钱姗姗，王真
山东华鲁恒升化工股份有限公司 山东德州 253000
摘 要：变换工序是合成氨中最重要的工序之一，在合成氨工艺的流程中起着非常重要的作用。介绍氨的基本性质和用途，阐述了变换工段工艺发展概况，优化了合成变换的工艺流程。并对第一变换炉、第二变换炉、煤气换热器以及变换气换热器等主要设备进行选型计算，做出了合成氨变换工段中变串低变的工艺流程图和设备布置图。所得结果基本满足设计要求，工艺流程可行。
关键词：合成氨，一氧化碳，中低温变换
在合成氨的生产过程的原料中存在着有害的一氧化碳成分，因此就要除去一氧化碳，在这一过程中CO变换起着至关重要的作用。反应所需的反应气来自天然气，但是天然气中含有一氧化碳成分。在合成过程所需的原料，不能用一氧化碳，因为毒害作用，会使催化剂失效。因此必须除去CO成分，这一目的需要在催化剂的促使下通过变换反应来完成。使用催化剂的情况下，发生CO+H2O=CO2+H2反应。通过该反应，既去除了大部分的一氧化碳，又制得了等量的氢，消耗的也只是水蒸气。那么，这一反应即消除了一氧化碳纯化了原料气体，又是原料气的再生。最终使一氧化碳的量净化降低至3%左右。总之，利用一氧化碳变换工段，既减少了污染，又节约了成本，具有很好的经济效益和实用效果[1]。
1 设计依据
经过各个大中小型企业经过多年的摸索研究，合成氨的发展现在已经具备了一套成熟的化学生产工艺。整个合成氨工艺大致可分为四个阶段，即造气、净化、压缩、合成。初始的反应气中通常存在着很多的的碳，因为一氧化碳对反应催化剂有毒，所以需要在进入氨合成工序之前将其中的CO经变换工艺将其转变为CO2除去。合成所需要的H2。因此，CO变换即消除了一氧化碳纯化了原料气体，同时是原料气的再生。行如果仍然存在少量的CO，可以将氨溶解于水中，形成氨水，达到洗涤除去的目的。变换工段是借助于一定温度，特定的催化剂，使一氧化碳与水蒸气发生反应生成有效气体氢气与二氧化碳。在各个大中小型企业中发挥了至关重要的作用。在这里采取中串低变的方法，中串低变这一概念是从上世纪80年代流的。中变串低变是在B109,B1113,B114,B115等作为催化剂的前提下，以铁-铬系催化剂为主要添加物，然后再串进钴-钼系宽变催化剂的工艺。这一工艺使反应所需的条件发生了很大的变化。一方面最大程度的降低了入炉蒸汽比，另一方面又最大程度的降低了出炉气体中的CO含量。因为中变后钴-钼系宽变催化剂的串入，不仅使反应所需的条件发生了很大的变化，而且还大大降低了能耗，更方便了变换系统操作。
2 变换工艺的选择
变换工艺主要有 4 种：全中变、中串低、全低变和中低低。对于每一种变换工艺，由于采用不同的热回收方式而使变换工艺流程及设备结构有所不同。合理选择变换工艺应考虑以下因素：半水煤气、水和蒸汽的质量；半水煤气中硫化氢含量；变换气中 CO 含量要求；对变换后续工段的影响；企业现有的管理水平和操作水平。中变段间的热回收方式最主要有 3 种：煤气冷激、中变炉内喷冷激和中变炉外喷水增湿。中变段间煤气冷激与中变炉内喷水冷激两种中低工艺流程各有优缺点。
3 工艺原理和流程
3.1 工艺流程
整个生产过程主要分为三部分，分别是一二段的转化和中-低变串联流程。如图2-1所示，首先经过天然气加氢脱硫，在一定温度和压力下使水碳比为3.5，然后进入一段转化炉对流加热反应，在集气管中的温度升到850℃左右，在输气总管的作用下，加热后的气体进入二段转化炉。然后再把经二段转化气连续送入到第一换热器、第二换热器，回收高位能废热并使之由最初的1000℃降温至360℃左右。最后将气体送进变换工序，进一步处理。此时，变换工艺原料气在360℃、3.0MPa下进入中变炉。转化气到达锅炉后，不再有转化炉的高温，而是冷却到了330℃。在锅炉出口处加入水蒸汽，把汽气比调控在在3～5之间。要求一氧化碳含量下降3%以下，然后送入中变炉实现这一过程。这个时候的气体温度仍然有些高。
是不可以进行气体变换的，需要用来加热其他工艺气体达到换热效果，使温度降到180℃左右时送入低变炉。在此过程中，换气中一氧化碳含量将会下降到0.3%以下，这时就可以进行后续工段的净化了。
3.2 压力
在一氧化碳变换工艺中压力虽不起决定性作用，但是，提高反应的压力将促使副反应发生。从反应平衡来看的话，增加压力没有十分显著的好处。不过从动力学角度来看，增加压力反而可以提高反应的速率，降低反应时间。而且从耗能上看，增加压力可以减少能量的损耗。由于干燥原料气体摩尔量小于干燥转化气体的摩尔量，增加压力后反应正向进行，因此，在转化前压缩原料气所需的能量低于在常压下压缩的能量消耗。操作压力的确切数值，需要根据不同的工艺要求和合成氨厂配置来定，特别是投料过程中各个反应段的压力需求都不相同。平常情况下，规模小点的合成氨工艺的数值在0.7-1.2MPa的范围,中型合成氨工艺的数值在1.2-1.8Mpa范围。该生产工艺所需的原料气，是在规模不大的合成氨厂通过变换反应来的，取1.7MPa的压力。
3.3 温度
变换反应是可逆放热反应。从动力学的角度看，升温使反应速率常数增大，减少了反应正向进行的时间。但是从热力学角度考虑，升高温度反应朝着吸热方向进行，即逆反应，平衡常数随之变小，CO平衡含量随之增大。这时就要从动力学方面对反应所需的最适宜的温度进行计算。
4 自动化的主要内容
自动检测系统；利用多种检测仪代替了人眼对工艺参数的观察与测量，因此，在化工生产中起到眼睛的作用。自动信号和连锁保护系统；在化工生产中一些偶然因素会使工艺参数超出正常范围，这就有可能引发事故，为了避免事故的发生，通常对关键性参数配置信号连锁装置。当意外情况发生时采取自动保护措施，必要时紧急停车。
4.1 自控水平与控制点
本设计采用的DCS系统，有多种运算控制算法和其他数学逻辑运算的功能。如四则运算，逻辑运算。本系统通过通信网络传递各种信息和数据，并且采用国际标准通信协议，符合OSI七层体系，具有极强的开放性，便于系统间的互联，提高了系统的可用性。设计上采用积木搭。接方式进行灵活配置，扩展灵活。
4.2 加强安全监管
在工业发展的前提下，化工安全与环保成为了我们不得不加强管理重点。太多的安全事故发生在我们身边，环境污染迫在眉睫。国家发展经济也以不污染环境、对环境造成破坏为底线。陆续强制性关闭了一些高污染企业，对安全指标检查的强调再三。合成氨工业也不例外，在生产中，我们要对三废的产生与处理情况不断加强。国家政府部门对企业生产过程中的安全问题都有指标要求，未知的隐患要尽早排除。严格按照国家安全生产许可执行，各级领导尽职尽责，把每项工作都安排到相关责任人。出了问题要知道问题所在，最终目的就是零问题。毕竟化工事故都发生往往给我们带来难以想象的灾难，时刻加强防护，警钟长鸣，有备无患才能防患于未然。
结束语
本工段产生的有害物质较少。我们作为化工企业，在生产中产生的废液，废气，废渣简称“三废”。在国家“谁污染谁治理”的政策下，我们要对自己负责，对我们生存的环境负责。在我们享受化学产品给生活带来便利的同时，也要学会使用相关技术手段去除或者减少对环境有害的物质，大力倡导绿色化学。本变换工段产生的主要是废气，还有废热，对环境危害不大，但是也不能忽视，时刻做好防护措施，防止泄露。产生的废热可以作为热传递物质实现废物利用。
参考文献
[1]王照成,刘庆亮,李繁荣,丁玲,肖敦峰,胡四斌.等温变换技术及其工业化应用进展[J].煤化工,2020,48(06):12-15+19.