摘要本设计为年产36万吨合成氨一氧化碳变换工段工艺设计。

变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用。

介绍氨的基本性质和用途，阐述了变换工段工艺发展概况，优化了合成变换的工艺流程。

确定本设计采用中变串低变的工艺流程，本次设计利用 ASPEN PLUS V.11对设计过程进行模拟，统筹多种因素合理安排合成工艺中的各种设备及其形式、参数，通过 ASPEN 软件中的 Simulation、Energy analysis 模块完成各部分及全过程的物料及能量衡算。

并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算，做出了合成氨变换工段中变串低变的工艺流程图和设备布置图。

所得结果基本满足设计要求，工艺流程可行。

关键词：合成氨一氧化碳 ASPEN PLUS V.11 中低温变换第一章绪论1.1氨的基本性质氨（Ammonia），一种氮和氢的化合物，NH是一种无色气体，有强烈的刺激性3气味，易溶于水，室温和大气压力1体积的水可以溶解700倍体积的氨，水溶液也称为氨水。

它被冷却加压成液体，液氨是一种制冷剂。

氨也是制造硝酸、肥料和炸药的重要原料。

氨对地球上的生命很重要，它是许多食物和肥料的重要成分，氨水也是所有药物的直接或间接成分。

氨有多种用途，但也有腐蚀性和其他危险性。

由于其广泛的用途，氨是世界上最大的无机化合物生产商之一，其中80% 以上用于制造化肥。

氨也是路易斯碱，因为它提供了孤对电子。

1.2 一氧化碳变换反应的意义与目的在合成氨的生产过程的原料中存在着有害的一氧化碳成分，因此就要除去一氧化碳，在这一过程中CO变换起着至关重要的作用。

反应所需的反应气来自天然气，但是天然气中含有一氧化碳成分。

在合成过程所需的原料，不能用一氧化碳，因为毒害作用，会使催化剂失效。

因此必须除去CO成分，这一目的需要在催化剂的促使下通过变换反应来完成。

使用催化剂的情况下，发生CO+H2O=CO2+H2反应。

通过该反应，既去除了大部分的一氧化碳，又制得了等量的氢，消耗的也只是水蒸气。

那么，这一反应即消除了一氧化碳纯化了原料气体，又是原料气的再生。

最终使一氧化碳的量净化降低至3%左右。

总之，利用一氧化碳变换工段，既减少了污染，又节约了成本，具有很好的经济效益和实用效果[1]。

1.3 设计依据经过各个大中小型企业经过多年的摸索研究，合成氨的发展现在已经具备了一套成熟的化学生产工艺。

整个合成氨工艺大致可分为四个阶段，即造气、净化、压缩、合成。

初始的反应气中通常存在着很多的的碳，因为一氧化碳对反应催化剂有毒，所以需要在进入氨合成工序之前将其中的CO经变换工艺将其转变为CO2除去。

合成所需要的H2。

因此，CO变换即消除了一氧化碳纯化了原料气体，同时是原料气的再生。

行如果仍然存在少量的CO，可以将氨溶解于水中，形成氨水，达到洗涤除去的目的。

变换工段是借助于一定温度，特定的催化剂，使一氧化碳与水蒸气发生反应生成有效气体氢气与二氧化碳。

在各个大中小型企业中发挥了至关重要的作用。

在这里采取中串低变的方法，中串低变这一概念是从上世纪80年代流的。

中变串低变是在B109,B1113,B114,B115等作为催化剂的前提下，以铁-铬系催化剂为主要添加物，然后再串进钴-钼系宽变催化剂的工艺。

这一工艺使反应所需的条件发生了很大的变化。

一方面最大程度的降低了入炉蒸汽比，另一方面又最大程度的降低了出炉气体中的CO含量。

因为中变后钴-钼系宽变催化剂的串入，不仅使反应所需的条件发生了很大的变化，而且还大大降低了能耗，更方便了变换系统操作。

1.4 变换工艺的选择变换工艺主要有 4 种：全中变、中串低、全低变和中低低。

对于每一种变换工艺，由于采用不同的热回收方式而使变换工艺流程及设备结构有所不同。

合理选择变换工艺应考虑以下因素：半水煤气、水和蒸汽的质量；半水煤气中硫化氢含量；变换气中 CO 含量要求；对变换后续工段的影响；企业现有的管理水平和操作水平。

中变段间的热回收方式最主要有 3 种：煤气冷激、中变炉内喷冷激和中变炉外喷水增湿。

中变段间煤气冷激与中变炉内喷水冷激两种中低工艺流程各有优缺点。

现比较如下面：① 节能效果：段间喷水热回收率高，直接将段间高位能转化为蒸气，增加了汽气比，降低了蒸汽消耗，节能效果比段间煤气冷激要好。

② 设备：段间喷水冷激需在中变炉内设置蒸发层和喷头，这样与煤气冷激相比中变炉的结构就更为复杂，设备高度亦需增加，煤气冷激流程有部分半水煤气不经过主热交换，因此主热换热面积也比炉内喷水流程要小。

③ 操作运行：煤气冷激流程操作简单，但需防止中变下段发生偏流，造成床层漏氧，引起低变一段催化剂中毒失活，炉内喷水冷激操作要求高，冷激水最好能用脱氧软水，喷水冷激装置既要达到所需的喷淋量，又要保证雾化好，以免中变下段催化剂粉化和结块。

通过以上比较，中变炉内喷水冷激流程具有节能，运行费用低等优点，中变段间煤气冷激流程具有操作简单、投资省等优点。

因此本设计采用中变－低变串联流程，且中温变换炉采用段间煤气冷激流程。

第二章工艺原理和流程2.1 工艺原理CO变换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q (2-1)CO+H2 = C+H2O (2-2)以上是两次反应，(2-1)式是主要反应。

反应为可逆变化，为了避免反应反方向进行，进一步提高反应生成目的产物的效率，在合成氨过程中加入拥有良好选择性的催化剂。

(2-2)式是低温变换反应，也是(2-1)的副反应。

通过两次变换，一氧化碳含量减少到0.3%，从而纯化了原料气体，达到了优质、高效、节能、减排的目的。

整个生产过程主要分为三部分，分别是一二段的转化和中-低变串联流程。

如图2-1所示，首先经过天然气加氢脱硫，在一定温度和压力下使水碳比为3.5，然后进入一段转化炉对流加热反应，在集气管中的温度升到850℃左右，在输气总管的作用下，加热后的气体进入二段转化炉。

然后再把经二段转化气连续送入到第一换热器、第二换热器，回收高位能废热并使之由最初的1000℃降温至360℃左右。

最后将气体送进变换工序，进一步处理。

此时，变换工艺原料气在360℃、3.0MPa下进入中变炉。

转化气到达锅炉后，不再有转化炉的高温，而是冷却到了330℃。

在锅炉出口处加入水蒸汽，把汽气比调控在在3～5之间。

要求一氧化碳含量下降3%以下，然后送入中变炉实现这一过程。

这个时候的气体温度仍然有些高。

是不可以进行气体变换的，需要用来加热其他工艺气体达到换热效果，使温度降到180℃左右时送入低变炉。

在此过程中，换气中一氧化碳含量将会下降到0.3%以下，这时就可以进行后续工段的净化了[10]。

图2-1 工艺流程简图2.3.1 压力在一氧化碳变换工艺中压力虽不起决定性作用，但是，提高反应的压力将促使副反应发生。

从反应平衡来看的话，增加压力没有十分显著的好处。

不过从动力学角度来看，增加压力反而可以提高反应的速率，降低反应时间。

而且从耗能上看，增加压力可以减少能量的损耗。

由于干燥原料气体摩尔量小于干燥转化气体的摩尔量，增加压力后反应正向进行，因此，在转化前压缩原料气所需的能量低于在常压下压缩的能量消耗。

操作压力的确切数值，需要根据不同的工艺要求和合成氨厂配置来定，特别是投料过程中各个反应段的压力需求都不相同。

平常情况下，规模小点的合成氨工艺的数值在0.7-1.2MPa 的范围,中型合成氨工艺的数值在1.2-1.8Mpa 范围。

该生产工艺所需的原料气，是在规模不大的合成氨厂通过变换反应来的，取1.7MPa 的压力。

2.3.2 温度变换反应是可逆放热反应。

从动力学的角度看，升温使反应速率常数增大，减少了反应正向进行的时间。

但是从热力学角度考虑，升高温度反应朝着吸热方向进行，即逆反应，平衡常数随之变小，CO 平衡含量随之增大。

这时就要从动力学方面对反应所需的最适宜的温度进行计算。

Tm=1212ln 1E E E E RT T e e-+ （2-3）上式中，Tm 是最佳反应温度， e T 是反应平衡时的温度。

Tm 随反应物组分和催化剂的种类变化而发生改变。

第三章 工艺计算及流程模拟3.1中变炉一段催化剂床层的物料衡算 3.1.1 确定转化气组成一氧化碳变化工艺原料气组成见表3-1。

表3-1 原料气组成组分CO2CO H2N2CH4O2合计%9.611.4255.7122.560.380.33100计算基准：1吨氨年产36万吨合成氨生产能力：年生产时间：8000流量：45000kg/h要求出中变炉变换气组成（干基）中CO摩尔百分含量小于2%。

表3-2中变炉进口气组分（干基）组分CO2CO H2N2O2CH4合计含量，％9.611.4255.7122.560.330.38100kmol581.76692.0523376.0261367.13619.99823.0286060中变炉进口气体温度为330℃，中变炉出口气体温度为360.74℃。

P=1.75Mpa.进中变炉干气压力中3.1.2 水汽比的确定已知变换气为半水煤气制合成气工艺，因此取水碳比为3.5。

=5544kmol故N（水）表3-3中变炉进口气组分（湿基）组分CO2CO H2N2O2CH4H2O合计含量％ 5.01 5.9629.0911.780.200.2047.77100 kmol581.76692.0523376.0261367.13619.99823.028*********图3-1 中变炉ASPEN 模拟流程图以100kmol 转换气（湿基）为计算基准，其中CO 含量5.96%，要求经变换工艺后的原料气（湿基）中CO 含量为2%，故根据变换反应：CO+H 2O ＝H 2+CO 2则CO 的实际变换率为：X ％=()a a a a Y Y Y Y '+'-1×100=74％式中Y a 、'a Y 分别为原料及变换气中CO 的摩尔分率（湿基） 则反应掉的CO 的量为：5.96％×74％=4.41％ 则反应后的各组分的量分别为： H 2O ％=47.77％-4.41％+0.4％=43.76％ CO ％=5.96％ -4.41％=1.55％ H 2％ =29.09％+4.41％-0.4％=33.1％ CO 2％=5.01％+4.41％=9.42％ 中变炉出口的平衡常数：K= （H 2％×CO 2％）/（H 2O ％×CO ％）=4.6查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知K=4.6时温度为510℃。

中变的平均温距为510℃-360℃=150℃上述核算中变炉平均温差合理，故一氧化碳变换工艺水碳比为3.2。

3.1.3中变炉一段催化剂床层物料衡算查阅资料并结合年产36万吨合成氨变换工段工艺设计要求，可假定一段催化剂床层CO 实际变换率为60%。