【正文】 , but also a catalyst for ammonia poisoning effect there must be a catalyst for transformation through the catalytic reaction to be removed. Transformation of carbon monoxide is a gas purification process of raw materials, but also the manufacturing process of feed gas. The design of the main routes which include the identification process, the medium variant of the furnace material balance , heat balance, in the variable furnace process of calculation and selection of equipment, heat exchanger of the material balance and heat balance as well as equipment selection type and so on. Taking all factors and workshop equipment to carry out is a reasonable arrangement of the design. In the end, the20 000word statement and map production process, shopping facade and the main equipment layout drawing assembly were pleted. Key words: Natural gas。 Transformation of carbon monoxide。 Temperature shift converter。 Flow chart 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 2 第 一 章 總 論 概述 一氧化碳變換反應的意義與作用 在合成氨的生產(chǎn)中，一氧化碳變換反應是非常重要的反應。用重油制造的原料氣中，含有一部分的一氧化碳，這些一氧化碳不僅不能直接做為合成氨的原料，而且對氨合成中的催化劑有毒害作用，因此必須在催化劑的作用下通過變換反應加以除去。在一定的條件下，利用一氧化碳和水蒸汽等摩爾反應生成二氧化碳和氫氣，除去大部分一氧化碳，使一氧化碳含量凈化到 3%左右，然后進入銅洗進一步的清除。所以通過一氧化碳變換反應既能把一氧化碳轉化為易在 下游除去的二氧化碳同時又生產(chǎn)有效組分氫氣或生產(chǎn)具有較高 H2/CO2 比的合成氣。變換反應既是原料氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)過程。一氧化碳加壓變換，可以提高生產(chǎn)能力，降低能源消耗，節(jié)約觸媒，提高經(jīng)濟效益 [1]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 許多氮肥廠都對一氧化碳變換系統(tǒng)采取了一些相應的改進措施，力爭降低能量的消耗和成本。常用的有采用中溫變換串聯(lián)低溫變換工藝，使用新型高活性的低溫催化劑，常壓變換變?yōu)榧訅鹤儞Q等。從我國目前的情況看，新建工廠或是改建的工廠基本都采用加壓變換。隨著新型耐硫催化劑的開發(fā)成功，八 十年代中期開發(fā)了中變串低變工藝；為了利用低變的低溫高活性，九十年代初期開發(fā)了全低變工藝；為了克服全低變工藝不能長期穩(wěn)定運行的缺點，九十年代中期又開發(fā)了中 低 低工藝。其后的十年間是全低變工藝和中 低 低工藝推廣和完善的過程。國外大部分使用寬溫區(qū)的催化劑，變換催化劑從傳統(tǒng)類型 FeCr 系變換為 CoMo系。國外合成氨的規(guī)模一般都比較大，不管是原料還是操作壓力的選擇都與我國的中小型氮肥廠大不相同 [2]。 設計依據(jù) 合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。合成氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣 的制??；原料氣的凈化與合成。粗原料氣中常含有大量的 C，由于 CO 是合成氨催化劑的毒物，所以必須進行凈化處理，通常，先經(jīng)過 CO 變換反應，使其轉化為易于清除的 CO2 和氨合成所需要的 H2。 因此， CO變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的 CO 用液氨洗滌法，或是低溫變換串聯(lián)甲烷化法加以脫除。 變換工段是指 CO 與水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 3 本設計參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。 這是從80 年代中期發(fā)展起來的。所謂中變串低變流程，就是 在 B107 等 FeCr 系催化劑之后串入 CoMo 系寬溫變換催化劑。在中變串低變流程中，由于寬變催化劑的串入，操作條件發(fā)生了較大的變化。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低；另一方面變換氣中的 CO 含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗。 設計規(guī)模與生產(chǎn)制度 設計規(guī)模 天然氣為原料年產(chǎn) 15 萬噸氨車間一氧化碳變換工段初步設計 , 年生產(chǎn)時間為 7200 小時。 生產(chǎn)制度 本工廠實行倒班制度，初步擬定為 五班三倒。在生產(chǎn)過程中，一定要加強安全防范意識，嚴格按照化工行業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)范來操作。注意防火、防爆、防泄漏等一系列危險情況的發(fā)生。要做到時時注意安全，事事想著安全，做到早預報，做處理，盡量避免重大事故的發(fā)生。 原料與產(chǎn)品規(guī)格 原料規(guī)格 表 11 原料氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計 % 100 產(chǎn)品規(guī)格 經(jīng)過變換反應后，氣體中 CO 含量應低于 2%。 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 4 第二章 工藝 原理和流程 工藝原理 一氧化碳變換反應式為： CO+H2O=CO2+H2+Q (21) CO+H2 = C+H2O (22) 其中反應（ 21）是主反應，反應（ 22）是副反應，為了控制反應向生成目的產(chǎn)物的方向進行，工業(yè)上采用對式反應（ 21）具有良好選擇性催化劑，進而抑制其它副反應的發(fā)生。 一氧化碳與水蒸氣的反應是一個可逆的放熱反應，反應熱是溫度的函數(shù)。 變換過程中 還包括下列反應式： H2+O2=H2O+Q 工藝流程 目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低 4 種工藝。本設計參考四川省自貢市鴻鶴化工廠的生產(chǎn)工藝，選用中串低工藝。轉化氣從轉化爐進入廢熱鍋爐，在廢熱鍋爐中變換氣從 920℃降到 330℃，在廢熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達到 3 到 5 之間，以后再進入中變爐將轉換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉換氣的溫度降到 180℃左右，進入低變爐將轉換氣中一氧化碳含量降到 %以下，再進入甲烷化工段。 圖 21 工藝流程圖 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 5 工藝參數(shù) 原料氣體組分 表 11 原料氣組分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計 % 100 工作溫度 進中變爐一段催化床層的變換氣溫度： 330℃ 出中變爐一段催化床層的變換氣溫度： 415℃ 進中變爐二段催化床層的變換氣溫度： 353℃ 出中變爐二段催化床層的變換氣溫度： 365℃ 進低變爐催化床層的變換氣溫度： 181℃ 出低變爐催化床層的變換氣溫度： 203℃ 出系統(tǒng)變換氣 (干基 )中 CO 含量：低于 2%[6]。 工藝條件 壓力 壓力對變換反應的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應易于進行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學角度，加壓可提高反應速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數(shù)小于干變換氣的摩爾數(shù)，所以，先壓縮原料氣后再進行變換的能耗，比常壓變換再進行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應根據(jù)中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機 投 各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為 ,中型氨廠為 ~。本設計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉化而來，故壓力可取 。 溫度 變換反應是可逆放熱反應。從反應動力學的角度來看，溫度升高，反應速率常數(shù)增大對反應速率有利，但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即 CO 平衡含量增大，反應推動力變小，對反應速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因而對一定催化劑及氣相組成存在著最佳反應溫度，從動力學角度推導的計算式為 Tm=1212ln1 EEEE RTTee?? 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 6 式中 ， Tm、 Te— 分別為最佳反應溫度及 平衡溫度，最佳反應溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。 汽氣比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣 .改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應中最主要的調節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡變換率，從而有利于降低 CO 殘余含量，加速變換反應的進行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分 Fe3O4 的穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應不易發(fā)生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；CO 停留時 間縮短，余熱回收設備附和加重等，所以，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為： H2O/CO=3～ 5，經(jīng)反應后，中變氣中 H2O/CO 可達 15 以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求。 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 7 第三章 工藝計算 中變爐一段催化床層的物料和熱量衡算 確定轉化氣組成 已知條件中變爐進口氣體組成 ： 表 31 原料氣組成 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合計 % 100 計算 基準： 1 噸氨 計算生產(chǎn) 1 噸氨需要的 變化氣量： （ 1000/17） （ 2 ） = Nm3 因為在生產(chǎn)過程中物量可能會有消耗，因此變化氣量取 Nm3 年產(chǎn) 15 萬噸合成氨生產(chǎn)能力： 日生產(chǎn)量： 150000/330=要求出中變爐的變換氣干組分中 CO％小于 2％ 表 32 進中變爐的變換氣干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 合計 含量， ％ 100 M 3 kmol 假設入中變爐氣體溫度為 330℃，取出爐與入爐的溫差為 35℃，則出爐溫度為 365℃。 進中變爐干氣壓力 中P =. 水汽比的確定 考慮到是天然氣蒸汽轉化來的原料氣，所以取 H2O/CO= 故 V（水） = n(水 )= 因此進中變爐的 變換氣濕組分 ： 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 8 表 33 進中變爐的變換氣濕組分 中變爐 CO 的實際變換率的求?。? 假定濕轉化氣為 100mol，其中 CO 基 含量為 ％，要求變換氣中 CO 含量為 2％，故根據(jù)變換反應： CO+H2O＝ H2+CO2， 則 CO 的實際變換率為： X ％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=74％ 式中 Ya、 39。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 則反應掉的 CO 的量為： ％ 74％ =％ 則反應后的各組分的量分別為： H2O％ =％ ％ +％ =23％ CO％ =％ ％ =％ H2％ =％ +％ ％ =％ CO2％ =％ +％ =％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： K= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《小合成氨廠工藝技術與設計手冊》可知 K=12 時溫度為 397℃。 中變的平均溫距為 397℃ 365℃ =32℃ 中變的平均溫距合理，故取的 H2O/CO 可用。 中變爐一段催化床層的物料衡算 假設 CO 在一段催化床層的 實際變換率為 60％。 因為進中變爐一段催化床層的變換氣濕組分： 表 34 進中變爐一段催化床層的 變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3 kmol 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量 ％ 100 M 3 kmol 齊魯工業(yè)大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 9 假使 O2 與 H2 完全反