重庆工商大学毕业设计 50kt/a合成氨厂变换工段设计
气换热，进入变换炉一段进行CO变换反应，再依次经过第二、第三段进行变换反应，使出变换炉的变换气中CO含量降至3%以下。在各段催化剂床层之间，装有冷激水喷头，以降低各段反应后气体的温度。出变换炉的变换气，依次进入第一、第二交换器，经第一水加热器加热由热水泵来的水，进入热水塔，在塔内变换气与自上而下的热水逆流接触，第二水加热器，加热送锅炉软水，最后经冷激塔，气体温度降至常温送碳化或脱碳工段。
系统中的热水在饱和塔、热水塔及第一水加热器中循环，定期排污及加水，保持循环水的质量和水平衡。
如果合成气最终精制采用铜洗和液氮洗流程，只需采用中温变换即可，若最后精制采用甲烷化流程，则经中温变换的气体脱除CO2后，还需精脱硫，使气体中总硫降至1mL/m3以下，再进行低温变换，使低变所中CO含量降至0.3%-0.5%，然后经过第二脱碳进入甲烷化炉，将残余CO和CO2除去。若中温变换串耐硫低温变换,就不需脱硫，可省去二次脱碳，并且高变气经过耐硫低温变换最终使CO降到0.3%-1%。
（2）中温变换串低温变换流程
中温变换串低变换流程，就是采用铁铬系中温变换催化剂后串铜锌系低温变换催化剂。由于铜锌催化剂对硫敏感，所以以煤或重油为原料制取的原料气在进行中温变换后，一般要经过湿法脱硫、一次脱碳、氧化锌脱硫后，才能进行，低温变换，最后还要二次脱碳，流程长、设备多、能耗大。对于以天然气为原料制气氨厂，由于在蒸汽转化前脱硫已很彻底，而且加入了大量蒸汽，所以中温变换后可直接进行低变换，流程比较简单。
天然气蒸汽转化制氨变换系统采用中温变换串低温变换工艺流程如图3-2所示。
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含CO13%-15%的原料气经废热锅炉降温，进入中变炉，因原料气中水蒸气含量较高，一般不需补加蒸汽，经反应后气体中CO降到3%左右，进入中变废热锅炉，被冷却，使锅炉产生饱和蒸汽，再经甲烷化炉进气预热器，冷却后进入低变炉，低变气残余CO降到0.3%-0.5%。该反应余热还可经脱碳贫液再沸器进一步回收利用。为了提高传热效果，可向气体中喷入少量水，使其达到饱和状态，这样，当气体进入脱碳贫液再沸器时，水蒸气很快冷凝，使传热系数增大。气体出变换系统后送往脱碳工段脱除CO2。
目前，这种流程主要差别在于中变废热锅炉的不同。大型合成氨厂可产生高压蒸汽，而中、小型合成氨厂产生中压蒸汽或预热锅炉给水。由于铜锌系催化剂对气体纯度要求高，总硫体积分数<0.1?10?6,氯体积分数<0.01?10?6,因而限制了使用范围。
20世纪80年代，为适用含硫较高的重油、煤、焦油制气的要求，科技人员在研制成功钴钼耐硫变换催化剂的基础上，开发了中变串低变工艺流程。所谓中变串低流程，即在铁铬催化剂后串一段钴钼耐硫变换催化剂，耐硫变换催化剂被用作低变催化剂放在中变炉最后一段，或者另设一低变炉串在中变炉中。
在图3-2中，在中变炉后增加一个低变炉，就成为一个中变串低变流程。从中变三段出口的变换气含有5%-7%的CO，经第一、第二热交换器降温回收热量后进入低变炉继续反应，使气体中CO降至1.5%,进入第一水加热器。其他流程相同。
与传统的中温变换流程相比，由于串入耐硫低变催化剂，使操作条件有所改变，主要是入炉半水煤气汽气比有较大幅度降低，为实现蒸汽自给提供了有力保证。另一方面变换气中CO含量由单一中变流程的3.0%-3.5%降至1.0%1.5%，减轻了铜洗和压缩的负荷，降低了合成氨半水煤气消耗，提高了原料的利用率。但存在设备腐蚀和低变催化剂反硫化问题。 （3）全低变流程
全低变流程是指不用中变催化剂而全部采用宽温区的钴钼系耐硫变换催化剂，进行一氧化碳变换的工艺过程。国内从1990年实现工业生，经过多年的实践已获成功，并在中、小型氨厂推广使用。
全低变流程的优点是：变换炉入口温度及床层内的热点温度均比中变炉入口及热点温度下降100-200℃，使变换系统在较低的温度范围内操作，有利于提高CO平衡变换率，在满足出口变换气中CO含量的前提下，可降低入炉蒸汽量，使全低变流程比中变及中变串低变流程蒸汽消耗降低。催化剂用量减少一半，使床层阻力下降。由于钴钼系催化剂耐高硫，对半水煤气脱硫指标放宽，但因氧化、反硫化及硫酸根、氯根、油等污染，使催化剂活性下降快，使用寿命相对较短，一般需在一段入口前装填脱氧、脱水保护层，
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重庆工商大学毕业设计 50kt/a合成氨厂变换工段设计 以保护低变催化剂。另外饱和塔酸腐蚀严重。
全低变生产流程如图3-3所示。
半水煤气首先进入系统的饱和热水塔，在饱和塔内与塔顶流下的热水逆流接触，两相间进行传热、传质，使半水煤气提温增湿。出饱和塔气体进入气体分离器分离夹带的液滴，并补充从主热交换器来的蒸汽，使汽气比达到要求，升温进入变换炉一段，经一段催化剂层反应，温度升高引出，在段间换热器与热水换热，降温后进入二段催化剂层反应，反应后的气体在主热功当量交换器与半水煤气换热，并经水加热器降温后进入三段催化剂层，反应后气体中CO含量降至1%-1.5%离开变换炉。变换气依次经第一水加热器、热水塔、软水加热器回收热量后进入冷凝器冷却至常温。
（4）中低低流程
中低低流程是在一段铁铬系中温变换催化剂后直接串二段钴钼系耐硫变换催化剂，利用中温变换的高温来提高中反应速率，脱除有毒杂质，利用两段低温变换提高变化率，实现节能降耗。这样充分发挥了中变催化剂和低变催化剂的特点，实现了最佳组合，达到了能耗低、阻力小、操作方便的理想效果。该流程与中变串低变相比，关键是增加了第一低变，填补了280-250℃这一中变串低变所没有的反应温区，充分利用了低变催化剂在这一温区的高活性。比全低变工艺操作稳定在于中低低工艺以铁铬系中变催化剂为净化剂，过滤煤气中氧和油污，起到了保护钴钼系耐硫催化剂的作用。
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中低低工艺流程如图3-4所示。
由压缩机来的半水煤气先进入系统的饱和塔，在塔内与塔顶流下的热水逆流接触进行热量与质量的传递，提高半水煤气的温度和湿度后进入蒸汽混合器，使汽气比达到0.4-0.45，经热交换器升温，进入一段中变催化剂床层。
进行反应（为调节一段中变入口温度，热交换器上应设置副线），气体温度升至460-480℃，CO含量为5%-15%，再依次进入热交换器、调温水加1，温度降至180-240℃，进入二段耐硫低变催化剂，反应后温度为260-300℃，再经调温水加2，降温至180-220℃，进入第三段耐硫低变催化剂，反应后温度为210-220℃，CO含量降至0.5%左右，再经水加热器，热水塔回收热量后，送入后工段。从热水塔底出来的热水由热水泵送入水加热器换热后，一部分直接进入饱和塔，另一部分经调温水加1调温水加2换热后，再进入饱和塔与半水煤气进行换热。
2 、CO变换工艺的主要设备选型
（1）变换炉
装有催化剂的变换器是变换反应的中心环节。根据原料气的组分，催化剂的性能，确定反应的段数及最适宜的温度，根据反应平衡的条件确定过量水蒸汽的数量。变换炉结构设计的合理与否，直接影响到合成氨原料气中CO含量的技术经济指标。对它的基本要求有一下几点：
1、变换炉的处理气量尽可能大；
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重庆工商大学毕业设计 50kt/a合成氨厂变换工段设计 2、气流的阻力小、气体在炉内分布均匀； 3、热损失小----这是稳定生产的生要条件；
4、结构简单，便于制造和维修，并能符合最适宜温度的分布。 一氧化碳中温变换的工艺流程，一般分为常压变换和加压变换两大类。 1．1、常压变换炉
半水煤气和蒸汽的混合物由顶部进入，经多也孔筛板均匀分布后，进入第一、第二层催化剂。冷凝液自设备中部进入蒸发层。为了防止冷凝液滴进入第三层催化剂，在蒸发层下部设有分离水的托盘。多余的冷凝液可通过管道排至器外。气体由托盘下的多孔板均匀分布，并通过第三、第四层催化剂后离开变换炉。中间间接换热的变换炉，中间不设水蒸发层，而将上下两段催化剂用钢板隔开，并将上段气体出口和下段气体的入口加大，其他部分相同。
上述流程是早期采用的流程，具有下列优点：
（1）变换器两段的催化剂及两段之间冷却气体的蒸发器均合并在一个设备内。 （2）采用了蒸发器，可获得部分蒸汽，有利于一氧化碳变换的平衡。要求严格控制喷洒用的冷凝液的质量，如含氯化物较多，可能积聚在第二段催化剂上，不但增加阻力，还会降低催化剂的活性。
（3）在饱和塔-热水塔系统中增设了一个水加热器，以充分回收变换气的显热。由于采用水加热器后，以提高热水温度，多产蒸汽。
（4）比原来的流程简单，操作控制方便。
这种流程希望半水煤气净化较好，并采用低温活性较好的催化剂。
变换炉为圆柱形，外壳由钢板制成。依靠设备外部的保温层，防止散热。在每层催化剂下面均有支承结构。在水蒸发器中装有钢制的填料。为了装卸填料与催化剂，设备的各层均用法兰连接。也有些变换炉不用法兰连接而从人孔进行装卸填料与催化剂。为了便于测量炉内各处温度，在炉壁上多处装有热电偶。
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