合成氨的轉(zhuǎn)化

工段概述

轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化工段仿真以主工藝物流的工藝過程和設(shè)備為主，對于公用工程和附屬系統(tǒng)不進行過程定量模擬，只做事故定性仿真(如：停冷卻水，停蒸汽等)，具體包括如下過程在內(nèi)：原料氣脫硫、原料氣的一段轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化氣的二段轉(zhuǎn)化、變換、蒸汽系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)。由于本仿真系統(tǒng)主要以仿DCS操作為主，因而，在不影響操作的前提下，對一些不很重要的現(xiàn)場操作進行簡化，簡化主要內(nèi)容為：不重要的間歇操作，部分現(xiàn)場手閥，現(xiàn)場盲板拆裝，現(xiàn)場分析及現(xiàn)場臨時管線拆裝等等。另外，根據(jù)實際操作需要，對一些重要的現(xiàn)場操作也進行了模擬，并根據(jù)DCS畫面設(shè)計一些現(xiàn)場圖，在此操作畫面上進行部分重要現(xiàn)場閥的開關(guān)和泵的啟動停止。對DCS的模擬，以化工廠提供的DCS畫面和操作規(guī)程為依據(jù)，并對重要回路和關(guān)鍵設(shè)備在現(xiàn)場圖上進行補充。

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化工藝流程

天然氣

預(yù)熱器

脫硫

預(yù)熱一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐蒸汽預(yù)熱蒸汽空氣去變換一、原料氣的脫硫天然氣中含有少量硫化物，這些硫化物可以使多種催化劑中毒而不同程度地使其失去活性，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。因此，必須盡可能地除去原料氣中的各種硫化物。加氫轉(zhuǎn)化指在加入氫氣的條件下使原料氣中有機硫轉(zhuǎn)化為無機硫。加氫轉(zhuǎn)化不能達到直接脫硫的目的，但經(jīng)轉(zhuǎn)化后就大大的利于硫的脫除。在有機硫轉(zhuǎn)化的同時，也能使烯烴類加氫轉(zhuǎn)化為烷氫類從而可減少下一工序蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑析炭的可能性。氧化鋅是一種內(nèi)表面積大，硫容較高的接觸反應(yīng)型脫硫劑。除噻吩及其衍生物外，脫除硫化氫及各種有機硫化物的能力極高，可將出口氣中硫含量降至0.1ppm以下。1、鐵鉬加氫脫硫的影響因素在350~430℃的操作溫度范圍內(nèi)，有機硫的轉(zhuǎn)化率很高，加氫反應(yīng)速率與溫度和氫氣分壓有關(guān)，溫度升高，氫氣分壓增大，加氫反應(yīng)速率加快。2、氧化鋅脫硫的影響因素氧化鋅脫硫的化學(xué)反應(yīng)速度很快。硫化物從脫硫劑的外表面通過毛細(xì)孔到達脫硫劑的內(nèi)表面，內(nèi)擴散速度較慢，他是脫硫反應(yīng)過程的控制步驟。因此，脫硫劑粒度越小，孔隙率越大，越有利于反應(yīng)的進行。同樣，壓力高也能提高反應(yīng)速率和脫硫劑的利用率。二、原料氣的轉(zhuǎn)化經(jīng)脫硫后的原料氣在鎳催化劑作用下進行一段、二段蒸汽轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化氣溫度在983℃左右，殘余CH4在0.9％以下入廢熱鍋爐回收工藝氣熱量。

一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化1、轉(zhuǎn)化原理制取合成氨原料氣的方法主要有以下幾種：1.固體燃料氣法；2.重油氣法；3.氣態(tài)烴法。其中氣態(tài)烴法又有蒸汽轉(zhuǎn)化法和間歇催化轉(zhuǎn)化法。本仿真軟件是針對蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氨原料氣而設(shè)計的。制取合成氨原料氣所用的氣態(tài)烴主要是天然氣（甲烷、乙烷、丙烷等）。蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氨原料氣分兩段進行，首先在裝有催化劑（鎳觸媒）的一段爐轉(zhuǎn)化管內(nèi)，蒸汽與氣態(tài)烴進行吸熱的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)所需的熱量由管外燒嘴提供。2、原料氣的一段蒸汽轉(zhuǎn)化經(jīng)脫硫后的原料氣的總硫含量降至0.1ppm以下，與水蒸汽混合后進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成氫氣和CO

（CO將在下一變化中去除）：

CH4+H2O

CO+3H2–206.4kj/molCH4+2H2O

CO2+4H2-165.1kj/mol

CnH2n+2+nH2O＝nCO+（2n+1）H2由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，在高溫條件下有利于反應(yīng)平衡及反應(yīng)速度。在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)分別是在一段爐和二段爐中完成。在一段爐中

，烴類和水蒸氣的混合氣在反應(yīng)管內(nèi)鎳催化劑的作用下進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，管外有燃料氣燃燒供給反應(yīng)所需熱量，出一段爐轉(zhuǎn)化氣溫度控制在800℃左右。氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化到一定程度后，送入裝有催化劑的二段爐，同時加入適量的空氣和水蒸汽，與部分可燃性氣體燃燒提供進一步轉(zhuǎn)化所需的熱量，所生成的氮氣作為合成氨的原料。

3、二段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式如下：1.催化床層頂部空間的燃燒反應(yīng)2H2+O22H2O（g）+484kj/molCO+O2CO2+566kj/mol2.催化床層的轉(zhuǎn)化燒反應(yīng)CH4+H2OCO+3H2–206.4kj/molCH4+CO22CO+2H2–247.4kj/mol二段爐的出口氣中含有大量的CO，這些未變換的CO大部分在變換爐中氧化成CO2，從而提高了H2的產(chǎn)量。變換反應(yīng)方程式如下：CO+H2OCO2+H2+566kj/mol為了進一步轉(zhuǎn)化，需要更高的溫度。在二段爐中加入預(yù)熱后的空氣，利用H2和O2的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高熱，促使CH4進一步轉(zhuǎn)化。出二段爐的工藝氣殘余甲烷含量0.3％左右，經(jīng)并聯(lián)的兩臺第一廢熱鍋爐回收熱量，再經(jīng)第二廢熱鍋爐進一步回收余熱后，送去變換。

四、合成氨的轉(zhuǎn)化工藝之變換變換爐104-D由高變和低變兩個反應(yīng)器，中間用蝶形頭分開，上面是高變爐，下面是低變爐。低變爐底部有蒸汽注入管線，供開車時以及短期停車時觸媒保溫用。從第二廢熱鍋爐（102-C）來的轉(zhuǎn)化氣約含有12-14％的CO，進入高變爐，在高變觸媒的作用下將部分CO轉(zhuǎn)化成CO2，經(jīng)高溫變換后CO含量降到3％（AR9）左右，然后經(jīng)第三廢熱鍋爐（103-C）回收部分熱能，傳給來自101-F的鍋爐水，氣體從103-C出來，進換熱器（104-C）與甲烷化爐進氣換熱，從而得到進一步冷卻。104-C之前有一放空管，供開車和發(fā)生事故時高變出口氣放空用的，由電動閥MIC26控制。103-C設(shè)置一旁路，由TRC11調(diào)節(jié)低變爐入口溫度。進入低變爐在低變觸媒的作用下將其余CO轉(zhuǎn)化為CO2，出低變爐的工藝氣中CO含量約為0.3％（AR10）左右。開車或發(fā)生事故時氣體可不進入低變爐，它是通過關(guān)閉低變爐進氣管上的SP4、打開SP5實現(xiàn)的。變換爐實體圖

變換反應(yīng)的方程式如下：

CO+H2O(g)＝CO2+H2

ΔH=-41.19KJ/mol2l:

這是一個可逆放熱反應(yīng)這是一個等體積、可逆、放熱反應(yīng)。降低溫度和提高蒸汽濃度均有利于變換反應(yīng)的進行。變換工藝指標(biāo)工藝氣溫度降為370℃進入鐵鉻催化劑的高溫變換爐頂部從底部流出高變氣溫度降為230℃再入低溫變換爐。低溫變換在銅鋅催化劑中進行反應(yīng)，CO含量降到0.36％。

五、各種工藝條件對其反應(yīng)的影響如下：1、溫度:

由于CO變換為可逆的放熱反應(yīng)，平衡常數(shù)Kp隨溫度升高而減小。從平衡角度考慮，低溫下進行CO變換反應(yīng)有利于降低出口CO含量，但是必須高于其起活溫度并且不能結(jié)露。于是人們開發(fā)出適用于低溫或?qū)挏氐亩喾N催化劑和中、低溫變換催化劑組合的工藝流程。2、壓力

一氧化碳變換是一個等分子反應(yīng)，如為理想氣體時，壓力對平衡沒有影響。目前的工業(yè)操作條件，壓力大多在5.0Mpa以上，溫度在200～500℃時，壓力對變換反應(yīng)沒有顯著影響。3、水氣比水氣比即變換原料氣中水蒸汽與干粗合成氣的摩爾數(shù)(或體積)之比。水氣比是影響CO變換反應(yīng)的主要因素之一。提高水蒸汽比例，有利于提高CO變換率，降低CO殘留量。另外，過量的水蒸汽還起到熱載體的作用，減少催化劑床層的溫升。但是，過高的水氣比使得變換過程的消耗增加，床層阻力增加，并使余熱回收設(shè)備負(fù)荷加重。所以，選擇一個合適的水氣比顯得尤為重要。水氣比的高低還受催化劑的制約。根據(jù)催化劑的特性和各段反應(yīng)出口CO濃度及最終CO濃度的要求，該工程CO變換流程水氣比定為1.4。一般情況下可采用提高水氣比的方法來提高CO的變換率，但提高水氣比也有一定限度，這是因為水氣比再往上提高，效果越來越小。當(dāng)水氣比大于一個數(shù)值時，以干氣為基礎(chǔ)的變換率反而下降。工業(yè)生產(chǎn)要求最終干氣中CO有較低的濃度，同時消耗較少的能量。4、觸媒裝填量和空速沒有觸媒參加反應(yīng)時，CO變換反應(yīng)的反應(yīng)速度很慢，所以在變換反應(yīng)器中都裝填了觸媒。當(dāng)觸媒型號確定后，觸媒用量也隨空速而確定?？账偌磫挝粫r間單位催化劑處理的工藝氣量?？账傩?，反應(yīng)時間長，有利于變換率的提高；但空速小，觸媒用量多，觸媒的生產(chǎn)能力降低?？账俚倪x擇與觸媒活性以及操作壓力有關(guān)，觸媒活性高，操作壓力高，空速可選擇得大些，反之，空速則小些。催化劑設(shè)計時空速選擇的總原理應(yīng)是，在保證變換率的前提下，應(yīng)盡可能提高空速，以增加氣體處理量，即提高生產(chǎn)能力。六、變換所需催化劑本工序高溫變換爐，所用的催化劑是以Fe3O4為活性組分的，它的活性溫度在300℃以上（一般在350～430℃）。在此溫度下，可以取得較高的反應(yīng)速度，但不能達到