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1、设计题目：年产18万吨合成氨项目变换工段设计（Co进口26.4%)院:业:级:学生姓名:指导教师:目录摘要IVl关键词：IVIAbstractVlKeywordsVl第一章总论部分11.1 设计题目11.2 产品介绍11.2. 1氨的物化性质11.2.2产品氨的规格11.2.3氨的用途11.2.4原料的来源及规格21.3 设计项目的必要性21.3.1 合成氨工业发展概况21.3.2 2我们国家制取氨技术的现状以和未来的发展31.3.3 我们国家合成氨的市场及发展趋势31.4 厂址选择41.5 合成氨厂工艺路线选择41.5.1 煤气化炉的选择41.5.2 本设计造气原理51.5.3本设计造气工艺
2、流程616原料气的净化71.6.1脱硫716.2变换716.3脱碳716.4精制91.6.5合成氨工段101.7年工作日和工作制度的确定112.1重点设计工序的生产基本原理122.1.1变换反应的原理122.1.2化学平衡122.1.3催化剂的选择142.1.4变换反应的动力学172.2变换工序的生产方法选择论证182.2.1变换工艺技术对比192.2.2全低变工艺流程202.3工艺操作条件的确定202.4设备选择论证212.4.1变换炉212.4.2换热器232.5各物性参数分析21第三章工艺计算243.1物料及热量计算243.1.1计算基准及已知条件243.1.2全工段物料及变换率计算24
3、3.1.3 1#变换炉计算263.1.4 2#变换炉一段计算313.1.5 2#变换炉二段计算363.1.6增湿器物料及热量衡算413. 2设备计算（ASPenPIUS的运用）461. 2.11#煤气换热器463. 2.22#煤气换热器484. 2.3催化剂计算493. 3控制点论证59第四章非工艺部分614. 1环境保护614.1.1 三废治理614.1.2 合成氨厂工业水污染排放标准614.2安全措施624.2.1防毒62第In页4.2.2防火624.2.3防爆624.2.4防烧伤624.3经济分析634.3.1增湿器的技术经济评价634.3.2换热器的技术经济评价634.3.3主要技术经
4、济指标63参考文献64致谢64附录一65年产18万吨合成氨项目变换工段设计（CO进口26.4%）摘要氨是一种基础化工原料，氨的合成工艺主要由煤的气化、原料气的净化和氨的合成三个工段完成。净化工段又分为脱硫、脱碳、CO变换以及精制气体等组成。本设计采用间歇法制气，低温甲醇法脱硫，全低变工艺去除co,低温甲醇法脱碳，液氮洗精制原料气。变换工段的目的是除去CO,生产合成氨的原料气H2。本设计主要由总论部分、工艺部分、工艺计算和非工艺部分四个章节组成。总论部分主要介绍了设计对象的特性及市场，建厂位置和全厂生产路线的确定等；工艺部分主要介绍变换工段，工艺计算部分确定了变换炉进、出口温度，Co转换率以及总
5、蒸汽用量等。非工艺部分主要介绍了工厂三废的治理及简单的装置技术经济评价。全低变工艺较其他几种变换工艺具有能耗低，在相同条件下其反应温度低，设备生产能力大，蒸汽消耗量小的优点。关键i司：合成氨变换工段全低变Technologicaldesignofshiftprocessfor180ktasynthesisofammoniaengineeringproject(COcontent:26.4%)AbstractAmmoniaisabasicchemicalrawmaterials,Ammoniasynthesisprocessmainlybycoalgasificationofrawgaspuri
6、ficationandammoniasynthesisthreesection.Purificationsectionandincludesdesulfurization,decarburization,COconversionaswellasrefinedgas.Thisdesignusesthebatchprocessgas,cryogenicmethanolprocessdesulfurization,totallowtemperatureshiftprocessfortheremovalofCO,thelow-temperaturemethanolmethoddecarbonizati
7、on,liquidnitrogenwashrefinedrawgas.ThepurposeoftheworkshopistoremoveCO,toproductH2astherawmaterialsofsyntheticammonia.Thedesignmainlyconsistsoftheintroductionpart,process,processcalculationandnonprocesspartoffourchapters.Generalsectionfocusesontheselectionofthedesignobjectandthecharacteristicsofthem
8、arket,factoryposition,theentirefactoryproductionlineargument;Technologypartintroducesemphaticallytransformprocess;Technicalcalculationdeterminesinletandoutlettemperatureoftheconversionsystem,conversionrateofCO,totalamountofsteametc.Thecraftpartsmainlyintroduceswastetreatmentandsimpletechnicalandecon
9、omicevaluationofequipments.Alllow-temperatureshiftprocessisrelativelyothertransformationprocesshastheadvantagesoflowenergyconsumption,reactiontemperature,steamconsumptionandequipmentproductioncapacityisbigunderthesameconditions.Keywords：Syntheticammoniacommutationprocessthelow-temperatureshiftproces
10、s第一章总论部分1.1 设计题目年产18万吨合成氨项目变换工段设计（CO进口26.4%）1.2 产品介绍1.3 .1氨的物化性质氨（NH3）,无色气体，极易溶于水。液氨是一种无色的液体，其密度是0.6028kg1.（25C）,沸点是33.4（标准大气压）。液氨极易挥发，有强烈的刺激性，有腐蚀性、有毒；能够造成人体窒息和引起腐蚀的危害，当空气中的液氨混合浓度在15%17%之间时，为爆炸混合气体。考虑到以上液氨的性质，需要用专门的液氨储罐来存储液氨，在装运时，需要用液氨槽车或者液氨瓶来装运。1 .2.2产品氨的规格此次设计的产品为液氨，其品质如下表。表1.1合成氨指标示意表W指标名称一级品二级品氨
11、（NH3）含量（）99.899.5水份、油含量（%）0.20.51.2 .3氨的用途氨，一种重要的基础化工产品，在国民经济发展中，具有重要的意义，这体现在两方面的应用上。第一，可以用来制造化学肥料，据统计，80%左右的氨是用来制造化肥的，剩下的部分用来生产其他的化工产品。所以合成氨工业的发展可以说能够直接体现氮肥工业的发展水平。此外，液氨还可以施用，起到肥料对作物的效果，在国外的很多国家都早就已经这样做了。因此，合成氨产业是氮肥生产的一个重要组成部分，能够影响农民种植的农作物的的收成情况，从而一定程度上影响国民经济的提升。第二，氨是第2页重要的工业原料，以氨为原料，可以制药、合成树脂、合成纤维
12、等化工产品，此外，以氨为原料制得的硝酸可以生成硝酸钱、硝基纤维素等。1.2.4原料的来源及规格生产氨的主要原料有几类，例如：天然气、煤等。对于合成氨厂来说，原料的选择会受到很多因素的限制，例如：地理位置、技术等因素，其中影响最大的是工厂所在地的资源分布。对于我国来说，煤炭资源的储存量远远大于天然气和石油的储量，因此，我国合成氨厂的原料主要为煤炭。又因为贵州煤炭资源丰富，本次设计将工厂建在贵州，所以原料选择煤炭。原料煤的规格见表1.2o表12原料煤的规格灰分/%（平均）挥发分/%硫含量/%热值Jg127.62.8340001.3 设计项目的必要性1.3.1合成氨工业发展概况1913年以后，合成氨
13、工业的发展达到了另外一个高度，来到2000年代初，每天能够生产100Ot、20001的合成氨设备那是随处可以看到的。合成氨技术从最原始的传统型蒸汽转化制氨逐渐发展，在技术上不断寻求突破，期望达到最佳；因此，老工艺得到氨的技术慢慢地被淘汰，这样一来就给低能耗制氨技术带来了机会，抓住机会飞速奔跑;但是，随着技术的不断突破，装置单系列产量最大化技术又取代了低能耗制氨工艺。在我们的未来时间里得到氨的方法一定还会是以“降低得到氨的成本、提高制氨的连续性、提高制取氨的经济性”为最低目标，进一步将研发的重点放在“制氨设备整体化、得到氨的能耗降低化、生产氨的环境清洁化、生产氨的时间连续化”等工业技术上。然而，
14、它的生产原理是不会发生原则性的变化。1.3.2 我们国家制取氨技术的现状以和未来的发展在现阶段，我们国家的氨每年能够生产出来的量大约为4500万吨左右，所以来说呢，我们国家的氮肥是可以满足需求的，而且还有剩余的量出口到其他的国家，能够同第3页别的国家形成氨产品竞争。在未来的发展中，将调整原料与产品结构作为发展的突破点，例如，改变以煤和油为原料的格局，逐步发展以再加工和“多联产的产品结构调整。这样一来呢，我们国家的合成氨生产的经济性就可以得到改善了。根据目前我们国家的合成氨的发展趋势来看，在未来，中国得到氨的技术方法将会走“大型化、集成化、自动化”模式，低能耗得到氨并且没有污染是看齐的方向。一个
15、只是制取氨的装置的生产能力在未来是应该要被大力提升的，目前的以天然气制得氨的装置的能源消耗在很大程度上已经非常接近它的理论极限了，所以这样一看来是不会再有较大程度的降低了，可是呢，用煤制氨装置的能耗却非常有希望继续进一步的变低。除此以外，化工行业的继续远行势必与环境息息相关，因此，做到与环境手握手的远行是我们国家合成氨工业唯一的选择，以此来与实现国家的“零排放”的清洁生产的目标的日子就不在那么遥远，而变得伸手可及了。另外，提高氨制取的运行连续性也将是合成氨装置未来提高经济性的重要保证。1.3.3 我们国家合成氨的市场及发展趋势迈入20年代，合成氨慢慢开始走下坡路，甚至被称做“夕阳工业”，许多外
16、国的专家也开始哀叹，这固氮化学的未来在哪里o然而，对于这种说法，很多人都表示了这种说法是片面的。按照他们的观点，氮也应用于树脂等非生物领域，不能够单纯地认为氮就是用来生成氮肥，用在农业上以达到提高农业产量的目的。现在，有一种叫生物固氮的技术快步走来，导致化肥的需求量大打折扣；但是，我国是一个人口大国，我国的国民对粮食的需求决定了合成氨工业的发展在国民经济中的重要性是不可以忽视的，近年来，新材料工业的崛起速度非常的明显，使得工业上使用氨的数量呈上升趋势。所以来说呢，这氨的生产量还是处于一种往上涨的趋势，预计在不久的将来我国合成氨氮肥所产生的物品将会超过石油和钢铁。因此，有了氨工业，我国农民村庄的
17、经济发展，生活水平的拔高，城市与农村距离的缩短，就有了重要的保证。所以说了合成氨工业那是不会被淘汰的的老工业，只会有很多科学技术的研究来使其持续发展。1.4 厂址选择厂址：贵州省福泉市马场坪工业区该地址是处在福泉市的马场坪办事处，相距主城区大约有6公里，是黔中经济圈等多个经济圈与“泛珠三角经济合作区的一个重要的交叉点，还属于贵阳一小时经济圈范围。而且还具备着贵州与其他省份相通的区位优势，是贵州一条特别重要的交通枢纽。所以，马场坪是贵州省目前发展工业条件最好的地方。将厂区设置在贵州省福泉市马场坪工业区还有如表所示的几点优势。优势资源表13贵州马场坪建立工业区的优势特点煤炭1.5亿吨储量；优质煤，
18、煤田地质条件好，便于开采，开发成本低，是优良的动力和气化用煤电力电网全面覆盖工业园区，有年发电量为72.6亿千瓦时的国电福泉电厂为其提供可靠的电力保障，供电能力强土地区域面积达上千平方公里，土地贫瘠，地势起伏不大工业区处于荒山丘陵地带，地势开阔，地形平，有成片的发展用地，为工业区建设提供了广阔的土地资源交通四通八达，湘黔铁路过境，贵新高速公路贯穿，与凯麻高速公路与贵新高速公路接口相邻，贵阳通往黔东南方是一个重要的交通枢纽。而且，在不久的将来该工业区的产品可以通过直接走向世界15合成氨厂工艺路线选择1.1 .1煤气化炉的选择在以煤为原料的合成氨生产工艺中，煤气化所消耗的能源是整个合成氨工艺消耗能
19、源最大的，约占70%,所以，为了减少整个合成氨工业的成本投支，选择一个既适合企业实际情况又符合当地煤源情况的煤气化工艺是至关重要的。煤气化是在高温条件下，以氧气（空气、纯氧或者富氧）、氢气或者水蒸气等为气化剂，将煤或者煤焦通过化学反应将其中的可燃部分转化为气体燃料的过程。所含的组分中，氢气和甲烷是有效的成分。目前在国内的合成氨企业中应用的煤气化工艺技术的特点对比如下表。表14常见的煤气化工艺技术的比较项目固定床流化床囱气流床煤的粒度650mm35mm0.1mm床内平均温度/440-I400800110012001700温度特点有温度梯度无温度梯度温度场均匀气化方式间歇循环加压连续加压连续转化率
20、99%95%97-99%易干净气化,主要用在高灰操作方便，能耗低，不需碳转化率高，负荷跟踪优点熔点煤，技术稳定要耐火炉衬，适用于高灰好，适应性广，液态灰渣熔点煤易排出，容量大不适用于结焦性煤,低温干容量较小，剩余碳多需要好的耐火炉衬，用于缺点循产生煤焦油、沥青等，单低灰熔点燥段炉不易大型化典型工艺UGI工艺，高氧连续气化恩德工艺，U-gas工艺TeXaCo工艺、GSP工艺工艺根据贵州煤种的工艺性质以及待新建的合成氨厂拟建地的环境状况，决定采用常压固定床间歇气化技术。1.2 .2本设计造气原理煤焦在一定温度和压力进行气化反应，主要反应为:C（固）+O2CO2(M)C(固)+CO22CO(1-2)
21、C（固）+H2O-CO+H2(1-3)C（固）+2H2CH4(1-4)反应式（I-I）为碳的氧化燃烧，根据研究得知当温度为800以上时，此反应可以认为是不可逆反应，其反应速度已经不受动力学的控制，属于扩散控制。此反应速率随着碳块表面02浓度、02和CCh流速增加而增加。当温度在800C以下时，反应速率减慢,反应速率与温度有关，属于动力学控制。当氧化层温度在Il（X）1200C之间时（以燃料的灰熔点决定操作温度），空气中02全部反应完所需的的时间约为0.05（）.ls1.5 .3本设计造气工艺流程在很多的合成氨工业厂中用间歇法生产半水煤气一般由五个阶段的工作循环组成，各个阶段具体情况如表1.5所
22、示。表15间歇式制取半水煤气的工作循环工作循环气化剂主要目的气体走向吹风阶段空气升高温度由炉底吹入第一次上吹水蒸气与加氮空气得到半水煤气由炉底送入，制得的煤气送入气柜下吹造气同上（第一次上使气化层稳定；制取自炉顶向下通过燃吹）半水煤气：使燃烧充分料层，煤气送入气柜二次上吹制气阶水蒸气与加氮空将炉底及下部管道中气化剂由炉底送段气煤气排尽以防爆炸入，生成的煤气入气柜空气吹净空气排出空气及出气管道等设备的煤气并回收由炉底部吹入，空气煤气进入气柜制取半水煤气的工艺流程如图1.1所示。1.煤气发生炉2.燃烧室3.洗气箱4.废热锅炉图1.1造半水煤气工艺流程图16原料气的净化1.6 .1脱硫从气化炉制得的
23、粗原料气中，几乎都含有一些硫的氧化物、水蒸气、灰尘粒子等杂志。不同的气化工艺得到的粗煤气中杂志的组成和含量各不相同，各具特点。但是，他们都会对氨的制得产生影响的，其中的硫化物最为明显，会让催化剂中毒失去活性。因此需要脱除硫，最常用的方法为煤气脱硫。煤气脱硫包含两种脱硫的方法，一种就是干法脱硫的脱硫方法，另外一种就是我们所说的湿法脱硫的脱硫方法，这两种方法各有各的优缺点。（1）干法脱硫干法脱硫的这种脱硫方法可以脱出无机硫和有机硫两种不同存在状态的硫，脱硫的精细程度也是非常之高的。但是，干法脱硫剂常常需要周期性的再生切换，不能够高效连续运转，因此很少用于含硫量高的煤气脱硫工段中。（2）湿法脱硫湿法
24、脱硫的处理对象可以是硫含量很高的原料气，而且脱硫剂又是以液态形式存在的，不仅方便传送，而且还可以回收再利用硫元素，因此这是一个能够连续脱硫而且循环的系统，在运转过程中，补充少量物料，就可以正常进行脱硫工序。物理的吸收法和化学的吸收法是这种脱硫方法的两种常见脱硫形式。用煤来合成氨的厂很多都采用物理吸收法中的低温甲醇洗来进行脱硫。其特点如下：a.低温下，最大程度减少酸性气体，少耗能；b.有很好的化学和热稳定性；c.净化度高；d.选择吸收性，能够分开脱除和再生;f.廉价易得。所以，本次设计中的脱硫和脱碳工段都采用湿法脱硫中的的低温甲醇法，详细介绍见脱碳工段。16.2变换详细介绍在变换工序的生产方法选
25、择论证。从变换工序出来的粗原料气还含有C,其中CCh含量最多，会造成催化剂中毒，因此在合成工序以前，必须将原料气中的二氧化碳除去。我国常用的几种脱碳方法如下表所示。表1.6采用的几种脱碳方法比较项目改良热钾碱法碳丙法MDEA法NHD法低温甲醇法PSA法电KWh/tNH3501307012516682蒸汽t/tNH31.8-1.20.060.75-水t/tNH3196207416325.0溶剂消耗kg/tNH30.60.50.440.302.50Co2脱除精度/%0.30.50.30.30.20.2H2回收率/%989898989899综合能耗KJZNm3CO228001600410055030
26、00210净化气带液有有有有有无自动化的程度低低低低低高三废有有有有有无维护费用高高高中中低适用规模中小中中小中小大型中小装置投资中中低低高较高操作成本元/INH354.2637.3742.9135.045.015.8根据上表的比较以及结合本次设计的实际情况，选择低温甲静洗工艺进行脱碳处理。(2)低温甲醇法工艺原理如下图所示：原料气经过预冷器和氨冷器冷却到吸收温度时，输入脱硫塔并在在塔内进行原料气的脱硫。从脱硫塔塔顶出来的原料气进入一氧化碳变换装置，得到合适C/H的变换气。变换气经换热冷却后进入脱碳塔脱除C02。脱硫塔塔底的富甲醇降压闪蒸得到闪蒸气相和富含大量H2S的甲醇，前者进入原料气循环使
27、用，后者进入硫化氢再生塔加热煮沸使甲醇再生，贫甲醉冷却后进入CCh再生塔提供甲醇蒸汽。脱碳塔塔底出来的富甲醉降压闪蒸得到闪蒸气相和富含大量C02的甲醵，前者进入原料气循环使用，后者进入CO2再生塔上部分，用氮气汽提再生。从CO2再生塔塔顶出来的CO2被回收，塔底贫甲醇一部分进入脱硫塔作为吸收剂使用，另一部分甲醇进入C02再生塔下部分。来自C02再生塔塔底的贫甲醇进入第脱碳塔塔顶。16.4精制经变换和脱碳工段出来的原料气中含有少量的一氧化碳和二氧化碳。会造成合成氨催化剂中毒，影响合成氨的合成。所以在将原料气送到合成工段前，必须做最后的净化处理，使一氧化碳和二氧化碳的含量在允许范围之内，一般称该过
28、程为原料气的“精制”。工业生产中一般有以下几种精制方法：铜氨液洗涤法、液氮洗涤法、甲烷化法。（1）精制方法介绍及选择a.铜氨液洗涤法：该方法运行、维修、操作费用高，物料消耗大。铜液在净化过程会溶解原料气H2,使原料气减少。而且精制度较低，对环境污染严重，不符合设计的环保要求。b.甲烷化法：可最大限度简化生产流程，降低成本，运行费用较低，占地面积少。其缺点也是会损耗原料气H2,而且进行该操作以后甲烷含量还会增加，会导致氨合成放空量增大。另外，甲烷化还要求变换中Cc）含量0.3%,（CO+CO2）v0.7%,以达到控制催化剂床层温度的目的，所以此种方法比较难以普及。c.液氮洗涤法：该方法既可以脱除
29、Co和CO2,又可以脱除CM和Ar。但是，液氮洗涤法需要液氮，在选择该技术时必须优先考虑液氮的来源。因此，本次设计决定选择液氨洗涤法。在脱硫和脱碳工段都采用低温甲醇法，当两者联合使用时，可以最大限度的脱除酸性气体，最大化的精致原料气。（2）液氮洗涤法工艺特点a.原理：混合气体中各组分压力不同，各组分冷凝的温度就不同以及各组分在相同的溶液中溶解度业不同，利用这原理起到气体从混合气体中分离的作用。在本次设计中利用Co等惰性气体的沸点比氮的沸点高以及容易溶解于液态氮的性质，以液氮为洗涤剂Co等惰性气体冷凝在液氮中。另外，部分液氮蒸发用来作为合成氨的原料气。b.工艺流程如图1.3所示：图13液氮洗净化
30、工艺流程图燃料氨合成/.a、系号理编机X3编配氮中压氨气错坏气至甲髀洗液氤洗II塔1.6.5合成氨工段氨的合成是生产的核心，合成反应的压力必须是高压并且还应该必须有催化剂一起才能发生反应。因为反应后气体中含氮量不高，所以采用分离氨后的氢氮气体循环的回路流程。（1）合成氨催化剂合成氨工业发展以来，对合成氨催化剂的研究工作一直在进行中，人们发现对氨合成有活性的一系列金属为U,Fe,Mo,Mn,W等，其中以铁为主体并添加有促进剂的铁系催化剂，活性良好，价廉易得，使用寿命长，因此在合成氨工业上得到广泛的应用。(2)工艺参数的选择a.温度：一般控制在40(C500C之间，催化剂床层的进口温度应大于或等于
31、催化剂使用温度的下限温度。b.压力：提高压力有利于氨的合成。选择操作压力在30MPa左右。c.空间速度：选择在2000030000/h之间，氨净值10%15%”(3)工艺流程的选择：合成氨反应是可逆反应，氨转化率不高，所以需要一个循环系统使氨得到循环利用,提高原料的利用率。离开合成氨塔的混合气体通过氢分离器得到较纯净的氨；混合气的压力降低，需要将循环回来的氢气和氮气压缩，再与新鲜原料气混合进入合成塔。合成工段流程图如下：新鲜气就空，色*,at皮塔图1.4合成工段工艺流程图1.7年工作日和工作制度的确定该厂拟定每年对设备进行一次大修，每次45天；每半年一次中修，一次6天；每个季度一次小修，一次2
32、天。所以每年正常工作日为300天。本厂实行倒班的工作制度，拟定为三班两倒。在生产实际中，加强安全防范，秉承“安全第一，预防为主的制度。同时完善考核晋升制度，提升大家对工作的积极性。第二章工艺部分2.1 重点设计工序的生产基本原理2.1.1 变换反应的原理在一定温度、压力和催化剂存在的条件下，水蒸气与CO反应，生成H2和CO2。这一化学反应过程称为一氧化碳变换反应，其化学反应式为：CO+/0(汽)CO2+H2(2-1)该反应是一个可逆、放热且反应前后体积不变的化学反应。随着主反应的进行，副反应伴随发生，主要有如下几种副反应：（1）甲烷的生成2CO2H2=CH4+2+(2-2)3H2=CH4+H2
33、O+(2-3)2+4H2=CH4+2H2O+(2-4)（2）一氧化碳的分解反应2CO=C+2+(2-5)（3）有机硫的转化反应S+H2=+H2S(2-6)cos+h2o=2+h2s(2-7)CS2+2H2O=22H2S(2-8)2.1.2化学平衡（1）变换率一氧化碳的变换程度通常用变换率表示，若反应前气体中含有a摩尔一氧化碳，变换后气体中还剩余b摩尔一氧化碳，则可以用下式表示变换率x：abx=100%(2-9)Cl第13页在实际生产过程中，变换气的成分除Co外，还有H2、CO2、N2等组分，所以Co变换率可根据反应前后的气体体积进行计算。由式(2-1)我们可以看出，用掉一个体积的一氧化碳，就能
34、够得到一个体积的二氧化碳和氢，这样就能够得知变换前原料气的体积与发生变换反应后的一氧化碳的体积的加和就是原料气的干基体积。则变换气中一氧化碳的含量为：(2-10)优x00%+Vco.x移项整理后得：X=%-%XK)0%(2-11)式中的。、匕。是用来体现发生变换反应之前与之后气体中一氧化碳的体积百分数(干基)。(2)平衡常数一氧化碳和水蒸汽的变换反应是可逆反应。在一定条件下，当反应的正反应速度等于逆反应的反应速度时，就认为是一种平衡状态，其平衡常数为：TgKP=冬显=汽2%Pa)Phaycoy112o2-12)上式，&2、P8、。表示各组分的平衡分压，大气压；无。2、丫8、沏2。表示各组分的平
35、衡组成，摩尔分数。当反应达到平衡时，平衡常数Kp是衡量化学反应进行完全程度的标志。KP值越大,表明原料气中一氧化碳转化越完全，变换气中残余的一氧化碳量就越少。又因为该变换反应是能够放热的化学反应，平衡常数的变化就与温度息息相关了，温度降低，平衡常数就会变大。他们之间的数学关系一般是采用下列表示的简化式：1914(2-13)IgKP=号1.782式(2-13)中，T-温度，单位为K。如果反应时的压力是小于5MPa的条件下，压力对平衡常数的影响是可以忽略不计的。变换反应常数与温度的对应关系见下表2.1。表2.1500C以下变换反应的平衡常数温用2002503003504()0450500Kp227
36、.986.5139.22203411.177.3114.878变换反应的反应热见表2.2o表2.2变换反应的反应热温度/25200250300400450500AHkjmol41.19-40.07-39.67-39.25-38.32-37.86-37.30（3）影响变换反应化学平衡的因素a.水汽比水汽比是指进入变换炉的水蒸汽与原料气中一氧化碳的体积比，即H2O（汽）/C0（气），这可以体现水蒸气的消耗量。一氧化碳变换反应是可逆反应，增加水汽比，反应向右移动。一氧化碳的变换率增加，其趋势是先快后慢。当蒸汽比例过高时，催化剂床层阻力增加，工艺冷凝液增多。因此，提高水汽比要有一定的限度。b温度该反应
37、是放热反应，低温对平衡转换率的提高有利，不过，速率会下降。所以该反应存在一个最适宜的温度。而且变换炉的温度会随着反应的进行不断升高，炉温过高不仅会降低变换率，而且很容易破坏催化剂的活性，因此对于合成氨工艺开发低温或者宽温催化剂是非常有必要的。c.压力压力对变换反应的影响不是很突出，一般来说就是压力的升高，会有析碳等副反应将的伴随发生。如果压力开始降低，变换反应的反应速率也会伴随着降低，所以压力的选择也是相当关键的。d.副反应的影响副反应伴随着变换反应的发生，副反应会降低氢气含量，增加甲烷，最严重的就是一氧化碳分解后析出的游离碳会降低催化剂活性，给实际的生产带来很严重的影响。不过实际生产过程决定
38、的工艺条件，这些副反应是很难发生的。2.1.3催化剂的选择在很多需要催化剂的化学反应反应的过程中，能够降低反应的活化能，以达到提高反应的反应速率是使用催化剂的目的。只有当存在催化剂的条件达到时，一氧化碳的变换反应才能够发生的，所以CO变换反应能否进行的关键是选择合适的催化剂。对于催化剂的选择很有必要仔细考虑以下的几点要求：催化剂是否具备良好的活性，活性温度范围是否宽，起活温度是否低。选择性还必须要好，可以使副反应的发生得到最大限制。使用寿命长。抗毒能力强。价格低廉，容易制备。铁格系、铜锌系和钻钥系三种这三种催化剂是我们在实际的生产中常见的一氧化碳变换反应的催化剂。它们的变换催化剂性能见表2.3
39、。表2.3变换催化剂性能催化剂名称（中温）铁铭系铜锌系（低温）（耐硫宽温）钻铝系主要组成Fe2O3、Cr2O3CUO、ZnOCoO、MoO3活性组分Fe3O4CuMOS2操作温度/350500180260200475H2OCO2（摩尔比）2.546102.510允许H2S含量O.3gm3Zn、CrCuZnCuZnCu、ZnAlCuZnAlCuZnAl物理粒度mm555(50.5)4.54.55(4.50.5)5.6x(3.54.0)6(4.50.5)性能堆密度/(kg1.)1.51.71.41.51.057.101.50.11.11.21.41.6操作温度rc18023018023018020
40、0240180260180260条件压力/MPa2.03.0240约4.05.04.0空速h,1000-2000100o5.0100O25001000-400020004000生产厂家南化、川化辽河南化、川辽河南化住(2)CO-M。系宽温变换催化剂优点是这种系列催化剂的起活温度低,而且范围比较广,大约是在1805(XrC之间；而且它的耐硫性非常强，具备得有抗毒性，还能够使有机硫变成硫化氢；寿命长，一般能够使用5年左右的时间，因此得到了非常广泛的使用。在实际生产中经常用到的几种钻铝系宽温变换催化剂的性能见表2.50氧化钻和氧化铝这两种化合物是这种催化剂的主要活性成分，但是这两种物质是没有变换活性
41、的。所以为了使催化剂在使用前就具备变换活性，我们需要氧化钻和氧化铝这两种东西变成为硫化钻和硫化铝，在化学上我们将这样一个转化过程称为硫化。在实际生产中，为了加快硫化时间，保证硫化的充分性，一般都选择CS2为硫化剂，加入到半水煤气中进行硫化反应。在我们进行实际的变换反应过程中，原料气半水煤气中的氧会让Co-Mo系宽温变换催化剂发生比较缓慢的硫酸盐化过程，让催化剂中的CoS和MoS2中的硫离子被氧化变成硫酸根，而硫酸根又能够和催化剂中的钾离子发生反应生成K2SO4,这样一来就会导致这种耐硫催化剂的低温活性的丧失。所以在实际的运用中，对于低变的Co-Mo系宽温变换催化剂的使用一定要安装一层保护剂用来
42、保护催化剂，这样就可以避免氧等杂质进入低变催化剂，使这种催化剂的活性发生下降的情况。下面这张表就是常用的几种钻钥系宽温变换催化剂的性能比较。表2.5钻铝系宽温变换催1七剂性能的比较国别中国德国丹麦美国型号B301QCS-04B3O3QK8IISSKC25-4-02化学成分%CoOMoOK2OAl2O3其他256-11适量余量1.8+0.38.01.0适量余量1813约1.5约10.0适量余量约3.0约10.0适量余量约3.00约12.0适量余量加有稀土元素颜色蓝灰色浅绿色浅蓝色绿色墨绿色黑色物理性能尺寸mm05x5条长812S4535球4l0条35球3x10条堆密度1.21.30.75-0.880.91.10.751.00.70比表面积/(m2g)1486015079122比孔容/(mlg)0.180.250.50.270.5使用温度/210500160470280500200475270500根据上表体现出来的各种催化剂的特点，考虑到以上两种催化剂的性能及本设计的要求和实际情况，采用Co-Mo系列耐硫宽温变换催化剂B302Qo2.1.4变换反应的动力学(1)反应机理一氧化碳的变换反应是一种典型的气一固相催化的化学反应。这种反应一般都是由外扩散，内扩散；吸附；表面反应；脱附；内扩散；外扩散等这几个过程组成的。在生产中进行变换反应的时候，这种反应的催化剂的
