【正文】 結構調整、清潔生產、長周期運行”等方面進行技術的研究開發(fā) [4]。前者指在合成塔后設置水加熱器以熱水形式向變換系統(tǒng)補充熱能，并通過變換工段設置的兩個飽和熱水塔使自產蒸汽達到變換反應所需的汽氣比。汽氣比降低，蒸汽消耗大幅下降，在幾種變換流程中蒸汽消耗最低。因而存 在著最佳反應溫。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，再進入脫碳工段。 西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 8 表 23 進中變爐的變換氣濕氣組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計 含量％ 100 m3(標 ) kmol 中變爐 CO 的實際變換率的求取 假定濕轉化氣為 100 mol，其中 CO 濕基含量為 ％ ，要求變換氣中 CO 含量為 2％，故根據(jù)變換反應： CO+H2O＝ H2+CO2 （ 4） 則 CO 的實際變換率公式為： Xp％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100 （ 21） 注： 式中 aY 、 39。 假使 O2 與 H2 完全反應， O2 完全反應掉 。 采用氣體的統(tǒng)一基準焓進行熱量平衡計算，不必考慮系統(tǒng)中反應如何進行 、 步驟有多少，只要計算出過程始態(tài)和末態(tài)焓差，即得出該過程的總熱效果 ： △ H=（ ∑niHi） 始 －（ ∑niHi） 末 (210) 式中 ： △ H —— 過程熱效應，其值為正數(shù)時為放熱，為負數(shù)時系統(tǒng)為吸熱 ，單位： kcal.。 變換氣的溫度： 415 ℃ 。 表 218 變換氣出中變爐濕氣組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量％ 100 m3(標 ) kmol 對出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度進行估算： 西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 21 根據(jù)： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） 計算得 Kp= 查《小合成氨廠工藝技術與設計手冊》知當 Kp= 時 t=409 ℃ 設 平均溫距為 44 ℃ ，則出中變爐 一段催化床層的變換氣溫度為： 409℃ 44℃ =365 ℃ 。 計算變換氣中各組分的生成焓原理與計算一段床層一樣，計算結果如 表 231 所示。 表 229 變換氣出低變爐時的干氣組分及含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量％ 100 m3(標 ) kmol 出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積： V 總（干） =+++++ = m3(標 ) = kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = ? =% 同理 ： CO2％ = ? =% 西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 26 H2％ = ? =% N2％ = ? =% CH4％ = ? =% H2O％ = ? =% 所以出低變爐的濕組分 如表 230 所示 。 Q2= (415353)= kJ。 中變爐出口氣體溫度 415 ℃ 。以 P=1 atm， t=25 ℃ 為基準的氣體的統(tǒng)一基準焓計算式為： HT=△ H0298=Cpdt (27) 式中： HT —— 氣體在 ?T298在 T K的統(tǒng)一基準焓， kcal/kmol( kJ/kmol)。 查《小型合成氨廠工藝和設備計算》 C6 型催化劑的正負反應活化能分別為E1=10000 千卡 /公斤分子， E2=19000 千卡 /公斤 分子 [15]。 進中變爐的變換氣干組分 如表 22 所示 。其次，根據(jù)原料氣的溫度和濕含量情況，則考慮適當預熱和增濕，合理利用余熱。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。 中低低變換工藝 中低低流程是在一段鐵鉻系中溫變換催化劑后直接串二段鈷鉬系耐硫變換催化西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 4 劑，利用中溫變換的高溫來提高反應速率，脫除有毒雜質，利用兩段低溫變換提高變換率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。從氨可以制的硝酸，繼而再制造硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纖維素等。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。變換工段工序是合成氨生產中的第一步，也是較為關鍵的一步，因為能否正常生產出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運轉的前提條件。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。 大型化、集成化、自動化 ,形成經濟規(guī)模的生產中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向 [5]。后者在合成塔設后置式鍋爐或中置式鍋爐產生蒸汽供變換用，變換工段則設置第二熱水塔回收系統(tǒng)余熱供精煉銅液再生用；采用電爐升溫，革新了變換工段燃燒爐升溫方法，使之達到操作簡單 、平穩(wěn)、省時、節(jié)能效果。熱回收率高，有效能損失小，熱交換設備換熱面積可減少 1/2 左右。對一定催化劑及氣相組成，從動力學角度推導的計算式為 [9]： 22 1 11 lnemeTT RT EE E E? ? 注： 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 。 工藝流程圖如圖 11 所示。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 。 故在一段催化床層反應掉的 CO 的量為： 60％ = m3(標 ) = kmol 出 一段催化床層的 CO 的量為： = m3(標 ) = kmol 故在一段催化床層反應后 剩余的 H2的量為： + = m3(標 ) = kmol 故在一段催化床層反應后 剩余的 CO2的量為： += m3(標 ) = kmol 故出中變爐一段催化床層的 變換氣干組分的體積： V 總（干） =++++ = m3(標 ) 故出中變爐一段催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得 ： CO2％ = =% H2％ = =% 西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 12 CO2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% 所以 出中變爐一段催化床層的變換氣干組分 如表 27 所示 。 ni —— 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)， kmol。 冷 凝 水的進口溫度： 20 ℃ 。 中變爐二段催化床層的熱量衡算： 以知條件 ： 進中變爐 二段催化床層的變換氣溫度為： 353 ℃ 。 西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 27 表 231 變換氣各組分的生成焓 組分 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 反應 放熱： CO +H2O=CO2+H2 （ 1） △ H1=（ ∑ Hi） 始 － （∑ Hi） 末 = kJ/kg 所以： Q1= = kJ/kg 氣體吸熱 Q2： 氣體吸熱時的平均溫度：（ 181+203） /2= ℃ ， T= K。 表 227 變換氣進 低 變爐時濕氣各組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 含量％ 100 m3(標 ) kmol 表 228 變換氣 進 低 變爐干氣各組分含量 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量％ 100 m3(標 ) kmol 低變爐的物料衡算 要將 CO％降到 ％（濕基）以下，則 CO 的實際變換率為： X p％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=％ 則反應掉的 CO 的量為： ％ = M3(標 ) = kmol 出低溫變換爐 CO 的量： = M3(標 ) = kmol 出低溫變換爐 H2 的量： += M3(標 ) = kmol 出低溫變換爐 H2O 的量： = M3(標 ) = kmol 西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 25 出低溫變換爐 CO2 的量 ： += M3(標 ) = kmol 出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干） =++++ = m3(標 )= kmol 故出低變爐催化床層的變換氣干組分中 CO 的含量： CO％ = =% 同理得 ： CO2％ = =% H2％ = =% N2％ = =% CH4％ = =% 所以 出低變爐的干組分 如表 229 所示 。 變換氣吸熱 Q2： 由表（ 213）知： Cpm= ∑ Yi Cp = kJ/（ ） 。 根據(jù)熱量平衡的： Q= Q3 + Q4 Q4= kJ 中變一段催化劑 操作線的計算 有中變一段催化劑變換率及熱平衡計算結果知： 中變爐入口氣體溫度 330 ℃ 。 根據(jù)《小合成氨廠工藝技術與設計手冊》可知為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準焓（或稱生成焓）計算 [7]。 查資料得 最適宜溫度曲線由式 ：1212ln1 EEEE RTTTmee??? 進行計算。 要求出中變爐的變換氣干組分中 CO％ 小于 2％ 。對一氧化碳體積分數(shù)高于 15%者，一般可考慮適當分段，段間進行冷卻降溫，盡量靠近最適宜溫度操作。西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 5 從能量消耗上看，加壓也是有利。與中變流程相比 ,中串低工藝蒸汽消耗下降 ,飽和塔負荷減輕。 氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學纖維和 塑料。所謂中變串低變流程，就是在 B106 等 FeCr 系催化劑之后串入 CoMo 系寬溫變換催化劑。 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。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 在合成氨生產中，各種方法制取的原料氣都含有 CO，其體積分數(shù)一般為 12%~40%[2]。單系列合成氨裝 置生產能力將從 2020t/d 提高至4000~5000t/d。 中串低變換工藝 所謂 中溫變換串低溫變換流程， 就是在 B107 等 FeCr 系催化劑之后串入 CoMo系寬溫變換催化劑 [1]。與原高變催化劑比較，催化劑用 量 可以減少一半 以上，降低了變換爐床層阻力，降低了壓縮功耗。 (3)汽氣比 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣。 圖 11 合成氨變換工段工藝流程圖 主要設備的選擇說明 中低變串聯(lián)流程中，主要設備有中變爐、低變爐、飽和熱水塔、換熱器等 [10]。 所以： Xp= ? ?? ? ?? ?? =74％ 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)： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 西南科技大學本科生畢業(yè)論 文 9 查《 小合成氨廠工藝技術與設計手冊 》可知 Kp=12 時溫度為 397 ℃ 。 表 27 出中變爐一段的變換氣干組分列表 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 含量％ 100 m3(標 ) kmol 剩余的 H2O 的量為： +2 = m3(標 ) = kmol 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分的體積： V 總（濕 ） =+++++ = m3(標 ) = kmol 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中 H2O 的含量 ： H2O％ = =% 故出中變爐一段催化床層的變換氣濕組分中 CO2的含量 ： CO2％ = %? =％ 同理可得： CO％ = ? =％ H2％ = ? =％ N2％ = ? =％ CH4％ = 000351 ? =％ 所以 出中