合成氨工艺毕业设计(2)

加压变换，以降低能耗，用粉煤加压气化做原料气，其变换压力一般在5.5Mpa以下，以油渣为原料最高压力已达8.5Mpa。

CO变换流程，对与固定层煤气化装置配套时，所用设备较多。与部分氧化法急冷流程相配套时，流程较简单，只需要在流程中设置变换炉和换热设备即可。

将半水煤气经过增湿加热，在一定的温度和压力下变换炉内，借助催化剂的催化作用，使半水煤气中的一氧化碳（28%）与水蒸气进行化学反应，转变为二氧化碳。和氢气制得合格的变换气（CO<0.3%），以满足后工段的工艺要求。

一氧化碳与水蒸气在催化剂上变换生成氢和二氧化碳的过程为一氧化碳的变换，这一过程很早就用于合成氨工业，在合成氨生产中，由于制取气的生产成本中占加大的比重。因此，要尽一切可能设法获得更多的氢气，煤气中的一氧化碳对于合成氨催化剂有严重的毒害，必须设法除去。利用一氧化碳与水蒸气作用生成氢和二氧化碳的反应，可以增加合成氨原料煤气中氢气的含量；根据不同的催化剂和工艺条件。煤气中的一氧化碳含量可以降低为0.2%～0.4%，由于二氧化碳的除去较一氧化碳要容易的多，这样就简化了煤气的精制过程。同时，经过回收后可以作为生产尿素、纯碱等的原料，因此，一氧化碳变换反应在合成氨工业中具有重要的意义。

从小氮肥生产的发展趋势来看，发展方向是回收能量，另一方面是研究新型催化剂。

此次设计的目的有二：一是必须达到所要求的变换率，即出口一氧化碳的百分含量为4%；另一方面是极可能地回收热量。变换率的实现是通过中温变换实现的，能量回收是利用第二热水塔，饱和热水塔等设备回收能量。 1.3.2 原理

一氧化碳变换的反应式为

一氧化碳变换为可逆反应，因此应尽可能使反应向有利于生成氢和二氧化碳的方向进行，而残余的一氧化碳则在以后的工序中用铜氨液洗涤去等除去。

变换反应是放热反应，升高温度可促使反应平衡向左方移动，降温则向右移。因此，反应温度愈低，愈有利于变换反应，但降温必须与反应速度和催化剂的性能一并考虑，反应温度必须在催化剂的使用温度范围内选择。

变换反应使等分子反应，因此从反应平衡看，提高变换压力，对反应平衡没有影响。但加压对析碳等副反应却是有利的。从反应动力学来看，提高变换压力使得分子间的有效碰撞次数增加，可以加快变换反应速度，提高催化剂的生产能力。当变换反应达到平衡时一氧化碳的变换率叫做平衡变换率，蒸汽比对平衡变换率的影响：随着蒸汽比的提高，平衡变换率增加，但增加的趋势是先快而慢，

当蒸汽比提高到某一段数值后，平衡变换率的升高就很慢了，因此在蒸汽比过低的情况下，提高蒸汽比对提高平衡变换率和反应速度有利，但过高的蒸汽比则在经济上是不合理的。

由固体原料间歇制气制得的半水煤气中含有CO（在本设计中体积比为34.5%），CO并不是合成氨生产的原料气反而会使合成氨触媒中毒。因此，在合成前必须将它除掉。工业生产上采用在触媒作用下，用水蒸气与CO作用，大部分CO转化为CO2，同时获得合成氨所必须的氢气。 由反应式知：

① 反应前后体积不变：从化学平衡角度来看，提高压力不能使化学反应向右移动，但可以促进分子间的有效碰撞，加快反应速度，提高催化剂生产能力。

② 反应为一放热反应：降温时反应向右移动，有利于CO变换，但触媒只有在一定温度下才具有较高的活性，所以，一般操作温度都是根据触媒活性温度的不同而不同。一般中变温度为300～500℃

③ 此为一可逆反应：增加反应物浓度可促进正反应进行，故增加反应物蒸汽的量可以使反应向右进行，有利于提高变换率，且过量的水蒸气还起到热载体的作用。提高水蒸气比例，含湿原料气中CO含量下降，催化剂床层的温升将减少，所以，改变水蒸气的用量湿调节床层温度的有效手段。但CO变换率并不是与蒸汽量成正比增加。同时，蒸汽用量过多，会使炉温不好控制而且不经济，所以要有适当的蒸汽比，中变操作时适宜的水蒸气比例一般为：H2O/CO=3～5。 1.3.3工艺流程简述

含32.5% CO、温度为40℃的半水煤气，加压到2.0Mpa，经热水洗涤塔除去气体中的油污、杂质，进入饱和塔下部与上部喷淋下来的120～140℃的热水逆流接触，气体被加热而又同时增湿。然后在混合器中与一定比例的300～350℃过热蒸汽混合，25%～30%的气体不经热交换器，作为冷激气体。其他则经热交换器进一步预热到320℃进入变换炉。进第一段催化反应后温度升高到460～500℃，冷激后依次通过二、三段，气体离开变换炉的温度为400～410℃，CO变换率达90%，残余CO含量为3%左右。变换气经热交换器加热原料气，再经第一热水加热器加热热水，然后进入热水塔进一步冷却、减湿，温度降到100～110℃。为了进一步回收余热，气体进入第二热水加热器（即锅炉给水预热器），温度降到70～80℃，最后经冷凝塔冷却到常温返回压缩机加压。

第2章 工艺计算

2.1 物料及热量衡算

2.1.1 已知条件及计算标准 a. 半水煤气组分（干）

组分

CO2

CO 27.78 9723 434.063

H2 38.47 13464.5 601.093

N2 23.3 8155 364.063

CH4 1.2 420 18.75

O2 0.4 140 6.25

合计 100 35000 1562.5

b. 压力

8.85 3097.5 138.281

进工段煤气压力2.0MPa（表压） 进工段蒸汽压力2.5MPa（表压） c. 温度

进系统半水煤气温度40℃ 一段进口温度320℃； 一段出口温度485℃ 二段进口温度370℃； 二段出口温度430℃ 三段进口温度400℃； 三段出口温度415℃； 出系统变换气温度35℃ 循环热水温度120℃

出系统变换气（干）中CO含量2.0% d. 计算基准

以1t氨为计算基准，设备能力以12.5t为基准。 2.1.2 中温变换炉物料及热量计算 (1) 干变换气量及变换率的计算

设氧与氢在变换炉一段催化剂内完全燃烧生成水，由O2?H2?H2O 知，实际参加CO变换反应的半水煤气量为

V实?V总-3?VO2?34580① 则实际参加CO反应的半水煤组分（干）为

组分

CO2 8.96 3097.5 138.282

CO 28.12 9723 434.063

H2 38.13 13184.5 588.594

N2 23.58 8155 264.063

CH4 1.21 420 18.75

O2 0.00 0 0.000

合计 100.00 34580 1543.75

则CO总变换率为:

变换气中CO含量为

② 则变换气组分（干）为

组分

CO2

CO 2.0 868.65 38.7791

H2 53.95 22427.089 983.877

N2 14.29 8155 264.0625

CH4 0.79 420 18.75

O2 0.00 0.000 0.000

合计 100.00 43432.641 1938.9571

26.96 11207.090 533.5665

(2) 总蒸汽比计算 以

的干半水煤气为计算基准，设中温变换炉出口变换气温度为415℃，

℃

平衡温距取25℃，则CO变换反应式为：

则

,

CO反应量

查手册[1]，知440℃时

则总

需要的蒸汽量为

(3) 中变炉一段催化剂层物料及热量计算 a. 一段平衡转化率

带入数据求得

b. 入炉蒸汽比（汽/气）计算

由上面求得CO在一段催化剂层转化率层与氢完全燃烧生成水，则CO反应量为：

CO总反应量为

，70%的半水煤气进入一段催

化剂层，30%的半水煤气作为一段出口气的冷激气。且70%的O2在一段催化剂

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