贵州大学本科毕业设计 式中，rCO—反应速度，kmol．Kg-1．h-1;
NCO—氧化碳的摩尔流量，kmol．h-1；
m—催化剂的质量，kg。
变换反应速度不仅与变换系统的压力、温度及各组分的浓度等因素有关，还与催化剂的性质有关，其通式可表示为：
rdNdmCOlCO?-?kpCOpsH2OpnCO2pqH2(1-?) l rCO?ysynyq 或CO?dN-dm?kpyCOH2OCO2H2(1-?) 以上两式中 k-速度常数，kmol?kg-1?h-1?MPa-1； p、pi-总压、各组分分压，MPa； l、s、n、q-幂指数，且??l?s?n?q;??PCO2PH2yy K?COHpPCOPHOKpy222COyH2O
(2-1-8)
(2-1-9)
(2-1-10)
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2.2 变换工序生产方法选择论证
无论以何种原料制造半水煤气，所得半水煤气中都含有CO。一方面，CO不是合成氨的原料；另一方面，一定量的CO能使氨合成催化剂中毒。所以在将原料气送入氨合成塔前必须控制CO在原料气中的含量，避免使氨合成催化剂中毒。变换工序的主要任务是将气化送来的半水煤气中的CO经变换除去，使之转变成易除掉的CO2，同时CO和H2O反应生成H2，H2为合成氨的原料气。所以变换工序既是原料气的净化又是原料气制造的继续。
2.2.1 工艺技术对比 （1）中串低工艺
中串低工艺较好地满足了工艺设计中“高温提高反应速度，低温提高转化率”的基本原则。利用中变的高温（一般为460～480℃）来提高反应速度，脱除有毒杂质；利用两段低变来提高转化率，实现节能降耗。充分发挥中变催化剂和低变催化剂的特点，实现了最佳组合，创造出能耗、阻力及操作的理想效果。但其缺点是一段中变床层一旦出现偏流，易造成中变床层漏氧，致使第一低变催化剂失活。
（2）全低变工艺
全低变工艺是是一种节能新工艺，指全部使用宽温区的钴鉬系耐硫变换催化剂，不再用高（中）变催化剂，具有能耗低，在相同条件下其反应温度低，设备生产能力大的优点。但全低变工艺催化剂活性下降快，使用寿命相对较短。基于此，一般在一段入口前装填保护剂和抗毒催化剂，从而起到保护低变触媒的作用。这样可防止触媒老化，使用寿命缩短，系统阻力升高较快等问题的出现。全低变工艺目前大致可以分为喷水增湿型和调温水加热器。全低变工艺一般为三段，为一个或两个变换炉。如采用一低变出口喷水增湿降温，一般在变换炉前设置一个预变炉，上部装填保护剂和抗毒催化剂， 下部装填不锈钢材料，喷水在此段进行，后设置一个主反应器(变换炉)。这种工艺比较节能，几乎不需要外加蒸汽。若采用调温水加热器来调入口温度， 一般不设预变炉，主反应器为一个或两个。
从目前情况看， 中低低变换工艺与全低变工艺各有利弊: 中低低工艺实现
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了触媒活性温度的最佳组合， 创造出能耗、阻力及操作的理想效果。而全低变工艺则有能耗低、相同产能下设备小的优点，是目前应用比较广泛而且较先进的工艺，生产操作经验较多，设备材质要求不高，技术相对比较成熟，并且催化剂价格较低廉，在节能降耗方面更为可观。鉴于目前合成氨企业规模越大， 企业的管理水平、职工的操作水平也相应提高， 故全低变工艺前景看好。
通过对以上中串低工艺和全低变工艺特点的比较，本设计变换工序选用全低变工艺。
2.2.2 全低变工艺流程
全低变的工艺流程示意图见图2.1。
温度为35℃、压力为2.0MPa的干半水煤气首先进入油水分离器，脱除部分固体和液体杂质后进入活性炭滤油器，进一步脱除杂质。经滤油器处理后的干半水煤气分为两股，一股进入电加热器被加热待用，另一股进入主换热器与来自次换热器的变换气换热，经换热后干半水煤气温度升至100℃出主换热器，100℃的干半水煤气出主换热器后与300℃、2.30MPa下的水蒸汽混合（干半水煤气变为湿半水煤气）后温度达到136℃后进入次换热器与来自2#变换炉的变换气换热，经换热后湿半水煤气温度达到200℃进入1#变换炉一段，经1#变换炉一段反应后变换气温度升至360℃出1#变换炉一段进入增湿器一段，通过增湿器一段降温并补充蒸汽后进入1#变换炉二段催化剂床层，反应后的气体温度达到280℃出1#变换炉二段进入增湿器二段，经增湿器二段降温并补充蒸汽后，变换气温度降到185℃进入2#变换炉催化剂床层，经2#变换炉反应后变换气温度达到215℃出2#变换炉进入次换热器与湿半水煤气换热，变换气出2#变换炉时CO含量降到0.841%，经次换热器换热后变换气温度降到170℃进入主换热器与干半水煤气换热，经主换热器后变换气温度降到125℃出全低变系统。
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图2.1 低温变换工艺流程示意图
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第三章 工艺计算
3.1物料及热量计算
3.1.1计算基准及已知条件
（1）计算基准：以1t氨为计算基准；设备能力以18.05t氨/h为基准。 （2）取每吨氨所消耗半水煤气量为3390Nm3/t氨。 （3）进变换工段的混合气体组成（不考虑再生气影响）。
表3.1 进工段气体组成
组分 % Nm3 kmol kg
CO 27.4 928.860 41.467 1161.075 （4）压力
进工段半水煤气压力：2.0MPa(表压) 进工段水蒸气压力：2.3MPa（表压） （5）温度
进系统半水煤气温度：35℃
进1#变换炉一、二段催化剂的气体温度均为200℃； 进2#变换炉的气体温度为185℃；
出系统的变换气中CO含量（干基）：0.91% 3.1.2全工段物料及变换率计算 （1）干变换气量及变换率计算
由于O2的存在，设氧与氢首先在1#变换炉一段催化剂内完全燃烧生成水。 由反应式： O2+2H2→2H2O 可知实际参加变换反应的半水煤气的量为：
H2 40.5 1372.950 61.292 122.585
N2 23.0 779.700 34.808 974.625
CO2 7.6 257.64 11.502 506.079
O2 0.3 10.170 0.454 14.529
CH4 1.2 40.68 1.816 29.057
合计 100 3390.00 151.339 2807.950