【文章內(nèi)容簡介】 變換反應制取氫時，所用催化劑的主要組分為鐵和鉻的氧化CO物，通常稱為鐵 鉻系 變換催化劑，即中溫變換催化劑。中溫變換催化劑的組分是以氧化鐵為主，氧化鉻為主要助劑的鐵鉻系催化劑。為提高催化劑的性能，一些型號的催化劑中還添加了 、 、 或 等助劑。2KOCaMg23AlO中變催化劑中 不具有催化活性，必須在有水蒸氣存在的條件下用 或 還原成23FeO HC才具有較高的活性。其還原過程為：34Fe 23342Fe+HFeO+? C畢業(yè)設計說明書42．中變催化劑的操作條件(1)溫度 溫度升高能加快反應速度，但平衡常數(shù)則變小，反之則相反。我國絕大多數(shù)中變催化劑的操作溫度范圍均在 300～500℃，超出此范圍則 轉(zhuǎn)化率及使用效CO果受到影響。因此，中變催化劑的操作溫度通常應遵循如下原則：只要能穩(wěn)定達到指標——最終出口變換氣 低于或等于某一濃度，催化劑的操作溫度（通常指進口溫度CO或操作溫度）應盡可能在較低溫度下操作，不輕易提高。(2)壓力 變換反應是等分子可逆反應，壓力對其化學平衡沒有影響。工業(yè)設計中，常壓變換時中變催化劑的干氣空速取 300～500 。而壓力為 ～ 時，1hMPa空速達 800～1500 。由此可見壓力對催化劑的活性有顯著影響，由于加壓下反應速1h度加快，變換催化劑的用量少于同規(guī)模下常壓變換的用量。隨操作壓力提高，中變催化劑空速相應增大。(3)汽氣比 汽氣比是指入變換爐水蒸氣與干氣中 的體積比，但設計中常用水CO蒸氣與干氣的體積比作為汽氣比。根據(jù)工廠實際操作經(jīng)驗，最適宜汽氣比以 計2HO/C為 3～5。2．中變催化劑的優(yōu)點在 350～450℃時具有較高的活性；機械強度較高，不宜粉碎；對 的毒害不如2S銅鋅系催化劑那樣敏感，即使中毒，也很易再生；耐熱性能較好；對 分解和生成CO甲烷的副反應具阻抑作用；使用壽命一般可達 3～4 年。 一氧化碳寬溫耐硫變換催化劑鈷鉬系寬溫變換催化劑于 20 世紀 70 年代初問世，我國于 1985 年開始在合成氨廠使用此類催化劑。鈷鉬系寬溫變換催化劑有兩大類：鈷鉬鉀系和鈷鉬鎂系。其中鈷鉬鉀系廣泛使用于以煤或重油為原料，變換壓力低于 的合成氨廠。MPa寬變催化劑同其他類型的化肥催化劑一樣，出廠產(chǎn)品為氧化態(tài)，需要經(jīng)過硫化方可使用。硫化劑一般 ， （因 沸點低、易燃燒、不宜運輸，目前有的廠用泡沫硫2CS2和固體硫化劑代替 進行寬變催化劑的硫化）： 224+HSC? O3O2M+3H畢業(yè)設計說明書5O2O2C+HS?一般來說，鈷鉬催化劑的優(yōu)點有：能耐很高濃度的硫化氫，故特別適用于重油部分氧化法和以煤為原料的流程；活性溫度較鐵鉻催化劑低，而且機械強度較高；不產(chǎn)生甲烷化反應，能在 ～ 、溫度 200～400 ℃的范圍內(nèi)操作；在使用過程中，MPa如在催化劑上有高分子等化合物沉積時，可以用空氣與惰性氣，或空氣與水蒸氣混合進行燃燒再生，重新硫化使用。所以，對于以重油或煤為原料的合成氨廠，可選用耐硫變換催化劑。 工藝流程說明工藝流程設計的依據(jù)是原料中的 CO 含量，CO 含量高于 10％則應采用中溫變換，因為中溫催化劑操作溫度范圍較寬，而且價廉易得。大多數(shù)合成氨原料氣中的 CO 均高于 10%，故應通過中溫變除去大部分 CO，根據(jù)系統(tǒng)反應的絕熱溫升，為使催化劑在允許的活性溫度范圍內(nèi)操作，對 CO 含量高于 15%者，一般應考慮將反應器分為二段或三段。其次，根據(jù)進入系統(tǒng)的原料氣溫度及濕含量，當溫度及水蒸氣含量低，則應考慮氣體的預熱及增濕，合理利用余熱。第三是將 CO 變換與脫除殘余 CO 的方法結(jié)合考慮。如脫除方法允許殘余 CO 含量較高，則僅采用中變即可；一氧化碳含量要求達到 35％以下可將中變與低變串聯(lián)，以降低變換氣中一氧化碳含量。在此設計中，原料氣中 CO 含量為 27%，殘余 CO 含量為 %，故在設計中采用中變串低變的工藝流程。由本設計工藝的要求，采用中變與低變串聯(lián)的加壓變換（見圖 1） ，以降低變換氣中 CO 的含量?，F(xiàn)對本流程簡述如下：半水煤氣經(jīng)脫硫后由壓縮機加壓至 （絕）進入油分離器除去半水煤氣中的煤焦油等雜質(zhì)，送入飽和塔下部，與自上而下的熱水逆流接觸，進行熱量和物質(zhì)的傳遞，原料氣被加熱，并被水蒸氣飽和從塔頂出來，與從中間換熱器出來的水蒸氣混合，補加部分蒸汽，溫度達 265℃，然后進入汽水分離器分離掉夾帶的水滴。再依次進入主熱交換器、中間換熱器，與反應后的變換氣換熱，溫度達 300℃左右，進入中溫變換爐一段進行 CO 變換反應，繼而進入中間換熱器過熱段與水蒸氣換熱，經(jīng)過增濕進入中變爐下段進行反應，使出爐變換氣中 CO 含量（干基）降至 %以下。在兩段催化劑層中間加有增濕裝置，以增加變換氣的濕含量，并降低變換氣的溫度。出中變爐的變換氣依次進入主熱交換器，調(diào)溫水加熱器，降溫后，進入低溫變換爐。發(fā)生反應，畢業(yè)設計說明書6使出爐變換氣中 CO 含量在 %以下。離開低溫變換爐后，低變氣進入水加熱器加熱由熱水泵來的水，溫度降至 107℃，進入熱水塔，在塔內(nèi)變換氣與自上而下的熱水逆流接觸，氣體溫度降至 98℃，再依次進入熱水循環(huán)塔進行冷激、軟水加熱器、變換氣水冷卻器設備，使變換氣溫度降至 35℃至常溫送碳化或脫碳工段。系統(tǒng)中的熱水在飽和熱水塔、水加熱器、調(diào)溫水加熱器中循環(huán)，定期排污及加水，保持循環(huán)水的質(zhì)量和水平衡。畢業(yè)設計說明書7畢業(yè)設計說明書8畢業(yè)設計說明書9 設備選型及布置化工設備是化工生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎，對工程項目投產(chǎn)后的生產(chǎn)能力、操作穩(wěn)定性、可靠性以及產(chǎn)品質(zhì)量等都將起重要作用。因此，對設備的選擇和設計計算要充分考慮工藝上的要求；盡量選用先進設備并力求投資少、用量少；要運行可靠操作安全；便于連續(xù)化和自動化生產(chǎn)；要能創(chuàng)造良好的工作環(huán)境和無污染以便于購置和容易制造等。 設備選型的基本要求1．技術經(jīng)濟指標（1）選用價格低廉,制造容易,結(jié)構(gòu)簡單的設備；（2）選用管理費用低的設備,比降低產(chǎn)品成本；（3）設備應能適應生產(chǎn)流程需要,且具有高效率。2．設備結(jié)構(gòu)上的要求（1）必須符合化工機械設備規(guī)范要求；（2）密封性要好；（3）防腐性能好,使用年限長；（4）便于操作檢查。 設備布置說明1．遵循生產(chǎn)工藝流程的自然順序的原則，確保工藝流程路線最短；2．對常聯(lián)系的設備應盡量靠近，以方便操作；3．布置設備時盡量創(chuàng)造良好的環(huán)境，給操作人員留有必要操作空間和安全距離，留有必要設備的檢修空間；4．對重型設備或易震動設備應布置在廠房的地表層；5．布置設備要盡量利用工藝特點，讓物料自動壓送，一般升降設備布置在最高層，主要設備及反應器等布置在中層，貯槽設備布置在最底層；6．本工段設備布置均采用露天成列布置，塔間中心距均以 6m 為準，設備布置利用工藝特點，讓物料自動壓送，節(jié)省能量，油分離器布置在最高層，冷凝液貯槽布置在最低層，其余設備布置在中層；7．廠房布置以 6——6m 型布置，分兩層設計，泵房布置在靠近設備的一側(cè)，泵與泵、泵與墻間距不小于 ，并且成排布置。畢業(yè)設計說明書10 三廢治理說明三廢是指在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的“廢氣、廢渣、廢液” ，產(chǎn)生的廢氣中，無毒的氣體可以放空，有用氣體可以回收利用；對有毒氣體，則必須把有毒成分轉(zhuǎn)化為無毒成分放空；廢渣一般集中放置，統(tǒng)一回收管理；廢液放入廢液池中，回收有效成分以便利用。化工設計必須全面貫徹“全面規(guī)劃，合理布局，化害為利，保護環(huán)境，造福人民”的總方針。合理有效利用各種資源和能源，防止污染物和其他有害物質(zhì)，保護人類的生存環(huán)境。畢業(yè)設計說明書11 本工段各種工藝操作指標表 一氧化碳多段變換工段各工藝指標序號 指標名稱 指標1 半水煤氣進設備溫度℃ 35℃半水煤氣出設備溫度℃ 35℃2 中溫變換爐一段出口℃ 420℃中溫變換爐二段出口℃ 360℃低溫變換爐出口℃ 232℃3 進系統(tǒng)熱水溫度℃ 61℃4 變換率％中溫變換爐一段出口％ ％中溫變換爐二段出口％ ％低溫變換爐出口％ ％5 變換氣中一氧化碳含量（干基％）出中溫變換爐一氧化碳含量（干基％） ％出低溫變換爐一氧化碳含量（干基％） ％7 進工段蒸汽壓力（ ） MPa MPa畢業(yè)設計說明書12半水煤氣工段壓力（ ） MPa第二章 一氧化碳變換工藝計算 設計條件已知條件及計算基準表(1)半水煤氣表 半水煤氣組分（干）組 分 CO22H2N4CH2O合 計%27 11 40 1003Nm 3800kol (2)壓力 進工段煤氣壓力 （絕）MPa 蒸汽壓力 （絕）壓力損失:每相鄰兩設備之間的壓降 =?MPa(3)溫度進變換工序的半水煤氣溫度 35℃出變換工序的半水煤氣溫度 35℃精煉來循環(huán)水溫度 61℃進中變換爐一段催化劑氣體溫度 300℃進低變催化劑層氣體溫度 185℃畢業(yè)設計說明書13(4)要求出中變爐變換氣(干基) ≤（～）CO?出低變爐變換氣(干基) ≤(5)計算基準以 1 噸氨為計算基準,則消耗半水煤氣的量為 3800 3Nm設備處理能力以 氨／ 為基準th(6)催化劑型號中溫變換爐 鐵－鉻系催化劑 109B低溫變換爐 鈷－鉬系催化劑 302Q 中溫變換爐物料及熱量計算 干變換氣量及變換率的計算設氧與氫在變換爐一段催化劑內(nèi)完全燃燒生成水，由 +2H=O 知，實際參加 CO 變換反應的半水煤氣量為 2OHV????????實式中： 2 3OHNm為 混 合 氣 中 的 氧 氣 量 ，為 參 加 反 應 的 氫 氣 的 量 ， . NV??????氧實則干變換氣量為 COyx????????變式中：3Nm%coVy?半 水 煤 氣 體 積 ，混 合 氣 中 含 量 ， 由資料 [1]式(435)知 CO 總變換率為39。39。()10COCOVX????????????式中：畢業(yè)設計說明書1439。 CO%coV?變 換 前 煤 氣 中 體 積 ， 變 換 氣 中 體 積 ， 其中 : ???由設計任務書知出低變爐變換氣（干）中 COV≤%,故取39。CO=%CO 的總變換率為 ()0%?????則 3380(.)?變CO 變換總量為 3754.%?最終變換氣中 CO 量為 . ?? 總蒸汽比（汽/氣）的計算設低溫變換爐出口變換氣溫度為 230℃，平衡溫距取 24℃，平衡溫度為 254℃，CO變換反應式 + 2HO ? 2C + 設 a b c d則 a=；c=；d=反應量 %???干 半 水 煤 氣由資料 [1]，表（426 ）查得 254℃時， = 2 2(CO)()???????????將 a, c, d, 值代入上式畢業(yè)設計說明書15????????????解得 b= 即汽氣比為 上式中 2O為煤氣中氧的濃度需總蒸汽量（包括噴的冷凝水量） ?? 中變爐一段催化劑層物料及熱量衡算1．入爐蒸汽比（汽/氣）計算 設 CO 在一段催化劑層轉(zhuǎn)化 60%，且 O2 在一段催化劑層與氫氣完全燃燒而生成水，則 CO 反應量為 33CO60Nm/10????????????干 半 水 煤 氣CO 總反應量 ?設氣體出一段催化劑層溫度為 420℃，平衡溫距取 28℃，出口氣平衡溫度為 448℃，由資料 [1]表（ 426）得 448℃時 ?2 2(CO)()?????? ?????將 a、c、d 及 O2 等代入式，得??????????解得 b= 即汽/氣＝入爐蒸汽量 ???入爐濕氣組成畢業(yè)設計說明書16表 入爐濕氣組成組分 CO CO2 H2 N2 CH4 O2 H2O 合計% 100Nm3 kmol 2．平衡變換率計算及出一段催化劑層氣體組成設 420℃的 CO 平衡變換率為 ，查資料 [1]表（426）得 420℃? 2 2(CO)()?????? ??????將入爐氣有關組分代入上式得 ?????? ?????解得 =%PX實際變換率為平衡變換率的 0%??出一段催化劑層干氣體量 CO??????????????PVyX干 式中: 3Nm為 入 催 化 劑 層 的 干 氣 量 ， COy為 混 合 氣 中 體 積 ， % PX為 一 氧 化 碳 在 一 段 催 化 劑 層 轉(zhuǎn) 化 率 NV????干 ＝表 出一段催化劑層干氣組成組分 CO CO2 H2 N2 CH4 合計% 100畢業(yè)設計說明書17Nm3 4370kmol 出一段催化劑層剩余蒸汽量+2==表 出一段催化劑層濕氣組成組分 CO CO2 H2 N2 CH4 H2O 合計% 100Nm3 kmol 3．熱量衡算計算 CO變換反應氣體溫升入熱反應放熱 1Q設氣體由 320℃升至 4