【正文】 國內(nèi)中小型氨廠的技術(shù)發(fā)展 [1]。 4 以焦炭或煤為原料合成氨的流程是采用間隙的固定層氣化法生產(chǎn)半水煤氣，經(jīng)過脫碳、變換縮脫除 CO 和 CO2 等凈化后，可獲得合格的氮?dú)浠旌蠚?，并在催化劑及適當(dāng)?shù)臏囟取毫ο潞铣砂?[2]。在 80 年代中期以前，變換工藝以中溫變換為主，中變出口控制在 3%左右，汽氣比在 以上，能耗高，每噸氨蒸汽消耗達(dá) 1 噸。同一套設(shè)備，由中串低改為全低變，可顯著提高生產(chǎn)能力，同時能耗大幅下降，汽氣比可降至 ，每噸氨蒸汽消耗為 200～ 300kg。 中低低工藝的能耗與全低變工藝相比，略有升高，汽氣比約為 ～ ，每噸氨蒸汽消耗為 200～ 300kg。對于每一種變換工藝，由于采用不同的熱回收方式而使變換工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)有所不同。因此本設(shè)計采用中變－低變串聯(lián)流程 ，且中溫變換爐采用段間煤氣冷激流程。 催化劑的選用 一氧化碳變換反應(yīng)催化劑的選用，主要根據(jù)合成氨生產(chǎn)工藝要求來確定，主要依據(jù)為原料氣和變換氣中一氧化碳和二氧化碳的含量、原料氣中硫化氫和有機(jī)硫化物的含量以及原料氣最終精制工藝的要求。 熱量的回收 變換反應(yīng)是一個強(qiáng)放熱反應(yīng)，大量余熱的利用對 氨能耗有很大的影響，做好變換裝置的熱回收設(shè)計對工廠的經(jīng)濟(jì)意義重大。 計算煤氣的成分 以 1kmol干煤氣為基準(zhǔn)計算濕煤 氣的成分： 單位干煤氣里攜帶的蒸汽量為 則濕煤氣的成分為： N2： 0000 ??? CH4 ： 000 . ?? 10 CO： 0000 ??? CO2 ： 0000 32..2506. H2 ：0000 ??? H2O：0000 . 將上述列為表 （見表 ） ： 表 煤氣各成分含量 組成 N2 CO CH4 CO2 H2 H2O 合計 含量（％） 100 含量（ kmol） 1 中溫 變換爐溫升估算 [9] )()1( . 120xx2 xxnC COHttt P R ????????? （ 32） 式中 12,tt ：出、進(jìn)催化劑床氣體溫度 ℃ 12,xx ：出、進(jìn)催化劑床氣體的變換率 Cp: 進(jìn)催化劑床層氣體在平均溫度（ t1+t2)/2 下的真實(shí)熱容 kcal/kmol,℃ RH? ：進(jìn)口溫度下的反應(yīng)熱 kcal/kmol CO%：氣體中 CO 的濃度，摩爾分率 查表得到在 0600℃ 范圍內(nèi)的平均熱容為 kcal/kmol， ΔHR=9000 kcal/kmol 變換率： X= ? ? %1 0 01 1,1, ??? COCO COCO VV VV (33) VCO,VCO,1進(jìn)口煤氣、出口變換氣中一氧化碳的含量， 00 ，（干基） 代入數(shù)字可以得到變換率為： X=. 100)1( ??? COCO COCO VV VV=)31( 0000 0000 ?? ?= 00 (34) 11 代入數(shù)字可以得到大致的溫升為： )()1( . 120xx2 xxnC COHttt P R ????????? (35) =? ?)( 0000 ???? ? =℃ 從上面的計算可以看出要使粗煤氣中的 CO 含量從 %經(jīng)過變換反應(yīng)降到 3%，變換爐的溫升大概在 150 ~160℃ 。 在 370℃ 時，常壓下各組分的平均定壓熱容 見表 ： 表 常壓下各組分的平均定壓熱容 組分 CO2 CO H2 H2O CH4 N2 Cp kcal/kmol,℃ 濕煤氣在 370℃ ，常壓下的分子熱容： Cp0=ΣyiCpi=+++++7.059= kcal/kmol,℃ (41) 由《氮肥設(shè)計手冊》，查出 [11]見表 ： 表 各氣體的臨界溫度，臨界壓力 組分 CO2 CO H2 H2O CH4 N2 Tc,K 133 647 190 Pc,atm 利用上表中的數(shù)據(jù)，可以求得在進(jìn)口組成的虛臨界值： Tc= =+133++647 ++=326K (42) Pc==+++++= (43) 設(shè)入口壓力 := 則可以求得入口狀態(tài)下的： 對比溫度： 326643 ??? Cr TTT 13 對比壓力： 02 ??? cr ppP 查熱容校正圖： ΔCp=℃ 由熱平衡關(guān)系，求第一變換爐出口氣體變換率： )(. 120xx2 xxC COHttt PR ???????? (44) 式中 12,tt ：出，進(jìn)催化劑床氣體溫度 ℃ 12,xx ：出，進(jìn)催化劑床氣體的變換率 PC ：進(jìn)催化劑 床氣體在平均溫度 ( 221 tt? )下的熱容 kcal/kmol 25 校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度 根據(jù)《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》的計算方法 根據(jù)式 se eiTT Dp ??? ?? )( ?? ＋ (63) 式中， PT==3= mmCn 44e ??? ?? 則 M P aT 1 3 8442 443 2 0 ?? ??? ）（? 而 M ??? 可見 ST ??? ? ,所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。由《化工原理》查得校正系數(shù)?=，因?yàn)?，所以可行。 （ 2）設(shè)計壓力 P=3MPa，設(shè)計溫度（壁溫） 400℃ 。通常情況下，反應(yīng)器入口要高出催化 劑起活溫度 10 ~30℃ ，另外由于煤氣被水蒸氣飽和，出口溫度還要高出露點(diǎn)溫度 25 ~30℃ 。變換熱利用的合理性，不僅體現(xiàn)在熱能的充分回收上，還表現(xiàn)在熱能盡可能不降級使用，即較高溫度（較高能級）的熱能加熱高溫物料或直接生產(chǎn)蒸汽，低溫余熱用于加熱低溫物料，使能級不同的變換熱能做到物盡其用，獲得最大的回收效益。而硫和氯就是傳統(tǒng)的低變催化劑最主要的毒物，可使低變催化劑發(fā)生永久性中毒，硫可與催化劑的活性金屬銅發(fā)生反應(yīng)而生成硫化銅，使催化劑的有效成分減少，活性下降。 （ 1）反應(yīng)溫度的影響 ： 由化學(xué)反應(yīng)平衡移動原理可知，反應(yīng)溫度越低，越有利于 CO的變換，但工業(yè)生產(chǎn)中，降低反應(yīng)溫度和催化劑的性能綜合考慮，反應(yīng)開始時為提高反應(yīng)速度一般在比較高溫度下進(jìn)行， 在反應(yīng)后段，為使反應(yīng)進(jìn)行比較完全，必須降低反應(yīng)溫度。中變段間的熱回收方式最主要有 3種：煤氣冷激、中變爐內(nèi)噴冷激和中變爐外噴水增濕。 工藝原理 一氧化碳和水蒸氣在催化劑的作用下反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣。該工藝曾為許多廠家用于變換技改。低變出口一氧化碳可達(dá) %以下，汽氣比可降至 。一般固體燃料氧制得的水煤氣中含 CO35%—37%，半水煤氣中含 CO25%—34%，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制得的轉(zhuǎn)化氣中含 CO 較低，一般為 12%—14%，一氧化碳不是合成氨生產(chǎn)所需要的直接原料，而且在一定條件下還會與合成氨的鐵系催化劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑失活。氫氣一般常用含有烴類的各種燃料，即通過用焦炭、無煙煤、天然氣、重油等為原料與水蒸氣作用的方法來制取。 氨的性質(zhì)比較活潑，能與各種無機(jī)酸反應(yīng)生成鹽，例如 34N H H C l N H C l?? 3 3 3 4 3N H H N O N H N O?? ? ?3 2 4 4 422 N H H S O N H S O?? ? ?3 3 4 4 2 4N H H P O N H H P O?? ? ?3 3 4 4 422 N H H P O N H H P O? ? ? 氨也能與 CO2 反應(yīng)生成氨基甲酸銨，脫水尿素。 物理性質(zhì) 氨的主要物理性質(zhì) 氨極易溶于水，溶解時放出大量的熱，可產(chǎn)生含 NH315%~30%的氨水，氨水溶液是堿性，易揮發(fā)。在化纖和塑料工業(yè)中， 則以氨、硝酸和尿素作為氮源，生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍 6 單元、己二胺、人造絲、丙烯腈、酚醛樹脂和脲醛樹脂等產(chǎn)品。不同流程的大中小型合成氨廠 1000 多個， 1999年總產(chǎn)量為 ，位居世界第一。 the heat exchanger has been calculated and selection。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 49 I 年產(chǎn) 30 萬噸合成氨粗煤氣變換工段工藝設(shè)計 摘要： 本設(shè)計為年產(chǎn) 30 萬噸合成氨粗煤氣變換工段工藝設(shè)計， 變換工段是合成氨重要環(huán)節(jié)。 conversion。以氮和氫為原料合成氨，是目前世界上采用最廣泛，也是最經(jīng)濟(jì)的一種方法。 其中 大部分 CO 先通過變換 反應(yīng) CO+H2O（ g） =CO2+H2，這樣既能把一氧化碳變?yōu)橐子谇宄亩趸级矣种频玫攘康臍?，而所消耗的只是廉價的水蒸氣。k） ] 電導(dǎo)率 /(s/m) 3105 化學(xué)性質(zhì) 氨在常溫時非常穩(wěn)定， 在 高溫、電火花或紫外線光的作用下可分解為氮和氫，其分解速度在很大程度上與氣體接觸的表面性質(zhì)有關(guān)。 大型氨廠的崛起 20 世紀(jì) 70 年代是世界合成氨工業(yè)大發(fā)展 的時期。因此，煤炭是我國合成氨的主要原料來源。因此，一氧化碳變換既是原料氣的凈化過程，又是原料氣制造的繼續(xù)。本設(shè)計就是采用這種流程。為了克服全低變工藝的缺點(diǎn)，中低低變換工藝應(yīng)運(yùn)而生。因此降低反應(yīng)溫度和增加蒸汽用量都可降低變換氣中 CO 的平衡濃度，若溫度高，蒸汽量少，將不利于變化反應(yīng)甚至還可能發(fā)生逆變換反應(yīng)過程 [5]。 ② 設(shè)備：段間噴水冷激需在中變爐內(nèi)設(shè)置蒸發(fā)層和噴頭，這樣與煤氣冷激相比中變爐的結(jié)構(gòu)就更為復(fù)雜，設(shè)備高度亦需增加，煤氣冷激流程有部分半水煤氣不經(jīng)過主熱交換，因此主熱換熱面積也比爐內(nèi)噴水流程要小。 （ 2）水蒸氣含量的影響 ： 適度增加水蒸氣的含量，也就提高了反應(yīng)物濃度，有利于變換反應(yīng)的進(jìn)行，魯奇爐產(chǎn)生的高水汽比煤氣含有的水蒸氣，足以滿足反應(yīng)的需要。 鈷鉬系寬溫耐變換催化劑與鐵鉻系變換催化劑相比具有以下優(yōu)異特點(diǎn)： 良好的低溫變換活性，操作溫度可比鐵鉻系變換催化劑低 100℃ 以上， 很寬的活性溫區(qū)，但作為寬溫變換催化劑的使用是有條件的，需要存在一定的硫化氫濃度，操作溫度越高，汽氣比越大，要求的最低硫化氫含量也就相應(yīng)提高， 突出的耐硫和抗毒性 能，活性成分以硫化物形式存在，因此對硫化氫濃度上限無要求，同時少量的毒物對其活性基本沒有影響，可再生，失活后可通過蒸汽或空氣處理，然后進(jìn)行硫化使其活性恢復(fù)， 強(qiáng)度高，載體通常為 γAl2O3 或 MgAl2O4，硫化后強(qiáng)度可提高 30％～ 50％， 選擇性好，無論是高壓或低壓，高溫或低溫，在變換工藝條件下基本不發(fā)生副反應(yīng)， 使用壽命與工藝條件有關(guān)，一般 3～ 5a，如條件緩和會更長。 粗煤氣（干基）的主要成分（體積） 見表 ： 表 粗煤氣（干基）的主要成分（體積） 組成 N2 CO CH4 CO2 H2 合計 含量％ 100 要求：出變換工序的 CO 含量要達(dá)到 ％（干基）。綜合上述原因，本設(shè)計將此變換反應(yīng)定為在中溫變換爐串低溫變換爐中進(jìn)行，并且中溫變換爐分為兩段催化劑。 變換爐結(jié)構(gòu)計算 筒體 厚度的 計算 筒體厚 度 的確定 [17]： 筒體材料采用 16MnR。 表 BES120043506/256 型浮頭式內(nèi)導(dǎo)流換熱器 相關(guān)參數(shù) 外殼直徑 D， mm 1200 管程數(shù) Np 6 公稱直徑， m2 350 管束 NT 807 公稱壓力， Mpa 4 管子排列方式 正方形錯列 管子尺寸， mm ?? 管中心距， mm 32 管長， m 6 計算換熱面積， m2 管程的對流傳熱系數(shù)和壓降 管程 為充分利用變換氣的熱量，采用變換氣走管程，粗煤氣走殼程 管程流通面積 222 mNNdSPTii ????? ?? (716) 管內(nèi)變換氣流速： sms ptvuiii /12982982730???????????????? ????????????????? ?? ? (7