变换炉是合成氨工厂生产一氧化碳工段的一个核心的必备的设备，变换炉的结构能否满足工艺要求与计算设备、可靠性直接影响到产量、能耗、转化率、触媒用量和投资费用等。变换炉的结构随着现代技术的发展和现代氨生产量需求一直在不断的发展中。

在合成氨生产中，一氧化碳有高温变换、中温变换和低温变换之分，对于低温变换，由于在这一过程中一氧化碳转化量少，催化床层温升小，仅需一段绝热催化剂反应即能满足工艺生产要求，因而低温变换炉的结构型式单一，而对于高温、中温变换，由于一氧化碳转化量多，催化床层温升大，相应的中文工艺有所不同，一般来说，工业生产中采用的中变炉结构型式随合成按生产原料的不同而有差异，近十几年，在传统的固定床反应器基础上，又出现了轴径变换炉和列管式等温变换炉等新的结构型式。

多段中变炉通常指两段或三段绝热反应段，两段式中变炉壳体是用钢板制成的圆筒，内部以钢板隔成上、下两段。上段装两层催化剂，下段装一层催化剂。催化剂靠支架支承，支架上铺箅子板、钢丝网及耐火球，然后装填催化剂，上部再装一层耐火球。在催化床层内设有热电偶。炉体内壁砌有耐热混凝土衬里,以降低炉壁温度和减少热损失。炉体上配置有人孔与卸催化剂口。

多段中变炉适用于以煤或重油为原料的合成氨生产装置。以煤为原料制取的半水煤气中含一氧化碳25%～ 34%，重油气化制得的水煤气中含一氧化碳44%～ 49%，经中温变换使一氧化碳降至3%，绝热反应温升达170～ 240℃ 。为了有利于反应平衡并降低蒸汽消耗，变换反应的催化床层应尽可能在较低的出口温度下操作。因此，通常使用二至三段绝热催化剂层，并采用中间换热式、喷水冷激式和蒸汽过热式进行降温。中间换

热式是采取预热入口半水煤气的方法，降低变换气的温度。喷水冷激式是向反应气内喷入冷激水，既降低反应气温度，又增加水蒸气含量，有利于变换反应进行，冷激水通常为变换系统的冷凝液。蒸汽过热式是利用导入的饱和蒸汽来冷却反应气体，并使蒸汽过热。以上三种降温方式可以混合使用。

多段中变流程一般包括： (1)多段变换炉及其段间冷却设备； (2)回收变换炉出口变换气的显热以预热入口半水煤气的热交换器；(3)回收过量反应蒸汽潜热的热水饱和塔及其附属的水加热器； (4)加热脱碳溶液的再沸器。

与多段中变炉相比，一段中变炉的结构简单。炉内没有分段隔板，仅有支承催化剂层的箅子板和钢丝网。钢丝网上铺了一层氧化铝球,用来支承催化剂，避免漏出。为减少气流和压力波动所造成的冲击以及保证气体均匀分布，在催化床层顶部再铺上一层氧化铝球。通常装填一层或二层催化剂。

一段中变炉适用于以天然气或石脑油为原料的合成氨装置。以天然气或石脑油蒸汽转化法制取的原料气中一氧化碳含量为13%～ 15%，经中温变换后一氧化碳含量降至3%时，绝热反应温升约为60℃左右，只需配置一段中变催化剂。变换工艺采用中变串低变的工艺流程，中变气的热能多用来预热锅炉给水或直接产生蒸汽，部分用来预热甲烷化炉入口工艺气。低变气热能作为脱碳溶液再生热源。

轴径向变换炉内部设有进口分布器和出口分布器，分布器为壳侧布满小孔的钢制圆筒体，催化剂填充在进口分布器和出口分布器筒体之间。轴径向变换炉的主要特点如下。

(1)气体轴径向通过催化床层，催化剂利用率高，床层压降小。在轴径向催化床中，气体通过催化剂的径向面积大大增加，90%的气体径向穿过床层，这样床层中的催化剂得到充分利用；10%的气体沿轴向向下通过床层，与传统的轴向床层相比，压降小得多。

(2)使中变催化剂免受转化气随二段炉热回收时夹带来的水滴浸蚀。

(3)可采用粒度更小，活性更高的催化剂。

(4)适合于装填不同体积的催化剂。

轴径向变换炉最先由Casale公司设计，我国山东齐鲁石化研究院已成功将轴径向变换炉实现国产化。轴径向变换炉也适合于改造现有的中变炉和低变炉，并适合采用中变串低变工艺，应用于以天然气或石脑油为原料的合成氨装置中。

列管式等温变换炉由ICI公司设计，并应用于LCA合成氨新工艺中。列管式等温变换炉为一列管式换热催化反应设备，结构型式与列管式换热器相仿。它是将中低变合并在一个管壳式反应器内，管内装ICI新型催化剂，管间为锅炉给水或工艺冷凝液和汽化的蒸汽，能有效控制炉温，操作温度250～ 265℃，设备可用锅炉钢板制造，管壳间温差不大。

图1所示为应用列管式等温变换炉的工艺流程。由天然气二段转化后温度降至230～ 250℃的转化气进入列管式等温变换炉，出口变换气CO含量为0.4%～ 0.5%，经变换炉锅炉给水加热器和脱碳溶液再沸器后去脱碳装置。CO变换反应热由列管式等温变换炉壳侧的热水移走，使热水加热和汽化产生蒸汽，供饱和原料天然气，以满足蒸汽转化用大部分工艺蒸汽。