《典型化工工艺》专题十七 合成氨（4）（举一反三考点练）-讲义

山东省《典型化工工艺》 举一反三考点练

专题十七  合成氨（4）-讲义

 

1.      了解一氧化碳变换的基本原理。
2.      理解一氧化碳变换工艺条件的选择及工艺流程。
3.      了解脱除二氧化碳的方法。

 

知识点一  一氧化碳变换及其工艺条件

1.变换原理

用不同燃料制得的合成原料气均含有一定量的一氧化碳。一般固体燃料氧制得的水煤气中含CO35%—37%，半水煤气中含CO25%—34%，天然气蒸汽转化制得的转化气中含CO较低一般为12%—14%一氧化碳不是合成氨生产所需要的直接原料而且在一定条件下还会与合成氨的铁系催化剂发生反应导致催化剂失活。因此，在原料气使用之前，必须将一氧化碳清除。清除一氧化碳分两步进行，第一步是大部分一氧化碳先通过一氧化碳变换反应

CO+H2O（g）=CO2+H2     （可逆等体积放热反应）

这样既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳而且又制得等量的氢而所消耗的只是廉价的水蒸气。因此一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。第二步是少量残余的一氧化碳再通过其他净化法加以脱除。

不论以固体、液体或气体为原料所得到的合成氨原料气中均含有一氧化碳。固体燃料气化所得半水煤气中的一氧化碳含量为28%~30%，烃类蒸汽转化为12%~13%，焦炉转化气为11%~15%，重油部分氧化为44%~48%。一氧化碳的清除一般分为两次。大部分一氧化碳先通过变换反应，即在催化剂存在的条件下，一氧化碳与水蒸气作用生成氢气和二氧化碳。通过变换反应，既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳。同时又可制得与反应了的一氧化碳相等摩尔的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。因此一氧化碳的变换既

是原料气的净化过程又是原料气制造的继续。最后残余的一氧化碳再通过铜氨液洗涤法、液氮洗涤法或甲烷化法等方法加以清除。变换工段是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。目前变换工序主要有“全低变”工艺和“中低变”工艺。

“全低变”工艺是90年代在我国小合成氨开始使用的是从“中低变”演变而来使用低温活性较好的B302Q、B303Q等耐硫变换催化剂各段进口温度均在200℃左右。经过几年的发展，随着耐硫低温催化剂的开发利用“全低变”的工艺和设备不断完善，操作水平也进一步提高。目前“全低变”工艺已进入成熟阶段。该工艺具有蒸汽消耗低、系统阻力小、生产强度大等优点。

2. 变换催化剂

高温变换(或中温变换)主要是用以 Fe₂O₃ 为主体的铁铬系催化剂，使用温度范围为350～550℃。低温变换以 CuO 为主体的铜锌系催化剂，活性组分CuO 和 ZnO, 操作温度为200~280℃,Co-Mo   系宽温变换催化剂，称 为耐硫低温变换催化剂，活性温度180～500℃。催化剂：

3. 变换工艺条件

变换工艺条件的选择：

（1）压力  一般小型合成氨厂操作压力为0.7~1.2 MPa, 中型氨厂为1.2~1.8 MPa。

（2）温度  反应温度通常在300-500℃之间，根据催化剂种类和活性进行调整。

（3）水蒸气比例  n(H₂O)/n(CO)=3~5

关于合成氨原料气中一氧化碳（CO）变换过程的描述，以下哪些选项是正确的（   ）

A. CO变换反应的目的是将CO转化为CO₂并制取H₂，同时避免催化剂中毒。

B. 铁铬系催化剂适用于低温变换（200~280℃），而铜锌系催化剂适用于高温变换（350~550℃）。

C. “全低变”工艺采用耐硫钴钼系催化剂，操作温度范围通常为180~500℃。

D. 变换反应的水蒸气比例一般控制为n(H₂O)/n(CO)=3~5，以提高CO转化率。

E. 以重油部分氧化法制备的原料气中CO含量通常低于烃类蒸汽转化法（如天然气转化）。

【答案】A、C、D

【解析】A：正确，符合变换反应的目的（净化与制氢）。 B：错误，铁铬系用于高温变换，铜锌系用于低温变换。C：正确，耐硫钴钼系催化剂是宽温型，适用于全低变工艺。D：正确，水蒸气比例是工艺关键条件之一。E：错误，重油部分氧化的CO含量（44%~48%）显著高于烃类蒸汽转化（12%~13%）。

1.在合成氨原料气的变换过程中，一氧化碳（CO）变换反应的主要目的是什么（   ）

A. 仅降低CO浓度以避免催化剂中毒

B. 将CO转化为CO₂并制取H₂，同时减少催化剂中毒风险

C. 仅增加H₂的产量，不考虑CO的去除

D. 提高原料气的压力以优化后续合成反应

【答案】B

【解析】CO变换反应不仅是净化过程（去除CO），还能生成H₂（CO + H₂O → CO₂ + H₂），并防止铁系催化剂中毒。

2.以下哪种变换催化剂适用于低温变换（200~280℃）（   ）

A. 铁铬系（Fe₂O₃-Cr₂O₃）    B. 铜锌系（CuO-ZnO）

C. 钴钼系（Co-Mo）     D. 镍基催化剂

【答案】B