贵州大学本科毕业设计 考虑氨合成工段的工艺和设备问题时，必须遵循三个原则：一是有利于氨的合成和分离；二是有利于保护催化剂，尽量延长使用寿命；三是有利于余热回收降低能耗。
氨合成工艺选择主要考虑合成压力、合成塔结构型式及热回收方法。氨合成压力高对合成反应有利， 但能耗高。中压法技术比较成熟，经济性比较好，在15～30Pa的范围内，功耗的差别是不大的，因此世界上采用此法的很多。一般中小氮肥厂多为32MPa，大型厂压力较低，为10～20MPa。由于近来低温氨催化剂的出现，可使合成压力降低。
合成反应热回收是必需的，是节能的主要方式之一。除尽可能提高热回收率，多产蒸汽外，应考虑提高回收热的位能，即提高回收蒸汽的压力及过热度。高压过热蒸汽的价值较高， 当然投资要多，根据整体流程统一考虑。
本次设计选用中压法（压力为32MPa）合成氨流程，采用预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收反应热，塔型选择见设备选型部分。
固定窗富氧连续造气炉造气 低温甲醇洗脱硫 全低变变换CO 氨合成
液氮洗法精制原料气 低温甲醇洗脱碳 图1.4 总工艺流程简图
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第二章 工艺部分
2.1 重点设计工序（变换工序）的基本原理
2.1.1变换反应的原理
合成氨生产需要的原料气是H2和N2，而半水煤气中含有约30%左右的CO，需要将其除去。变换工段的目的就是将半水煤气中的CO除去，在本质上是原料气净化的一个过程。为了将CO除去，工业上采用的方法是:在催化剂存在的条件下，利用较为廉价的水蒸气与CO反应，生成H2和CO2。
原料气中的一氧化碳与水蒸汽的变换反应可用下式表示：
?O2 CO+HC?HQ （2-1-1） 2O+2此反应为可逆放热反应，反应热为40964 J/mol，当开车正常生产后，即可利用其反应热来维持过程的继续进行。
在一般情况下，一氧化碳与水蒸汽直接进行反应，其变换反应的速度是很慢的，如果用催化剂催化，则可以加快反应速度，大大有利于变换反应的进行。
随着一氧化碳变换反应的进行，伴随着微量的副反应发生，主要有如下几种： （1）甲烷的生成
2CO?2H2?CH4?CO2?Q (2-1-2) CO?3H2?CH4?H2O?Q （2-1-3） CO2?4H2?CH4?2H2O?Q （2-1-4） （2）一氧化碳的分解反应
2CO?C?CO2?Q （2-1-5） （3）有机硫的转化反应
COS?H2?CO?H2S （2-1-6） COS?H2O?CO2?H2S （2-1-7）
贵州大学本科毕业设计 CS2?2H2O?CO2?2H2S （2-1-8） 2.1.2化学平衡 （1）平衡常数
一氧化碳和水蒸汽的变换反应系可逆反应。
CO?H2O?CO2?H2?Q
其平衡常数为：
yCO2yH2rCO2rH2KP??yCOyH2OrCOrH2O （2-1-9）
式中：yi——各组分的摩尔分数 r ——气体的逸度系数 Kp——CO的平衡常数
由于小合成氨厂的变换反应多在压力<2.0 MPa，温度为180～250 ℃条件下进行的，其逸度系数接近于1，即：
rCO2rH2
rCOrH2O?kr?1 （2-1-10）
则式（1-9）可简化为：
KP?
yCO2yH2yCOyH2O?PCO2PH2PCOPH2O （2-1-11）
式中，Pi--各组分的分压
由于变换反应是一个放热反应，考虑平衡常数是温度的函数，且随温度的升高而降低。平衡常数与温度关系的表达式很多，数值各不相同，这是由于恒压热容等基础热平衡数据不同所致。本设计可采用下面的公式计算[9]。
lgKP?2185?0.11021lgT?0.6218?10?3T?1.0604?10?7T2?2.218T （2-1-12）
式中，T——温度，K
KP?exp(
5025.163?0.0936lnT?1.4555?10?3T?2.4887?10?7T2?5.2894)T（2-1-13）
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在变换范围内，平衡常数也可用下面简化式计算：
lnKP?4757?4.33T （2-1-14）
式（2-1-14）在低温下计算出的Kp与式（2-1-12）及（2-1-13）相差较大，温度越高误差越小。
若已知温度，就能求出Kp值，从而就可以计算出不同温度、压力和气体成分下的平衡组成。
（2）变换率
一氧化碳的变换程度通常用变换率表示，其定义为已变换的一氧化碳量与变换前的一氧化碳量的百分比率。若反应前气体中有a摩尔一氧化碳，变换后气体中剩下b摩尔一氧化碳，则变换率为：
x?a-b?100%a (2-1-15)
在实际生产中，变换气中除含有一氧化碳外，尚有氢、二氧化碳、氮等组分，其变换率可根据反应前后的气体成分进行计算。由变换反应式可知，每变换掉一个体积的一氧化碳，就生成一个体积的二氧化碳和一个体积的氢，因此变换气的体积(干基)等于变换前气体的体积加上被变换掉的一氧化碳的体积。设变换前原
'VVCOCO料气的体积(干基)为1，并分别以、表示变换前后气体中一氧化碳的体积
百分数(干基)，则变换气的体积为(1+VCO·x)，变换气中一氧化碳的含量为：
'?VCO?VCO?x?100%VCO1?VCO?x (2-1-16)
x?移项整理后得:
VCO-VCOVCO1?VCO'?'??100% (2-1-17)
在一定条件下，变换反应达到平衡时的变换率称为平衡变换率，它是在该条件下变换率的最大值。以l摩尔干原料气为基准时、平衡常数与平衡变换率的关系式为：
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????K??a?ax??b?ax?c?ax*d?ax***P （2-1-18）
式中，a、b、c、d—反应前原料气中一氧化碳、水蒸气、二氧化碳、
*x氢的含量，摩尔分数；—平衡变换率%。
由以上式（2-1-14）和式（2-1-18）可计算出不同温度和组成条件下的平衡变换率，由式(2-1-16)求出变换气中残余一氧化碳的平衡浓度。平衡变换率越高，说明反应达到平衡时变换气中一氧化碳残余含量越少。在工业生产条件下，由于反应不可能达到平衡，因此变换率实际不可能达到平衡变换率。必要时，可以用实际变换率与平衡变换率的接近程度来衡量生产工艺条件的好坏。
（3）影响变换反应化学平衡的因素 a. 温度
温度对变换反应的影响较大：温度升高，反应速度加快。从化学平衡来看，降低反应温度，增加蒸汽用量，有利于反应向生成氢气和二氧化碳的方向进行，可以提高CO平衡转化率。在变换反应的初期，反应物浓度高，提高反应温度，可加快正反应；在变换反应的后一阶段，二氧化碳和氢气的浓度增加，逆反应速度加快，因此，须设法降低反应温度，使逆反应速度减慢，这样可以得到较高的变换率。但降低温度也减慢了反应速度，降低了催化剂的生产能力，应综合考虑。对于一氧化碳含量较高的半水煤气，开始反应时，为了加快反应速度，一般要在较高的温度下进行，而在反应的后一阶段，为了使反应比较完全，就必须使温度降低一些，工业上采取的两段中温变换就是根据这一概念设计确定的。对于一氧化碳含量在2%—4%的中温变换气体，只需要在230 ℃左右，用低温变换催化剂进行低温变换。此外，反应温度与催化剂的活性有很大的关系，一般工业用的变换催化剂低于某一温度反应便不能正常进行，而高于某一温度也会损坏催化剂，因此一氧化碳变换反应必须在催化剂的适用温度范围内选择合理的工艺条件。
b. 压力
一氧化碳变换反应前后气体的分子数相同，若为理想气体，压力对于反应的