11万吨年合成氨厂变换工段最佳工艺设计

11万吨/年合成氨厂变换工段最佳工艺设计

摘 要

氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。

近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。

本设计根据经济效益最好的原则，以变换炉催化剂体积最小为目标函数，导出了间接换热式变换炉最佳设计条件式，并通过联合运用Excel、Matlab、Origin及ASPEN PLUS模拟求解，得出了年产11万吨合成氨厂变换炉所需B113型催化剂的理论体积和最佳工艺设计参数。

关键词： 间接换热式；最佳设计；变换炉，绝热温升；接触时间

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目 录

1绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1氨的合成工艺 ...................................................................................................................... 1 1.2变换工艺条件 ...................................................................................................................... 1 1.2.1影响平衡变换率的因素 ................................................................................................... 1 1.1.2影响变换反应率的因素 ................................................................................................... 1 1.2.3选择最佳工艺条件 ........................................................................................................... 2 1.3CO变换工艺流程 ................................................................................................................ 2 1.3.1流程配置的原则 ............................................................................................................... 2 1.3.2 流程简述 .......................................................................................................................... 3 2 设计计算书 ............................................................................................................................ 3 2.1最佳条件式的建立 .............................................................................................................. 3 2.2最佳温度变换率分配方案和接触时间的计算 .................................................................. 5 2.2.1已知条件 ........................................................................................................................... 5 2.2.2平衡曲线和最佳温度曲线的绘制 ................................................................................... 6 2.2.3由条件1式确定第一段出口状态和第二段入口状态 ................................................... 7 2.2.4用条件式2确定二段出口状态 ....................................................................................... 9 2.2.5最佳分配方案 ................................................................................................................. 12 2.2.7变换反应的TOP—xA图 ................................................................................................. 13 2.2.8接触时间 ......................................................................................................................... 13 2.3催化剂用量计算 ................................................................................................................ 15 2.3.1第一段催化剂用量 ......................................................................................................... 15 2.3.2第二段催化剂用量 ......................................................................................................... 15 2.3.3催化剂总用量 ................................................................................................................. 16 2.4变换炉工艺尺寸的确定 .................................................................................................... 16 参考文献 .................................................................................................................................. 19

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1绪论

1.1氨的合成工艺

氨是化工生产的重要原料，合成氨工艺设计是化工生产氨重要指标，影响着国民经济的发展，在农业、医学、生物化学、及化工产品合成具有广泛的用途。

目前，工业生产合成氨的原料有三种:煤、天然气和重油或轻油。不管采用哪一种原料，合成氨生产的工序都必须经过原料气的制取(H2和N2的制取)、原料气的净化(包括CO变换，H2S、CO、CO2等脱除)、原料气精制(少量CO、CO2的脱除)、原料气压缩及合成工段，只不过是不同的生产装置、不同的生产工艺在具体的细节选择上有所不同。以煤为原料的合成氨厂的工艺流程大体依次经过造气、除尘、脱硫、变换、二次脱硫、脱碳、精炼，最后在合成工段生产出氨。

变换工段的主要任务是将水煤气中的CO在催化剂的作用下与水蒸气发生放热反应，生成CO2和H2，以焦炭或煤为原料合成氨的流程是采用间隙的固定层气化法生产半水煤气，经过脱碳、变换、脱除CO和CO2等净化后，可获得合格的氮氢混合气，并在催化剂及适当的温度、压力下合成氨。

根据合成氨技术发展的情况分析, 估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标,进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。

1.2变换工艺条件

1.2.1影响平衡变换率的因素

（1）温度：变换反应是可逆放热反应，对一定初始组成的原料气，温度降低，平衡变换率提高，变换气中的CO的平衡含量减少。

（2）压力：CO变换反应是等体积的反应，压力对变换反应无显著影响。二氧化碳做为产物，其含量增加有利于变换反应，若能除去产物二氧化碳，则可有利于反应向氢气的方向进行，从而提高二氧化碳的变换率。 1.1.2影响变换反应率的因素

（1）温度：CO变换是一个可逆放热反应，此类反应存在最佳温度。

（2）压力：当气体组成和温度一定时，反应速率随压力的增大而增大，压力在0.3MPa

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以下，反应速率与压力的平方根成正比，压力提高，影响就明显了。

（3）H2O/CO：水蒸气与一氧化碳之比对反应速率影响规律与其平衡转化率的影响相似，在H2O/CO低于4时，提高其比值，反应速率增大较快，当H2O/CO大于4后，反应速率随H2O/CO的增大就不明显了。

（4）内扩散的影响：在工业条件下，变换反应的内扩散的影响是显著的，有时表现为强内扩散控制。 1.2.3选择最佳工艺条件

（1）温度：在最佳温度曲线下，反应速率最大，即由相同的生产能力下所需的催化剂用量最少。

（2）压力：反应速率随压力的增大而增大，故提高压力对变换反应有利。 （3）H2O/CO：增加水蒸气用量，既有利于一氧化碳的变换率，又有利于提高变换反应的速率，生产上一般采用过量水蒸气。

1.3CO变换工艺流程

1.3.1流程配置的原则

一氧化碳变换的工艺流程必须根据各项工艺条件的要求，催化剂特性和热能的利用进行周密合理的安排。

（1）变换炉是变换反应的关键设备，为尽可能达到最适宜温度分布的要求，催化剂

一般分两段或三段装填。各段之间进行热量移出和温度调节通常采用以下方法： 在一、二段或二、三段之间设置中间换热器。

在一、二段或二、三段之间设置水蒸分层，层中冷凝液即可使气体温度降低又可产生部分水蒸气。

为了调温之便，还应设有调温副线。

（2）变换反应需过量的蒸汽，因此，必须设置产生蒸汽（同时变换气热量），以及处理过剩蒸汽的设备，如饱和塔、热水塔等，以降低蒸汽的消耗。

（3）变换催化剂要求变换反应在一定的温度下进行，因此必须设置热交换器，将原料气预热到所要求的温度。

（4）为适应下一步对气体压缩的要求设置气体冷却设备，以增加压缩机的打气量。 （5）为输送气体及热水设置相应的鼓风机和泵。

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（6）根据开停车的要求设置升降温的有关设备。 1.3.2 流程简述

图1-1 CO变换流程图

简述：半水煤气首先进入饱和热水塔，在饱和塔内气体与塔顶喷淋下来的130℃—140℃的热水逆流接触使半水煤气提温增湿。出饱和塔的气体去气水分离器，分离夹带的液滴并与蒸汽过热器（电炉）送来的300℃—350℃的过热蒸汽相混，使半水煤气中的汽气比达到工艺条件的要求。然后进入主热交换器中中间交换器，使气体温度升至380℃进入变换炉，经一段催化床层反应后气体温度升至480℃—500℃。经蒸汽过热器中间换热器与蒸汽半水煤气换热降温后进入第二段催化床层反应。反应后温度为400℃左右。变换气依次经过主热交换器、第一水加热器、热水塔、第二水加热器回收热量，再经变气冷却器降至常温后送下工序。

2 设计计算书

2.1最佳条件式的建立

对CO变换反应，再原料气的初始组成、最终变换率、炉型及段数已经选定的条件下，各段进出口温度及变换率存在有无限多个分配方案能够达到规定的最终变换率，但仅存在一个最佳的分配方案，能使完成规定的生产任务所需的催化剂用量最少。

由于变换是可逆放热反应，存在最佳温度问题，如果反应能够按最佳温度曲线进行，则反应速率最大，催化剂用量最少，因此能使催化剂用量最小的方案就是最佳设计方案。

对两段间接换热式变换炉，若相应于各段的催化剂体积为VR1及VR2，则总的催化剂体积为：VRT?VR1?VR2

在最佳的设计时，应使VRT最小，即：

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