畢業(yè)論文綜述

1、畢業(yè)論文綜述92kt/a合成氨變換工段初步設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述學(xué) 生：學(xué) 號：專 業(yè)：班 級：指導(dǎo)老師：四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院二。年11月文獻(xiàn)綜述氨是一種重要的化工產(chǎn)品，主要用于制造尿素、硝酸鏤、磷酸鉞、硫酸鉉以及其他化 工產(chǎn)品，而且隨著世界人口的不斷增長氨的用量還會(huì)不斷的增多。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的 發(fā)展，生產(chǎn)工藝己經(jīng)發(fā)展的比較成熟，現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是大型化，以及節(jié)能和環(huán)保。合成 氨的生產(chǎn)主要分為：原料氣的制取；原料氣的凈化與合成。在合成氨生產(chǎn)中，CO可以使氨合成觸媒中毒，對生產(chǎn)極為不利，必須除去。而 變換工段作用就是除去CO從而獲得有效氣體H2。變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二 氧化碳和氫氣

2、的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。因此，CO變換既是原料 氣的凈化過程，乂是原料氣造氣的繼續(xù)。最后，少量的CO用液氨洗滌法，或是低溫變換 串聯(lián)甲烷化法加以脫除【1】0變換工段是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起 著非常重要的作用。1. 1變換工藝流程的應(yīng)用現(xiàn)狀:目前，合成氨的變換工藝流程主要有中（高）變-低變串聯(lián)流程、多段變換流程、中 低低變工藝、全低變流程。由于現(xiàn)在原料氣中C。含量較高，大多數(shù)合成氨廠主要采用的 是中（高）溫變換中低變，但是隨著80年代中國在開發(fā)成功耐硫的Co-Mo催化劑的基礎(chǔ)上, 乂開發(fā)了適用于全低變工藝的寬溫耐硫催化劑，例如B30

3、3Q,全低變工藝從1990年實(shí)現(xiàn)工 業(yè)生產(chǎn)后，經(jīng)過幾年的實(shí)踐獲得成功，并在中小型氨廠中推廣適用。全低變工藝流程還是 有很好的發(fā)展前景。1.2各變換工藝的特點(diǎn):1.2.1 中（高）變-低變串聯(lián)用此流程時(shí)，一般與甲烷化方法配合。所謂中變串低變流程，就是在B107等Fe-Cr系催化劑之后串入Co-M。系寬溫變換催化劑。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。一方面入爐的蒸汽比有了較大幅度的降低: 另一方面變換氣中的C0含量也大幅度降低。由于中變后串了寬變催化劑，使操作系統(tǒng)的 操作彈性大大增加，使變換系統(tǒng)便于操作，也大幅度降低了能耗【1】。變換反應(yīng)為放熱 反應(yīng)，中低低工藝

4、較好地滿足了工藝設(shè)計(jì)中“高溫提高反應(yīng)速度，低溫提高轉(zhuǎn)化率”的基 本原則，利用中變的高溫來提高反應(yīng)速度，脫除有毒雜質(zhì)（如氧等），同時(shí)由于中變催化 劑價(jià)格低，節(jié)約資金，利用兩段低變來提高轉(zhuǎn)化率實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，這樣充分發(fā)揮了中變催 化劑和低變催化劑的特點(diǎn)。1. 2. 2多段變換流程以煤氣化制得的合成氨的原料氣，C0的含量較高，需要采用多段變換，而且由于進(jìn)入 系統(tǒng)的原料與濕度比較低，流程中設(shè)有原料氣預(yù)熱及增濕裝置。對于小型合成氨廠，因采 用銅氨液最終清洗C0,該法允許變換氣CO含量較高，故不設(shè)低溫變換。一般變換爐分為 三段，一、二段間冷卻降溫，二、三段間冷卻用用蒸汽間接換熱，將飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽，這對

5、缺乏過熱蒸汽的小型氨廠尤為合適, 使用過熱蒸汽可顯著的減輕熱交換器的腐蝕【1】。1. 2. 3全低變工藝全低變工藝是指全部適用寬溫區(qū)的鉆鉗系耐硫變換催化劑，不再用中底變催化劑，這 是變換工藝80多年發(fā)展的一次飛躍。目前全低變工藝流程有兩種：一種是新設(shè)計(jì)的；一 種是將原有中小型裝置加以改造的。全低變工藝為一種節(jié)能新工藝，具有能耗低，在相同 條件下其反應(yīng)溫度低，設(shè)備生產(chǎn)能力大的優(yōu)點(diǎn)。但全低變工藝催化劑活性下降快，使用壽 命相對較短?；诖?，一般在一段入口前裝填保護(hù)劑和抗毒催化劑，從而起到保護(hù)低變觸 媒的作用。這樣可防止觸媒老化，使用壽命縮短，系統(tǒng)阻力升高較快等問題的出現(xiàn)。80年 代中國在研究Cof

6、fo催化劑的同時(shí)，有開發(fā)了使用與全低變工藝的寬溫耐硫催化劑，例如 B303Q.全低變工藝從1990年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化后，經(jīng)過幾年的實(shí)踐獲得了成功，并在中小型氨 廠推廣使用【1】。1. 2. 4中低低工藝中低低工藝主要是變換原反應(yīng)為放熱反應(yīng)，它叫好的滿足了工藝設(shè)計(jì)中“高溫提高反 應(yīng)速率，低溫提高轉(zhuǎn)化率”的基本原則，利用中變的高溫來提高反應(yīng)速率，脫除有毒雜質(zhì) （如氧等），同時(shí)由于中變催化劑價(jià)格低，節(jié)約資金，利用兩段低變來提高轉(zhuǎn)化率實(shí)現(xiàn)節(jié) 能降耗，這樣充分的發(fā)揮了中變催化劑和低變催化劑的特點(diǎn)1工藝原理：一氧化碳變換反應(yīng)式為：C0+H20=C02+H2+Q（1-1）C0+H2 = C+H20（1-2）其中反

7、應(yīng)（1）是主反應(yīng)，反應(yīng)（2）是副反應(yīng)，為了控制反應(yīng)向生成目的產(chǎn)物的方向 進(jìn)行，工業(yè)上采用對式反應(yīng)（1-1）具有良好選擇性催化劑，進(jìn)而抑制其它副反應(yīng)的發(fā)生。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱是溫度的函數(shù)。變換過程 中還包括下列反應(yīng)式：H2+02=H20+Q1. 2. 5中低低工藝與全低變工藝的比較從目前情況來看，中低低與全低變各有利弊：中低低實(shí)現(xiàn)了觸媒活性溫度的最佳組合, 創(chuàng)造出能耗、阻力及操作的理想效果。而全低變則有能耗低、相同產(chǎn)能下設(shè)備小的優(yōu)點(diǎn)，但操作相對復(fù)雜。鑒于目前合成氨企業(yè)規(guī)模日大，企業(yè)的管理水 平、職工的操作水平也相應(yīng)提高，故全低變工藝前景看好。1.3工藝條件:1.3

8、. 1壓力:壓力對變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應(yīng)易 于進(jìn)行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動(dòng)力學(xué)角度，在一定的溫度下，對同一種催 化劑，隨著壓力的增加，校正系數(shù)增加，加壓可提高反應(yīng)速率。加壓對低變催化劑也有相 似的影響。從能量消耗上看，加壓也是有利。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(jìn)行變換的能耗，比常壓變換再進(jìn)行壓縮的能耗底。而加壓就要 求設(shè)備的材質(zhì)更加好。但是總的來說加壓還是有利的。具體操作壓力的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)中小 型氨廠的特點(diǎn)，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機(jī)投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨 廠操作壓力為0. 7-1. 2

9、MPa,中型氨廠為1. 21. 8MPa0而天然氣為原料的合成氨廠的壓力 還是由轉(zhuǎn)化壓力來決定的。本設(shè)計(jì)的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化而來，故壓力 可取 1. 7MPa 1 o1. 3. 2溫度：溫度是變化反應(yīng)中最重要的工藝條件。變化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行溫 度不斷升高，從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來看，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大對反應(yīng)速率有利, 但平衡常數(shù)隨溫度的升高而變小，即C0平衡含量增大，反應(yīng)推動(dòng)力變小，對反應(yīng)速率不 利，可見溫度對兩者的影響是不一樣的。因而在著最佳反應(yīng)溫度對一定催化劑及氣相組成，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)的計(jì)算式Tm=TeRTeE21?lnE2?ElEl式中Tm、Te-

10、分別為最佳反應(yīng)溫度及平衡溫度，最佳反應(yīng)溫度隨 系統(tǒng)組成和催化劑的不同而變化。但是反應(yīng)溫度的確定是需要多方面的考慮的。首先應(yīng)該在催化劑的活性范圍內(nèi)，應(yīng)該 防止溫度過高造成催化劑的有效成分的燒結(jié)降低催化劑的活性：其次是隨著催化劑的使用 時(shí)間的增加，由于老化、粉碎等原因，操作溫度可以適當(dāng)?shù)奶岣?；最后?yīng)該采用分段冷卻 的方式來控制來接近最佳反應(yīng)溫度【1】。1.3. 3汽氣比：水蒸汽比例一般指H20/C0比值或水蒸汽/干原料氣.改變水蒸汽比例是工業(yè)變換反應(yīng) 中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸汽用量，提高了 C0的平衡變換率，從而有利于-降低C0殘 余含量，加速變換反應(yīng)的進(jìn)行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中

11、活性組分Fe304的 穩(wěn)定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應(yīng)不易發(fā)生，從而降低了 C0的殘余量，加 速了變化反應(yīng)的進(jìn)行。而且改變水蒸氣的用量是調(diào)節(jié)床層溫升的有效手段。但是，汽氣比 不是越高越好，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對過程的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加；co停留時(shí)間縮短， 余熱回收設(shè)備附和加重等，所以，中（高）變換時(shí)適宜的水蒸氣比例一般為：H2O/CO=3 5,經(jīng)反應(yīng)后，中變氣中H2O/CO可達(dá)15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求1 O1.4 工藝流程確定：目前的變化工藝有：中溫變換，中串低，全低及中低低4種工藝。

12、工藝流程的設(shè)計(jì)依 據(jù)主要是原料氣中CO的含量。含量高就采用中高變換，因?yàn)橹懈咦兓械拇呋瘎┎僮鳒?度范圍較寬，而且比較經(jīng)濟(jì)；然而大多數(shù)的原料氣中CO的含量都高于10垢故都可以通過 中高溫變化來除去大多數(shù)的CO,反應(yīng)為放熱的，考慮的溫升會(huì)影響催化劑的活性，所以大 多中變爐都分為二到三段。乂考慮到出口對CO殘余量的要求不同，多數(shù)情況是和低變一 起用的。鑒于本次設(shè)計(jì)是以天然氣為原料，CO的含量比較適合使用中低變串聯(lián)，來使出口 CO的量比較低。含13%到15%C0的原料氣經(jīng)廢熱鍋爐中變換氣從920降到330C,在廢 熱鍋爐出口加入水蒸汽使汽氣比達(dá)到3到5之間，但是原料氣中的水蒸氣含量較高可以不 加入蒸

13、汽，以后再進(jìn)入中變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧化碳含量降到3%左右，溫度為425到450度 時(shí)，再通過中變廢熱鍋爐，將轉(zhuǎn)換氣的溫度降到180c左右，進(jìn)入低變爐將轉(zhuǎn)換氣中一氧 化碳含量降到0.3%以下，再進(jìn)入甲烷化工段【1】o1.5 對本設(shè)計(jì)評述：天然氣變換工段工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因能否正常生 產(chǎn)出合格的壓縮氣，是后面的所有工序正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。因此,必須控制一定的工藝 條件，使轉(zhuǎn)化氣的組成，滿足的工藝生產(chǎn)的要求。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)已知的天然氣組成， 操作條件，采用了中變串低變的工藝流程路線。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對主要設(shè)備中變爐，主換熱器，調(diào)溫首先對中，低變進(jìn)行了物料和熱量衡算，在計(jì)算的基礎(chǔ)上, 選型，最終完成了本設(shè)計(jì)的宗旨。設(shè)計(jì)中一共有中溫廢熱鍋爐, 水換熱器，低變爐幾個(gè)主要設(shè)備。參考文獻(xiàn)1陳五平.無機(jī)化工工藝學(xué)M.第三版.北京：化工工業(yè)出版社，2002.4 2陳廣愛. 小型合