文档介绍：北京化工大学毕业设计(论文) 1 第一章文献综述合成氨的原料是氢和氮两种气体。空气中存在着取之不尽的氮, 而氢则多是取之于水或水蒸汽。合成氨厂的制氢方法多数是用烃类或煤碳夺去水分子中的氧,而放出氢气。据统计,1975 年国外合成氨原料中天然气占 % ,石脑油占 % ,煤占 8% ,重油及炼厂气分别占 % % 。以后合成氨原料将以天然气占首位,因为天然气制合成氨工艺流程简单,基建投资节省,生产成本低,而且气体原料相对来说比较纯净,它的净化比液体或固体原料简单,气体的输送也比液体或固体更易控制和自动化。石脑油蒸汽转化法制合成氨的过程与天然气基本相同,但原料精制要复杂一些,脱碳和二氧化碳再生负荷也更大一些。但油类的运输在一定情况下比气体容易。以煤为原料合成氨虽然从造气和净化的成本来说,煤碳最高, 工艺流程也比较复杂。但按目前消耗速度来看,气、油只能维持供应30-40 年,而煤能维持 300 年,可见煤是具有巨大潜力的。山西不具备天然气和石油资源,而具有丰富的煤碳资源,所以我们选用煤为原料来合成氨。由气态烃、液态烃和煤为原料制成的原料气中含有 15-50% 的 CO,CO不仅不是合成氨的直接原料,而且对氨合成催化剂有毒害。所以在原料气送往合成工序之前必须清除干净。生产中通常采用变换反应除去大部分 CO,即CO在催化剂存在的条件下和水蒸汽反应, 生成 CO 2和H ,同时又除去了合成氨催化剂的毒物 CO 。视进一步除去残余 CO 的方法,对变换反应的深度的要求也不一样。后工序如用铜氨液洗或液氮洗涤, 北京化工大学毕业设计(论文) 2 则允许残余 CO在3%左右,此时变换反应的温度较高(400℃以上), 通常被称为高温变换。若后工序用甲烷化法除去 CO ,则要求将 CO 降到 1% 以下,此时变换反应的温度较低(300℃左右) ,称为低温变换。因为后工序中选用液氮洗除去 CO和CH 4,所以要采用高温变换过程。变换反应需要在催化剂作用下进行。目前工业上常用的变换催化剂有三种:铁系催化剂(使用温度320 ℃-550 ℃)、钴钼系催化剂(使用温度(300 ℃-500 ℃)和铜系催化剂(使用温度 180 ℃-280 ℃)。前两种称为高、宽温变换催化剂,铜系催化剂称为低温变换催化剂。由于采用高温变换过程,所以只能用铁系催化剂或钴钼系催化剂。铁系催化剂在温度较低或 H 2S 含量较多时会严重影响其活性,在恢复其活性的过程中若气体中有氧,将 FeS 氧化成 Fe 2(SO 4) 3之后,其活性将永久丧失。而钴钼系催化剂的特点为:①耐硫(粗煤气中含有约 %H 2S气体)②对气体中不饱和烃加氢反应有促进作用; ③其活性高,活性区域宽,可以在 300℃-500 ℃范围内操作,④原料气中含有重烃时,会聚合析碳使催化剂活性下降,使床层阻力增大,通过烧碳操作,可以使工况恢复。由于本合成氨流程脱硫脱碳工序放到了变换工序之后, 所以在一氧化碳变换炉中只能用耐硫催化剂。根据以上原则,结合钴钼系催化剂的特点,在本设计中采用齐鲁石化研究院生产的 QCS-04 耐硫变换催化剂。北京化工大学毕业设计(论文) 3 第二章设计简介 设计任务设计题目:年产二十五万吨煤制合成氨一氧化碳耐硫变换工序的工艺设计。 反应原理 CO+H2O( 汽)? CO2+H2+9840 千卡/千克分子这是一个可逆、放热、反应前后气体体积不变的化学反应,从平衡移动原理可知,压力对反应平衡无影响,降低温度,增加过量的水蒸汽或脱除反应生成的 CO2 ,均有利于变换反应向正方向进行。 变换反应的热效应: 变换反应是放热反应,反应热是温度的函数。其关系式表示为: Q=10681-- ×10-4T2+ ×10-6T3 2-1 式中: Q----- 反应热(J/mol) T----- 温度(K) 变换反应的化学平衡(1) 平衡常数: 在一定条件下,反应达到平衡时,反应中各组分的数量关系: KP=PCO2 ×PH2/PCO ×PH2O=yCO2 ×yH2/yCO ×yH2O 2-2 式中: PCO2 、PH2 、PCO 、PH2O --- 各组分平衡分压 yCO2 、yH2 、yCO 、yH2O --- 各组分平衡组成 KP--- 平衡常数从上式中可以看出 KP值越大,原料气中一氧化碳转化率越高, 达到平衡时,变换气中残余一氧化碳量越少。北京化工大学毕业设计(论文) 4 (2) 变换率: X=(VCO-VCO ,1)/VCO(1+VCO ,1)×100% 2-3 式中 VCO 、VCO ,1--- 变换前后气体中 CO的体积百分数 X--- 变换率%平衡变换率:达到平衡时的变换