年产15万吨合成氨变换工段

3.2.温度：

变化反应是可逆放热反应。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 CO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相反的。因而存在着最佳反应温对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为

TeTm= RTeE21?ln E2?E1E1

式中Tm、Te—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。

3.3.汽气比：

水蒸汽比例一般指H2O/CO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CO的平衡变换率，从而有利于降低CO残余含量，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分Fe3O4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。但是，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。

3.4.流程图

→ 二段转换 → 变换

↓ 脱硫

↓ 合成气

原料气体 → 脱硫 → 一段转化

3.5.工艺选择

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。选用中串低工艺。转化气从转化炉进入废热锅炉，在废热锅炉中变换气从920℃降到330℃，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到3到5之间，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。再通过换热器将转换气的温度降到180℃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。中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。

四、工艺计算

4.1中温变换物料衡算及热量衡算 4.1．1.确定转化气组成：

已知条件中变炉进口气体组成：

表4-1进口气体组成表

组分 % CO2 9.6 CO 11.42 H2 55.71 N2 22.56 CH4 0.38 O2 0.33 合计 100 计算基准：1吨氨

计算生产1吨氨需要的变化气量：（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31 M3(标) 因为在生产过程中物量可能会有消耗，因此变化气量取2962.5 M3(标) 年产15万吨合成氨生产能力：

日生产量：150000/330=454.55/d=18.93T/h 要求出中变炉的变换气干组分中CO％小于2％ 进中变炉的变换气干组分：

表4-2进中变炉的变换气干组分表

组 分 含量，％ M(标) 3CO2 9.6 474 CO 11.42 563.86 H2 55.71 2750.68 N2 22.56 1113.9 O2 0.33 16.29 CH4 0.38 18.763 合计 100 4937.5 假设入中变炉气体温度为335摄氏度，取出炉与入炉的温差为30摄氏度，则出炉温度为365摄氏度。 进中变炉干气压力P中=1.75Mpa. 4.1.2．水汽比的确定：

考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO?0.5 故V（水）=1973.52m3(标) n(水)=88.1kmol

因此进中变炉的变换气湿组分:

表4-3进中变炉的变换气湿组分表

组 分 CO2 6.86 474 21.16 CO H2 39.8 2750.68 122.798 N2 16.12 1113.9 49.73 O2 0.24 16.29 0.727 CH4 0.27 18.763 0.838 H2O 28.56 1973.52 88.1 合计 含量％ M(标) koml 38.16 563.86 25.172 100 6911.02 308.53 中变炉CO的实际变换率的求取：

假定湿转化气为100mol，其中CO基含量为8.16％，要求变换气中CO含量为 2％，故根据变换反应：CO+H2O＝H2+CO2，则CO的实际变换率为：

X％=

Ya?Ya?×100=74％

Ya?1?Ya??式中Ya、Ya'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：8.16×74％=6.04 则反应后的各组分的量分别为： H2O％=28.56％-6.04％+0.48％=23％ CO％=8.16％-6.04％=2.12％

H2％ =39.8％+6.04％-0.48％=45.36％ CO2％=6.86％+6.04％=12.9％ 中变炉出口的平衡常数：

K= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12

查《小合成氨厂工艺技术与设计手册》可知K=12时温度为397℃。 中变的平均温距为397℃-365℃=32℃ 中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。 4.1.3.中变炉一段催化床层的物料衡算 假设CO在一段催化床层的实际变换率为60％。 因为进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：

表4-4催化床层的变换气湿组分表

组 分 含量，％ M(标) koml 3CO2 6.86 474 21.16 CO 8.16 563.86 25.172 H2 39.8 2750.68 122.798 N2 16.12 1113.9 49.73 O2 0.24 16.29 0.727 CH4 0.27 18.763 0.838 H2O 28.56 1973.52 88.1 合计 100 6911.02 308.53 假使O2与H2 完全反应，O2 完全反应掉 故在一段催化床层反应掉的CO的量为：

60％×563.86=338.318M3(标)=15.1koml

出一段催化床层的CO的量为：

563.86-338.318=225.545 M3(标)=10.069koml

故在一段催化床层反应后剩余的H2的量为:

2750.68+338.318-2×16.29=3056.41 M3(标)=136.447koml 故在一段催化床层反应后剩余的CO2的量为：

474+338.318=812.318 M3(标)=36.26koml

出中变炉一段催化床层的变换气干组分：

表4-5变换气干组分表

组 分 含量％ M(标) koml 3CO2 15.54 812.318 36.26 CO 43.1 225.545 10.069 H2 58.47 3056.41 136.447 N2 21.13 1113.9 49.73 CH4 0.35 18.76 0.838 合计 100 5226.94 233.35 剩余的H2O的量为：

1973.52-338.318+2×16.29=1667.79M3(标)=74.45koml

所以出中变炉一段催化床层的变换气湿组分：

表4-6一段催化床层的变换气湿组分表

组 分 含量％ M(标) koml 3CO2 11.78 812.318 36.26 CO 3.27 225.545 10.069 H2 44.33 3056.41 136.447 N2 16.16 1113.9 49.73 CH4 0.27 18.76 0.838 H2O 24.19 1667.79 74.45 合计 100 6894.73 307.8

对出中变炉一段催化床层的变换气的温度进行计算： 已知出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量（％）：

表4-7变换气湿组分的含量（％）表

组 分 含量％ M(标) koml 3CO2 11.78 812.318 36.26 CO 3.27 225.545 10.069 H2 44.33 3056.41 136.447 N2 16.16 1113.9 49.73 CH4 0.27 18.76 0.838 H2O 24.19 1667.79 74.45 合计 100 6894.73 307.8