C，反应汽气比 0.5，吨氨蒸汽消耗450Kg，中变催化剂空速 700 h-1，低变催化剂空速 1 800 h-1，出口CO含量 1.5%。与中
15、变流程相比，中串低工艺蒸汽消耗下降，饱和塔负荷减轻。变换炉：气固相催化反应器变换炉：气固相催化反应器要求要求a a 变换炉的处理气量尽可能大。变换炉的处理气量尽可能大。b b气流的阻力小、气体在炉内分布均匀。气流的阻力小、气体在炉内分布均匀。c c热损失小热损失小这是稳定生产、节能降耗的这是稳定生产、节能降耗的重要条件。重要条件。d d结构简单，便于制造和维修，并尽可能结构简单，便于制造和维修，并尽可能接近最适宜温度曲线。接近最适宜温度曲线。变换护的构造广西桂林化工机械厂中变炉物料平衡表组分组分进中变炉物进中变炉物料量料量/ /mm3 3出一段催化床出一段催化床层物料量层物料量/ /mm3 3
16、进二一段催化进二一段催化床层物料量床层物料量/ /mm3 3出一段催化床出一段催化床层物料量层物料量/ /mm3 3CO2254.78475.54475.54541.77CO367.94147.18147.1880.95H21650.411851.611851.611717.84N2668.34668.34668.34668.34O29.78CH411.2611.2611.2611.26H2O1287.791086.751216.501150.27合计合计4250.794240.684370.494171.43中变炉热量平衡表反应放热反应放热/kj气体吸热气体吸热/kj热量损失热量损失/kj中变炉中变炉一段一段CO反应：832769.9O2反应：10683.02总热量：489348.28474017.9515330.33中变炉中变炉二段二段89759.0485021.134737.91