山东化工职业学院毕业设计（论文）专用纸
年产三十万吨合成氨装置的粗煤气
一氧化碳耐硫变换工艺设计
摘 要
本文介绍了合成氨生产基本情况以及年产三十万吨合成氨系统流程，
介绍了一氧化碳变换的基本原理，工艺条件以及工艺参数和变换催化剂的选择原则。并且对第一和第二变换炉进行热量和能量衡算，对催化剂装填量进行计算，掌握了变换系统的设计方法。
关键词： 变换，催化剂，工艺条件，一氧化碳含量
目 录
第一章 前言……………………………………………………（4） 第1．1节 合成氨在国民经济中的重要地位???????（4） 第1．2节 合成氨工业发展简介????????????（5） 第1．3节 天脊集团合成氨的生产方法?????????（5） 第二章 设计说明………………………………………………（7） 第2．1节 设计目的?????????????????（7） 第2．2节 工艺原理?????????????????（7） 第2．3节 工艺条件对一氧化碳含量的影响???????（7） 第2．4节 上下流程配置???????????????(8) 第2．5节 催化剂的选择???????????????(8) 第2．6节 热量回收?????????????????(9) 第三章 设计计算………………………………………………（10）第3．1节 已知条件与要求?????????????（10） 第3．2节 核算蒸汽是否够用????????????（10）
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第3．3节 计算煤气成分??????????????（11） 第3．4节 变换炉温升的估算?????????????（11） 第四章 物料衡算………………………………………………（13） 第4．1节 第一变换炉的物料衡算???????????（13） 第4．2节 第二变换炉的物料衡算???????????（15） 第五章 热量衡算………………………………………………（18） 第5．1节 第二换热器进口煤气温度的计算???????（18） 第5．2节 第一换热器进口煤气温度的计算???????（19） 第5．3节 第一换热器热量衡算????????????（21） 第5．4节 第二换热器热量衡算????????????（21） 第5．5节 第一变换炉热量衡算????????????（22）第5．6节 第二变换炉热量衡算????????????（23） 第六章 变换炉的工艺计算……………………………………（23） 第6.1节 催化剂用量的计算?????????????（23） 第6.2节 变换炉工艺尺寸的计算???????????（25） 第6.3节 催化剂床层阻力的计算???????????（26） 第七章 换热器选型……………………………………………（29） 第7.1节 第一换热器的选型与计算??????????（29） 第八章 设备一览表……………………………………………(34) 第九章 设计结果分析和改进方向……………………………（34） 第十章 参考文献………………………………………………（35） 第十一章 致谢…………………………………………………（36）
第一章 前 言
第1．1节 合成氨工业在国民经济中的重要地位
合成氨是化工的重要组成部分，在国民经济中有相当重要的位置。氨是化学工业的重要原料之一，用途十分广泛。以氮和氢为原料合成氨，是目前世界上采用最广泛，也是最经济的一种方法。氨的用途很广。以氨为
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主要原料可以制造各种氮素肥料和复合肥料。氨本身就是一种高效肥料，液氨含氮82.3%，一些国家已大规模直接施用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着十分重要的作用。
氨是氮肥的主要原料，可生产尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；氨还可用来生产多种复合化肥，如磷酸氢铵等。对农业生产有重大意义。
氨也是一些工业部门的重要原料。工业用氨量已占合成氨产量的百分之十以上。基本化学工业中的硝酸、纯碱、各种含氮无机盐，有机化学中的各种含氮中间体。制药工业中的磺胺类药物和高分子化学工业中的氨基塑料、聚酰胺纤维、丁腈橡胶等，都需直接或间接以氨为原料。食品工业中，氨广泛用作冷冻剂，冶金工业、石油加工工业、机械工业亦需使用氨或其加工产品。
氨还应用于国防和尖端科学技术部门。制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纤维等多种炸药都要消耗大量的氨。生产导弹、火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。不仅如此，合成氨工业的迅速发展，又促进了一系列科学技术和化学合成工业的发展。如高压低温技术、催化和特殊金属材料的应用、固体燃料气化、液体和气体燃料的合理使用，以及尿素、甲醇、高级醇的合成，石油加氢，高压聚合物（如高压聚乙烯）的生产等，都是在合成氨工业的基础上发展起来或应用其生产技术成就而获得成功的。随着科学和生产技术的发展，合成氨工业在国民经济各部门中的作用必将日益显著。
第1．2节 合成氨工业发展简介
1784年，有学者证明氨是由氮和氢组成的。19世纪，人们试图利用高温、高压、电弧、催化剂等手段试验直接合成氨，均未成功。19世纪末，在化学热力学、动力学和催化剂等领域取得一定进展后，对合成氨反应的研究有了新的进展。1901年法国物理化学家吕·查得利开创性地提出氨合成的条件是高温、高压，催化剂存在。1912年在德国建立了世界上第一个
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日产30吨的合成氨厂。在以后的生产过程中，人们对合成氨的生产工艺进行了不断改进和完善，如变换工艺的改进。原料气净化方法的革新及合成塔的改造等，但工艺路线没有大的变化。
改革开放以来，我国合成氨工业发展很快，产量不断增加，在原料气制造方面，基本掌握了煤、油、气不同原料的气化技术。为了满足我国社会主义建设发展的需要，在发展煤炭加工业的同时，还积极开发石油和天然气资源，开展综合利用，逐步扩大了合成氨工业的原料来源。近年来，由于透平式离心压缩机和电子计算机自动控制等新技术的应用，使我国合成氨工业朝现代化方向迈进了一步。但是，单位氨产量的能量消耗、劳动生产率等方面和工业发达国家相比仍有较大差距。按人口平均的化肥产量（吨/人·年）和单位种植面积施肥量仍然较低。所以高速发展合成氨工业仍是一项紧迫的任务。
第1．3节 天脊集团合成氨的生产方法
天脊煤化工集团有限责任公司是我国于20世纪80年代初从国外成套引进技术和设备而兴建的，以煤为原料生产硝酸磷复合肥的大型煤化工基地。其年产30万吨合成氨装置采用MARK-IV型鲁奇加压气化炉气化制成的粗煤气，在一氧化碳变换工序中经过两段钴钼系耐硫催化剂床层进一步提高H2含量，冷却后的变换气进入低温甲醇洗工序除去变换气中CO2、H2S，除去CO2、H2S的合成气再进入液氮洗工序，脱除CO的同时将N2和H2配比成适当的比例经合成气压缩机提压后送入托普索100型合成塔进行氨合成。在2004年我公司将托普索100型合成塔技术改造为卡萨利300型轴径向型合成塔，在2005年我公司又进行了扩产改造，在原基础上增加部分设备使装置生产能力提高到年产合成氨45万吨。
中国是世界上少有的以煤为原料进行合成氨和甲醇生产的国家。众所周知，煤化工与石油化工、天然气化工比较，具有先天不足。主要表现在：工艺流程长，技术复杂；产品较单一，产业链较短；废物排放多，环保问题突出；装置投资高，经济效益较差。但是，随着煤化工技术的发展和国
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际石油形势的日趋紧张，发展煤化工是必然的选择，煤化工产业已成为中国国民经济持续发展的重要保障。山西是煤炭大省，煤种齐全，为发展煤化工提供了得天独厚的资源条件。山西是我国重要的煤化工基地，煤化工以焦化、气化和乙炔化工为主，代表企业有天脊、三维、山焦、太化、丰喜、兰花等。天脊煤化工集团有限公司前身为山西化肥厂，属中国“六五”重点建设工程，是20世纪80年代初成套引进德国、日本、法国、挪威等八个国家的十一项专利技术建成的大型高效复合肥生产基地，充分发挥了山西的煤炭资源优势，弥补了中国复合肥的不足，是山西省有代表性的煤化工企业。经过80年代建设、90年代完善改造和近几年快速发展，天脊目前已形成了年产合成氨81万吨、硝酸81万吨、硝酸磷肥90万吨、尿素60万吨、多孔硝铵20万吨、水泥30万吨、塑料编织袋7500万条的生产能力。
第二章 设计说明
第2．1节 设计目的
本设计为年产三十万吨合成氨装置中的一氧化碳变换工序，目的是为了提高从造气工序生产出的粗煤气中的氢含量，降低其中的一氧化碳含量。
第2．2节 工艺原理
一氧化碳和水蒸气在催化剂的作用下反应生成二氧化碳和氢气。其反应式
CO+H2O﹦CO2+H2+410894kJ/kmol 称做水煤气变换反应，简称变换反应。
变换反应为放热等分子可逆反应。因此降低反应温度和增加蒸汽用量都可降低变换气中CO的平衡浓度，若温度高，蒸汽量少，将不利于变化反应甚至还可能发生逆变换反应过程。在要求变换气中CO浓度一定的条件下，降低反应温度是降低蒸汽用量的必要手段。在不能降低反应温度条件下，片面追求降低CO浓度，将会造成极大的蒸汽浪费。
第2．3节 工艺条件对CO含量的影响
除催化剂、反应热以外，对一氧化碳变换反应产生影响的还有反应温
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