1、合 成氨生产需要的原料气是 H2和 N2，而粗煤气中含有大量的 CO，某种粉煤加压气化工艺制得的粗煤气中干基 CO 含量高达 70， 需要将其与H2O 反应转化成 H2和 CO2。 一氧化碳变换是粗煤气借助于催化剂的作用 ，在一定温度下 ，在变换反应器中与水蒸气反应 ， 生成二氧化碳和氢气的工艺过程 。 通过变换反应既除去了一氧化碳 ，又得到了制合成氨的原料气氢和尿素加工的原料气二氧化碳1。 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过程 。变换反应属强放热反应 ， 且是一个热力学控制的过程 ， 工业上变换装置多采用绝热固定床反应器 。 绝热固定床反应器是化学工业和石油化
2、工中应用最广泛的核心装置 ， 变换装置中的轴向反应器和轴径向反应器都属于此类 。1 绝热固定床反应器绝热固定床反应器如不考虑热损失 ， 则近似认为与外界不换热 ，对于可逆放热反应 ，依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高 。 催化剂床层入口气体温度高于催化剂的起始活性温度 ，而出口气体温度低于催化剂的耐热温度 。 对于绝热温升较小的反应 ，可用单段绝热催化床 ，如果单段绝热床不能适应要求 ，则可采用多段绝热床 。图 1 是可逆放热单反应三段间接换热式的操作状况 ， 因此在转化率 温度图上有平衡曲线和最佳温度曲线 。 变换工艺在流程设置上的基本原理类似于此图 ，均采用多段绝热床反应 、多次
3、换热的方式 。气体通过绝热固定床反应器时要产生压力降 ，主要来自两方面 ：由于颗粒的粘滞拽力 ，即气体与颗粒表面间的摩擦 ； 由于气体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩 ， 以及气体对颗粒的撞击及气体的再分布而产生 。 在低流速时 ，压力降主要是由于表面摩擦而产生 ， 在高流速及薄床层中流动时 ，扩大 、收缩则起着主要作用 。影响绝热固定床反应器压力降的因素有两方面 ： 一方面是由于气体本身的特性 ， 如气体的黏度 、密度等物理性质和气体的质量流率 ；另一方面是由于床层的特性 ，如床层的高度和流通截面积 、床层的空隙率 、颗粒的物理特性 （包括粒度 、形状 、表面粗糙度等 ）2。对于变换装置来
4、说 ，在气体组分和催化剂都不变的条件下 ， 影响床层压力降的因素主要在于床层本身 。 也就是说 ，采用轴向反应器还是轴径向反应器 ， 会影响到整个变换装置的压变换反应器技术进展田 旭 ，曹志斌 ，汪旭红（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司 ，甘肃兰州 730050）摘要 ：对合成氨变换装置中使用的几种变换反应器进行了分析和比较 ，论述绝热固定床反应器压力降产生的原因及影响因素 ，分析轴径向变换反应器较之于轴向变换反应器的优势 。 由于等温变换反应器自身的优点 ，在今后将有极好的应用前景 。关键词 ：变换反应器 轴向 轴径向 等温图 1 单一可逆放热反应三段间接换热式操作状况收稿日期 ：20
5、111026。作者简介 ：田 旭 ，男 ，1984 年出生 ，工程师 ，2008 年毕业于天津大学工业催化专业 ，硕士 ，从事煤化工工程设计工作 。 联系电话 ：09312662129；Email：tianxu2008hotmailcom。2012年 2 月第 35 卷第 1 期 Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryFeb.2012Vol.35 No.12012 年 第 35 卷力降 。2 轴向变换反应器传统的变换反应器为轴向变换反应器 。 轴向变换反应器是工业中应用最早 、最广泛 、也最成熟的变换反应器 。 在轴向反应器中 ，流体轴向通过催化
6、剂床层 ，轴向返混小 ，流体分布装置结构简单 ，但流体通道受设备横截面的限制 ， 一般流通面积较小 ，床层压降较大 ，同时对催化剂的强度要求也较高 。在轴向变换反应器中 ，流体流速大 ，为保证变换反应 ，所需的催化剂装填量较多 ，催化剂床层较高 ，催化剂颗粒较大 ，因此其活性较低 ，床层压力降就较大 。而且残余 CO 的增加将大大增加合成氨的能耗 （采用醇烷化净化 ），或造成原料的损失 （双洗净化 ）。 为防止床层阻力上升 ，通常在床层入口采用大颗粒催化剂或活性较低的催化剂 ， 以减少反应沉积物的生成 。 图 2 为典型的轴向变换反应器简图 。轴向变换反应器的改进措施 ： 在轴向变换反应器入口
7、装填大孔容吸附剂可以增加吸附微尘能力 ；改变反应器中反应物的流向 ，例如改上进下出为下进上出 ，这样可以利用重力来降低阻力 。3 轴径向变换反应器近些年来 ，由于合成氨的生产规模越来越大 ，轴径向变换反应器的应用也越来越广泛 。 轴径向降阻技术首先由卡萨利公司提出 ， 已广泛用于合成氨 、合成甲醇生产中 。 鉴于轴径向氨合成塔改造成功 ，贵州赤天化股份有限公司早在 1988 年便要求轴径向反应器专利拥有者瑞士卡萨利公司开发轴径向变换反应器 。 轴径向变换反应器因此在全世界内首次在中国的化肥厂得到应用3。 目前 ，轴径向反应器设计已经实现国产化 ， 轴径向反应器在新建项目上的应用也越来越多 。3
8、1 轴径向变换反应器的特点变换气进入轴径向变换反应器后 ， 沿着筒体和内件边缘分布 ， 绝大部分气体均匀的沿着外分布器径向穿过催化剂床层 ， 最后汇集于中心管送出 ，使反应流体通过催化剂的距离缩短 ，阻力降减小 ，同时降低了催化剂段变换炉壳体的温度 ，具有高效 、节能 、安全等特点 。 这种结构特点使得轴径向变换反应器有如下优点 ：入口流速降低 ，减少了对入口催化剂颗粒的冲刷 ，使其不易粉化 ，并且入口流通面积增加 ， 催化剂床层的粉尘容纳能力显著增加 ，使床层阻力上升变慢 ；大约 90气体为径向流 ，流动方向与重力方向垂直 ，可避免偏流和短路 ，由于气体均匀穿过床层 ，对催化剂的影响均匀 ，
9、 没有轴向流上层催化剂易结块或粉化的问题 ；可采用小颗粒催化剂 ，降低催化剂内扩散阻力 ，比表面更大 ，活性更好 ，接触面积大 ，寿命更长 ，在同样装量下可提高生产能力 ；优化了催化剂分布 ，防止高温下较多催化剂的烧结失活 ，由于催化剂床层变薄 ，易于传热 ，催化剂升温 、还原及硫化更加容易 ，不易超温 ，显著缩短开车时间 ，且生产操作无特殊要求 ；壳体使用寿命长 ，变换气从外向内流动 ， 变换炉壳体始终处于相对低温运行 ，因此更加安全可靠 ，特别是对 CO 含量更高的粉煤加压气化技术 ， 出床层的高温变换气体只影响到设备中心管和出口管 ， 所以在壳体选材时可以冷热区分开 ，经济性好 ，适合于
10、大型化装置 ；变换反应器的压力降非常稳定 ， 减少了对生产的影响 ， 并且压力降变小 ， 可节约合成气压缩机功耗 ，一氧化碳变换率提高 ，节约了原料消耗和下游工段的能量消耗 。 图 3 是轴径向变换反应器结构示意图 。图 2 轴向变换反应器结构示意图 3 轴径向变换反应器结构示意414第 1 期轴径向变换炉可以和下游换热器直接连接（类似于氨合成塔和下游换热器的连接 ）， 取消连接管道 ， 降低下封头和法兰的设计温度 ， 降低投资 ，减少设备占地空间5。 若管道连接 ，则非常昂贵 ，而且安全可靠性差 ，类似于氨合成塔出口的管道 。32 轴径向变换反应器应注意的问题轴径向变换反应器由于气体流道截面
11、积大 ，催化剂床层较薄 ， 存在着气体沿轴向分布不均匀的问题 。 若气体分布不均匀 ，会影响到轴径向变换反应器的温度 、浓度分布等 ，从而影响催化剂床层的热稳定性 。 气体的均匀分布是轴径向反应器研究 、设计与工业应用上的关键问题之一 。 欲使气体沿催化剂床层轴向高度均匀分布 ， 其必要条件就是使催化剂床层外侧面与内侧面之间的静压差沿轴向高度保持相等 。4 等温变换反应器由于上述绝热固定床反应器具有结构简单的特点 ，所以是目前应用最为广泛的反应器类型 。 但在工业生产 ，特别是合成氨生产中 ，由于转化率要求较高 ，单段的绝热固定反应器床不能满足要求 ，只能根据最终的产品要求 ，考虑设置多段反应
12、器 ，以达到较高的转化率 ， 这主要是因为平衡常数的影响 ，由于反应中生成物不断产生 ，同时反应温度不断升高 ，转化率下降 ，到一定程度 ，不得不降低温度后进入后续反应器继续转化 。 同时温度不断升高 ，会超出催化剂的使用温度 ，也要求采用多段反应的方式 ，使之在最适宜温度下进行 ，以达到工业生产的需要 。 这就造成了变换工艺流程长 ，形成复杂的换热体系 。 为了改善这种状况 ，简化变换工艺流程 ，提出了等温变换反应器的思路 。等温变换反应器 （图 4）相当于在反应器中内置一个换热器 ，通过及时移走反应生成的热量 ，保持床层基本恒温 。 由于温度降低 ，平衡常数增大 ，反应程度加深 ，转化率更
13、高 ，使反应过程温和 ，一直保持在最适宜温度下 。 同时 ，变换反应初期操作时易超温 ，可通过反应器中的换热体系加以控制 ，保护设备安全 ，可有效解决操作中的一系列难题 。在等温反应过程中 ，催化剂产生的应力最小 ，从而延长了催化剂的寿命并且催化剂的性能也得到最大程度的发挥 。 不足之处是 ，因为增添了内件 ，催化剂的装填系数减小 。目前等温变换反应器主要有两类 ： 轴向等温反应器 、轴径向等温反应器 ，均是在绝热固定床反应器的基础上开发出来的 。丹麦的赫多特普索化工设备公司开发了一种等温反应器 ，在反应器中插入许多列管 ，列管中装催化剂 ，管外用锅炉给水汽化带走热量 。 在催化剂床层中设有氢
14、渗透薄膜管 ， 同心的设置在反应器管内 。 原料气在催化剂床层反应的同时 ，产生的氢气通过氢选择膜到达渗透区 ， 然后将氢气从渗透区抽出并将耗尽一氧化碳的原料气排出反应区 。这样可以使反应程度加深 ， 并且维持稳定的反应温度6。北京航天万源煤化工工程技术有限公司通过将气气换热器内置于变换反应器中 ， 变换反应产生的热量在产生之初就被换热管所吸收 。 在实际生产过程中 ，当反应稳定以后 ，床层的温度相对均匀 。 这种结构型式催化剂和换热管之间直接接触 ，而气体在催化剂表面反应以后 ， 催化剂与气体温度均上升 ，这样换热管 、催化剂及热气之间存在着三种换热形式 ：热对流 、热传导和热辐射 。 本结
15、构型式提高了换热效率 ，降低了压降 ，可大幅减少换热面积 ，节省材料 ，并且换热器管束分散布置在催化反应装置中 ，能够直接与床层接触 ，使床层温度分布更为均匀 ，有利于对反应进程的监控和调节 ，是一种较为先进又可行的等温反应器7。等温变换炉有着许多优势 ，早在 20 世纪国内就有应用 ， 在泸县化肥厂天然气制氨工艺中的变换炉的优化设计就采用了等温变化炉8。设备分等温和绝热 2 个催化剂床 ，等温段内设不锈钢蛇管 ，由管内水移走反应热 。5 结论1） 轴向 、轴径向变换炉均属于绝热固定床反应器 ，具有结构简单 、反应空间利用率高 、造价便图 4 等温变换反应器田 旭等 . 变换反应器技术进展15
16、2012 年 第 35 卷（SINOPEC Nanjing Engineering Inc， Nanjing 211100）Abstract：An integrated resolution of coalchemical and thermopower coproduction，as an organicallycombined integrated system technology of coalchemical project and supply of steam and power， has dailydrawn attention in various countries of
17、todays world At present，USA and some European countries haveaccelerated the RD of IGCC technology and development pace in the industrialized application，China hasalso implemented appropriate research of the technology and constructed some pilot projectsThis paper brieflyintroduces the basic features
18、 and the present development in the world of the integrated solution of coalchemical and thermopower coproduction （IGCC technology）as well as the economic feasibility analysis forthe technology promotion in ChinaKey words：coalchemical；IGCC power generation；example analysis宜等特点 ，在目前的工业生产中仍会大量应用 。2） 与
19、绝热固定床反应器相比 ，等温变换反应器有着许多优势 ， 可有效解决变换装置中的一系列难题 ，更安全 、更稳定 、更经济 ，是今后变换反应器发展的方向 。参考文献1 杨春升 中小型合成氨厂生产操作问答 M 北京 ：化学工业出版社 ，2010：792 朱炳辰 化学反应工程 M 北京 ：化学工业出版社 ，2001：1473 程喆元 轴径向变换炉应用简介 J 大氮肥 ，1999，22（6）：3823844 王 东 轴径向变换炉的设计 J 甘肃科技 ，2004，20（6）：22245 上海国际化建工程公司 变换反应器与下游换热设备的直连结构 P 中国专利 ：201664603，201012086 赫多特
20、普索化工设备公司 一氧化碳变换工艺及反应器 P中国专利 ，1461730，200312177 北京航天万源煤化工工程技术有限公司 一种等温径向变换反应器 P 中国专利 ，102059078，201105188 李琼玖 天然气制氨一次等温变换炉设计的优化 J 四川化工 ，1997，（1）：5456TECHNICAL PROGRESS OF SHIFT CONVERTERTian Xu，Cao Zhibin，Wang Xuhong（Aerospace Changzheng Chemical Engineering Co， Ltd， Lanzhou branch， Lanzhou 730050）Ab
21、stract：Several shift converters used in shift conversion section of ammonia plant are analyzed andcomparedThe reasons and influencing factors for pressure drop generated in an adiabatic fixed bed reactor arepresented The advantages of axialradial shift converter over axial shift converter are analyz
22、ed Owing to theself advantages the future application prospect of isothermal shift converter will be goodKey words：shift converter；axial；axialradial；isothermal（上接第 12 页 ）!大型低压合成氨工艺全面国产化2011 年 10 月 ， 鲁西化工集团股份有限公司完全采用国产化技术的大型低压合成氨项目 年产 36 万吨合成氨装置开车成功并投入生产 。 截至目前 ，该合成氨装置已连续稳定运行近 4 个月 ，产品质量符合相关的国家标准 。 这
23、套装置以煤为原料生产液氨产品 ，装置设计压力 15MPa，生产能力 1200td，是第一套完全采用我国自主知识产权的大型低压合成氨装置 。 该装置的空分 、气化 、净化和氨合成单元 ，分别采用了杭州杭氧股份有限公司 、北京航天万源煤化工工程技术有限公司 、大连甲醇气体净化技术开发有限公司和南京国昌化工科技有限公司自主开发的技术 。年产 36 万吨低压合成氨装置的开车成功 ，意味着我国全面掌握了大型低压合成氨项目的全套自主技术 ，结束了低压氨合成关键技术长期依赖国外的局面 。国产设备和技术打破了国外公司的长期垄断 ，与国际行业巨头形成多足鼎立的态势 ，将有力推动国内合成氨工业的进步与发展 。 钱伯章!16
