毕业论文综述

1、毕业论文综述92kt/a合成氨变换工段初步设计文献综述学 生：学 号：专 业：班 级：指导老师：四川理工学院材料与化学工程学院二。年11月文献综述氨是一种重要的化工产品，主要用于制造尿素、硝酸镂、磷酸钺、硫酸铉以及其他化 工产品，而且随着世界人口的不断增长氨的用量还会不断的增多。合成氨生产经过多年的 发展，生产工艺己经发展的比较成熟，现在的发展趋势是大型化，以及节能和环保。合成 氨的生产主要分为：原料气的制取；原料气的净化与合成。在合成氨生产中，CO可以使氨合成触媒中毒，对生产极为不利，必须除去。而 变换工段作用就是除去CO从而获得有效气体H2。变换工段是指CO与水蒸气反应生成二 氧化碳和氢气

2、的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。因此，CO变换既是原料 气的净化过程，乂是原料气造气的继续。最后，少量的CO用液氨洗涤法，或是低温变换 串联甲烷化法加以脱除【1】0变换工段是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起 着非常重要的作用。1. 1变换工艺流程的应用现状:目前，合成氨的变换工艺流程主要有中（高）变-低变串联流程、多段变换流程、中 低低变工艺、全低变流程。由于现在原料气中C。含量较高，大多数合成氨厂主要采用的 是中（高）温变换中低变，但是随着80年代中国在开发成功耐硫的Co-Mo催化剂的基础上, 乂开发了适用于全低变工艺的宽温耐硫催化剂，例如B30

3、3Q,全低变工艺从1990年实现工 业生产后，经过几年的实践获得成功，并在中小型氨厂中推广适用。全低变工艺流程还是 有很好的发展前景。1.2各变换工艺的特点:1.2.1 中（高）变-低变串联用此流程时，一般与甲烷化方法配合。所谓中变串低变流程，就是在B107等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-M。系宽温变换催化剂。在中变串低变流程中，由于宽 变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低: 另一方面变换气中的C0含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的 操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗【1】。变换反应为放热 反应，中低低工艺

4、较好地满足了工艺设计中“高温提高反应速度，低温提高转化率”的基 本原则，利用中变的高温来提高反应速度，脱除有毒杂质（如氧等），同时由于中变催化 剂价格低，节约资金，利用两段低变来提高转化率实现节能降耗，这样充分发挥了中变催 化剂和低变催化剂的特点。1. 2. 2多段变换流程以煤气化制得的合成氨的原料气，C0的含量较高，需要采用多段变换，而且由于进入 系统的原料与湿度比较低，流程中设有原料气预热及增湿装置。对于小型合成氨厂，因采 用铜氨液最终清洗C0,该法允许变换气CO含量较高，故不设低温变换。一般变换炉分为 三段，一、二段间冷却降温，二、三段间冷却用用蒸汽间接换热，将饱和蒸汽变为过热蒸汽，这对

5、缺乏过热蒸汽的小型氨厂尤为合适, 使用过热蒸汽可显著的减轻热交换器的腐蚀【1】。1. 2. 3全低变工艺全低变工艺是指全部适用宽温区的钻钳系耐硫变换催化剂，不再用中底变催化剂，这 是变换工艺80多年发展的一次飞跃。目前全低变工艺流程有两种：一种是新设计的；一 种是将原有中小型装置加以改造的。全低变工艺为一种节能新工艺，具有能耗低，在相同 条件下其反应温度低，设备生产能力大的优点。但全低变工艺催化剂活性下降快，使用寿 命相对较短。基于此，一般在一段入口前装填保护剂和抗毒催化剂，从而起到保护低变触 媒的作用。这样可防止触媒老化，使用寿命缩短，系统阻力升高较快等问题的出现。80年 代中国在研究Cof

6、fo催化剂的同时，有开发了使用与全低变工艺的宽温耐硫催化剂，例如 B303Q.全低变工艺从1990年实现工业化后，经过几年的实践获得了成功，并在中小型氨 厂推广使用【1】。1. 2. 4中低低工艺中低低工艺主要是变换原反应为放热反应，它叫好的满足了工艺设计中“高温提高反 应速率，低温提高转化率”的基本原则，利用中变的高温来提高反应速率，脱除有毒杂质 （如氧等），同时由于中变催化剂价格低，节约资金，利用两段低变来提高转化率实现节 能降耗，这样充分的发挥了中变催化剂和低变催化剂的特点1工艺原理：一氧化碳变换反应式为：C0+H20=C02+H2+Q（1-1）C0+H2 = C+H20（1-2）其中反

7、应（1）是主反应，反应（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向 进行，工业上采用对式反应（1-1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。变换过程 中还包括下列反应式：H2+02=H20+Q1. 2. 5中低低工艺与全低变工艺的比较从目前情况来看，中低低与全低变各有利弊：中低低实现了触媒活性温度的最佳组合, 创造出能耗、阻力及操作的理想效果。而全低变则有能耗低、相同产能下设备小的优点，但操作相对复杂。鉴于目前合成氨企业规模日大，企业的管理水 平、职工的操作水平也相应提高，故全低变工艺前景看好。1.3工艺条件:1.3

8、. 1压力:压力对变换反应的平衡几乎没有影响。但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易 于进行。单就平衡而言，加压并无好处。但从动力学角度，在一定的温度下，对同一种催 化剂，随着压力的增加，校正系数增加，加压可提高反应速率。加压对低变催化剂也有相 似的影响。从能量消耗上看，加压也是有利。由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数, 所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。而加压就要 求设备的材质更加好。但是总的来说加压还是有利的。具体操作压力的数值，应根据中小 型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定。一般小型氨 厂操作压力为0. 7-1. 2

9、MPa,中型氨厂为1. 21. 8MPa0而天然气为原料的合成氨厂的压力 还是由转化压力来决定的。本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力 可取 1. 7MPa 1 o1. 3. 2温度：温度是变化反应中最重要的工艺条件。变化反应是可逆放热反应，随着反应的进行温 度不断升高，从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利, 但平衡常数随温度的升高而变小，即C0平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不 利，可见温度对两者的影响是不一样的。因而在着最佳反应温度对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式Tm=TeRTeE21?lnE2?ElEl式中Tm、Te-

10、分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随 系统组成和催化剂的不同而变化。但是反应温度的确定是需要多方面的考虑的。首先应该在催化剂的活性范围内，应该 防止温度过高造成催化剂的有效成分的烧结降低催化剂的活性：其次是随着催化剂的使用 时间的增加，由于老化、粉碎等原因，操作温度可以适当的提高；最后应该采用分段冷却 的方式来控制来接近最佳反应温度【1】。1.3. 3汽气比：水蒸汽比例一般指H20/C0比值或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比例是工业变换反应 中最主要的调节手段。增加水蒸汽用量，提高了 C0的平衡变换率，从而有利于-降低C0残 余含量，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中

11、活性组分Fe304的 稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生，从而降低了 C0的残余量，加 速了变化反应的进行。而且改变水蒸气的用量是调节床层温升的有效手段。但是，汽气比 不是越高越好，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，将造成催化剂床层阻力增加；co停留时间缩短， 余热回收设备附和加重等，所以，中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：H2O/CO=3 5,经反应后，中变气中H2O/CO可达15以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求1 O1.4 工艺流程确定：目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低4种工艺。

12、工艺流程的设计依 据主要是原料气中CO的含量。含量高就采用中高变换，因为中高变化中的催化剂操作温 度范围较宽，而且比较经济；然而大多数的原料气中CO的含量都高于10垢故都可以通过 中高温变化来除去大多数的CO,反应为放热的，考虑的温升会影响催化剂的活性，所以大 多中变炉都分为二到三段。乂考虑到出口对CO残余量的要求不同，多数情况是和低变一 起用的。鉴于本次设计是以天然气为原料，CO的含量比较适合使用中低变串联，来使出口 CO的量比较低。含13%到15%C0的原料气经废热锅炉中变换气从920降到330C,在废 热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间，但是原料气中的水蒸气含量较高可以不 加入蒸

13、汽，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%左右，温度为425到450度 时，再通过中变废热锅炉，将转换气的温度降到180c左右，进入低变炉将转换气中一氧 化碳含量降到0.3%以下，再进入甲烷化工段【1】o1.5 对本设计评述：天然气变换工段工序是合成氨生产中的第一步，也是较为关键的一步，因能否正常生 产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此,必须控制一定的工艺 条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。在本设计中，根据已知的天然气组成， 操作条件，采用了中变串低变的工艺流程路线。根据计算结果对主要设备中变炉，主换热器，调温首先对中，低变进行了物料和热量衡算，在计算的基础上, 选型，最终完成了本设计的宗旨。设计中一共有中温废热锅炉, 水换热器，低变炉几个主要设备。参考文献1陈五平.无机化工工艺学M.第三版.北京：化工工业出版社，2002.4 2陈广爱. 小型合