【正文】 年產(chǎn)4萬噸合成氨變換工段工藝步設(shè)計(jì)方案 氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于化學(xué)肥料的生產(chǎn)。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?。辉蠚獾膬艋c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，在原料氣中含量為13%至30%，所以必須進(jìn)行凈化處理，通常，先經(jīng)過CO變換反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)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。一氧化碳變換反應(yīng)式為：CO+H2O=CO2+H2+ (11) CO+H2 = C+H2O (12) 其中反應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，工業(yè)上采用對式反應(yīng)（1—1）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。變換過程中還包括下列反應(yīng)式：H2+O2=H2O+Q 壓力對變換反應(yīng)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(yīng)易于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動(dòng)力學(xué)角度，加壓可提高反應(yīng)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(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小型氨廠的特點(diǎn)，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。,~。本設(shè)計(jì)的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，.變換反應(yīng)存在最佳溫度，如果整個(gè)反應(yīng)過程就能按最佳溫度曲線進(jìn)行，則反應(yīng)速率最大，即相通的生產(chǎn)能力下所需要的催化劑用量最少，但是實(shí)際生產(chǎn)中完全按最佳溫度曲線操作之不現(xiàn)實(shí)的。首先，在反應(yīng)初期，x值很小，但對應(yīng)的Tm很高，且已超過了催化劑的耐熱溫度，而此時(shí)，由于遠(yuǎn)離平衡，反應(yīng)的推動(dòng)力大，即使在較低溫度下操作仍有較高的反應(yīng)速率，其次，隨著反應(yīng)的進(jìn)行x不斷升高，反應(yīng)熱不斷放出，床層溫度不斷提高，而依據(jù)最適宜曲線，Tm卻要求不斷降低，因此，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)從催化床中不斷移出適當(dāng)?shù)臒崃?，使床層溫度?fù)荷Tm的要求，生產(chǎn)上控制變換反應(yīng)溫度應(yīng)遵循如下兩條原則： 應(yīng)在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)操作催化床層溫度，入口溫度高于催化劑的起始活性溫度20℃左右，熱點(diǎn)溫度低于催化劑的耐熱溫度，在滿足工藝條件的前提下，精良維持低溫操作，隨著催化劑使用時(shí)刻的增長，因催化劑活性下降，操作溫度應(yīng)適當(dāng)提高。催化床溫度應(yīng)盡可能接近最佳溫度，為此，必須從催化床中不斷移出熱量，并且對移出的熱量加以合理利用。根據(jù)催化床冷卻介質(zhì)之間的換熱方式的不同，移出方式可分為連續(xù)換熱和多段換熱式兩大類，對變換反應(yīng)，由于整個(gè)反應(yīng)過程變換率較大，反應(yīng)前期與后期單位催化床所需排除的熱量相差甚遠(yuǎn)，故主要采用多段換熱式。此類變換爐的特點(diǎn)是反應(yīng)過程與移熱過程分開進(jìn)行，多段換熱式又可分為多段間歇換熱與多段直接換熱，前者是在間壁式換熱器中進(jìn)的，后者則是在反應(yīng)器中直接加入冷流體一達(dá)到降溫的目的，又稱冷激式，變換放映可用的冷激介質(zhì)有：冷原料氣，水蒸氣及冷凝水。對于低溫過程，由于一氧化碳反應(yīng)量少，無需從床層移熱，其溫度控制除了必須在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)操作外，底線溫度必須高于相應(yīng)條件下的水蒸氣露點(diǎn)溫度約30℃。變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(yīng)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(yīng)推動(dòng)力變小，對反應(yīng)速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應(yīng)溫對一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式為Tm=式中Tm、Te—分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化水蒸汽比例一般指H2O/CO比值或水蒸汽/。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(yīng)的進(jìn)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(yīng)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(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟(jì)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(shí)間縮短，余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時(shí)適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=3～5，經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO可達(dá)15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求空間速率簡稱空速，是指單位時(shí)間內(nèi)、單位體積催化劑通過的氣體量。氨合成反應(yīng)在催化劑顆粒表面進(jìn)行，氣體中氨含量與氣體和催化劑表面接觸時(shí)間有關(guān)。當(dāng)反應(yīng)溫度、壓力、進(jìn)塔氣組成一定時(shí)，對于既定結(jié)構(gòu)的合成塔，增加空速也就是加快氣體通過催化劑床層的速率，氣體與催化劑表面接觸時(shí)間縮短，使出塔氣中的氨含量降低；但催化劑床層中對于一定位置的平衡氨含量與氣體中實(shí)際氨含量的差值很大，即氨合成反應(yīng)速率相應(yīng)增大。由于氨凈值（指合成塔進(jìn)出口氨含量之差）降低的程度比空速的增大倍數(shù)要少，所以當(dāng)空速增加時(shí)，氨合成的生產(chǎn)強(qiáng)度（是指單位時(shí)間內(nèi)、單位體積催化劑上生成氨的量）有所提高，即氨的產(chǎn)量有所增加。變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)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。目前，變換工段主要采用中變串低變的工藝流程，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。中低變串聯(lián)流程中，主要設(shè)備有中變爐、低變爐、廢熱鍋爐、換熱器等。低變爐選用C6型催化劑。以上設(shè)備的選擇主要是依據(jù)所給定的合成氨系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料氣中碳氧化物的含量以及變換氣中所要求的CO濃度。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(shè)計(jì)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(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化爐進(jìn)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(dá)到3到5之間，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到3%以下。再通過換熱器將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180℃左右，%以下，再進(jìn)入甲烷化工段。一氧化碳的脫除方法 脫除半水煤氣中一氧化碳主要有以下四種方法：（1）液氨洗滌法 ℃左右的條件下洗滌轉(zhuǎn)化氣，液氨洗滌時(shí)，一氧化碳和甲烷等冷凝液進(jìn)入液氨中，吸收后的液氨經(jīng)過分餾，一氧化碳餾分子以回收，液氨循環(huán)使用。液氨洗滌可以同時(shí)脫除一氧化碳和甲烷，氣體凈制程度較高，但需要空氣分離裝置，此法主要用在焦?fàn)t分離以及重要部分氧化、煤富氧化的制氨流程中，（2）一氧化碳甲烷化法 甲烷化是60年代開發(fā)的新方法，它是在一定溫度和催化劑存在時(shí)，使原料氣中的一氧化碳與氫作用而生成甲烷，這種方法流程簡單，不消耗化學(xué)品，催化劑壽命長達(dá)2—5年。但甲烷化法消耗原料氣中的氫氫氣生成甲烷。甲烷雖然是對合成氨催化劑無害，可他在合成中是惰性氣體，降低了反應(yīng)中有效組成的濃度，因此此法只能適用于一氧化碳含量甚少的原料氣，通常在低溫變換后殘余一氧化碳的轉(zhuǎn)換氣，其反應(yīng)式為： (3)銅氨液洗滌法 銅氨液洗滌法是用亞銅鹽的溶液在高溫和低溫下洗滌原料氣以吸收一氧化碳，吸收液在減壓升溫下再生，再生的銅氨循環(huán)使用，再生時(shí)釋放的一氧化碳作為再生氣回收，其反應(yīng)式為： 銅氨液洗滌法適用于中溫變換后一氧化碳含量相對較高的轉(zhuǎn)化氣，我國以無煙煤或焦炭為原料的合成氨廠多采用銅洗流程。（4）一氧化碳的變換 一氧化碳變換是在一定溫度、壓力下，是半水煤氣鎮(zhèn)南關(guān)的CO在催化劑作用下，與水蒸氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為和達(dá)到出去絕大部分CO，同時(shí)制得等量的，一氧化碳變換即使原料氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)，使用于一氧化碳含量較多的原料氣中，此法可脫除大量CO,并轉(zhuǎn)化成有效成分H2。經(jīng)中溫變換，殘余的CO可降低至3%左右，經(jīng)低溫變換后，%左右。一氧化碳脫除的方案選擇本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)4萬噸合成氨變換工段工藝設(shè)計(jì)，由于銅氨液洗滌法、一氧化碳甲烷化法、液氨洗滌法只使用于脫除少量的一氧化碳，%，要達(dá)到要求，則只能用一氧化碳變換來脫除半水煤氣中CO。本設(shè)計(jì)用中溫變換就能滿足生產(chǎn)要求，是原料氣在出變換系統(tǒng)的含量在3%左右，且中溫變換的催化劑操作溫度較寬，價(jià)格低，壽命長。因此本設(shè)計(jì)采用中溫變換來脫除CO。固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)圈（或膨脹節(jié)），當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。固定管板式換熱器只要有外殼、管板、