合成氨基本工艺总结
时间：2021-01-02 07:29:16 来源：小苹果范文网 本文已影响 人 
合成氨发展三个经典特点：1. 生产规模大型化2. 能量合理利用。
用过程余热自产蒸汽推进蒸汽机供动力，基础不用电能3. 高度自动化
Chp2. 原料气制取
2.1 固体燃料气化法
氢气关键起源有：气态烃类转化、固体燃料气化和重质烃类转化。
煤气化技术装置分类：（1）固定床气化（2）流化床气化（3）气流床气化
固定床气化：UGI炉，鲁奇（Lurgi）炉和液态排渣鲁奇炉
流化床气化：Winkler气化炉；Lurgi循环流化床气化炉；U-Gas灰团聚流化床气化炉
气流床气化：常压气流床粉煤气化即Koppers-Totzek（柯柏斯-托切克，简称K-T）炉；水煤浆加压气化，即Texaco（德士古）炉和Destec（现E-Gas）炉；粉煤加压气化，即SCGP（Shell煤气化工艺）。
固定床间歇制气： 采取间歇法造气时，空气和蒸汽交替通入煤气发生炉。通入空气过程称为吹风，制得煤气叫空气煤气；通入水蒸气过程称为制气，制得煤气叫水煤气；空气煤气和水煤气混合物称为半水煤气。
间歇式制半水煤气步骤：a．空气吹风 b．上吹制气 c．下吹制气 d．二次上吹 e．空气吹净
德士古气化装置包含煤浆制备、气化、灰水处理。煤浆气化采取德士古水煤浆加压气化激冷步骤。
气化工段关键设备
气化炉 （参见p56图1-2-39）
气化炉分上下两部分，上部为燃烧室，燃烧室内安装三层耐火砖用来预防炉壁烧坏；下部为激冷室。从燃烧室出来工艺气经过下降管进入激冷室，激冷室上部有激冷环，下部下降管浸入水中，工艺气在水中冷激。气化炉是德士古装置关键设备。
碳洗塔作用是洗涤从气化炉来粗煤气，除去粗煤气中含杂灰分和可容水反应副产物，确保洁净、含灰分少粗煤气送到下一工段进行使用。
碳洗塔下部关键作用是洗涤，碳洗塔合成气入口管线伸入水下，粗煤气进入碳洗塔水下后，经过塔内灰水洗涤再进入上部；碳洗塔上部有塔盘，采取筛板结构，用来对合成气进行可溶性气体和灰分进行吸收。
碳洗塔是德士古气化装置中，一个很关键中间过程装置。
从气化炉出来粗煤气经过碳洗塔洗涤送到变换岗位，进行变换反应，或送到火炬管线进行放空，全部这就对碳洗塔液位稳定要求很高，碳洗塔液位高了，轻易将水带到火炬管线中去；碳洗塔液位低，就会影响粗煤气洗涤效果，会影响到变换炉运行。全部对碳洗塔液位控制是尤为关键，尤其是开停车时候，液位控制高会将水带入火炬系统，会造成火炬喷水甚至火炬管线和火炬坍毁。
工艺烧嘴是三层环隙结构，从高压煤浆泵送来煤浆走中间环隙进入气化炉，从空分送来氧气从外环隙和中心环隙进入气化炉。烧嘴将这两种介质送入气化炉并将它们雾化，提升反应效率和原料利用率。
2.2 烃类蒸汽转化法
烃类蒸汽转化法应用最多是加压两段催化转化法。
天然气转化前必需先脱硫。
通常水碳比大于2 可确保不析碳。
催化剂组成：NiO为最关键活性成份。实际加速反应活性成份是Ni，所以使用前必需进行还原反应，使氧化态变成还原态Ni。
转化催化剂有害成份：S，As,卤素等。转化反应前必需脱硫。通常反应温度在1000℃左右，所以硫砷及卤素含量要小于0.5ppm。
2.2.3 甲烷蒸汽转化生产方法
为何用二段转化方法？
转化率高必需转化温度高，全部用很高温度，设备和过程控制全部不利，设备费用和操作费用全部高。采取二段方法，一段温度只在800°C左右，对合金钢管要求低，材料费用降低。在二段才通入空气，使和一段H2反应产生高温，确保二段中转化较为完全。
凯洛格法经典步骤图所表示。分析特点和热充足利用、能量质量合理安排等。
4. 关键设备
一段转化炉
是烃类蒸汽转化关键设备之一。它由对流段和辐射段组成。
二段转化炉
燃烧之前，转化气和空气必需充足混合，以避免局部过热而损坏炉体。所以通入空气先要经一空气分布器。
Chp3 原料气净化
原料气净化包含脱硫，变换，脱碳, 气体精制。
脱硫
工业脱硫方法很多，分为干法和湿法两种。前者是用固体脱硫剂(如氧化锌、活性炭、分子筛等)将气体中硫化物除掉；后者用碱性物质或氧化剂水溶液即脱硫剂(如氨水法、碳酸盐法、乙醇胺法、蒽醌二磺酸钠法及砷碱法等)吸收气体中硫化物。
干法脱硫优点是既能脱无机硫，又能脱有机硫，可把硫脱至极微量。缺点是脱硫剂不能再生，故只能周期性操作，不适于脱除大量硫化物。
湿法采取液体脱硫，便于再生并能回收硫，易于组成连续脱硫循环系统，可用较小设备脱大量硫化物。缺点是对有机硫脱除能力差，净化度不如干法高。
脱碳
脱除CO2方法很多，工业上常见是溶液吸收法，分为物理吸收法、化学吸收法和物理化学吸收法。
物理吸收是利用CO2能溶于水和有机溶剂特点。常见有加压水洗、低温甲醇洗涤等。
化学吸收是用氨水、有机胺或碳酸钾碱性溶液为吸收剂，利用CO2能和溶液中碱性物质进行化学反应而将其吸收。大中型厂多采取改良热碱法，此法以K2CO3水溶液为吸收液，并添加少许活化剂如氨基乙酸或乙二醇胺。
3.1 原料气脱硫
干法脱硫通常适适用于含S量较少情况。湿法脱硫通常适适用于含S量较大场所。
干法脱硫关键有氧化锌法、钴钼加氢法、氢氧化铁法、活性碳法等。
3.2 一氧化碳变换
为了取长补短，工业上采取中变低变串联步骤。压力对平衡无影响。变换是在常压下进行。增大压力可加紧反应速度，降低催化剂用量和反应设备体积，并可降低能耗。加压变换缺点是设备腐蚀严重。
中变(高变)催化剂
中变催化剂通常见铁铬催化剂，活性成份是Fe3O4，所以催化剂使用前要还原。
低变催化剂
低变催化剂通常见铜催化剂。其关键成份为：CuO 等。活性成份为单质铜，使用前也要还原
宽温区耐硫钴钼催化剂
中变反应温升大，通常采取分段式，图实际工作曲线围绕最好温度线。低变反应因为反应量较少，温升不是很大，所以多以一段进行。
水碳比通常为3.0-5.0。
3.2.5 变换反应工艺步骤
中低变串联步骤 此法通常和烃类蒸汽转化及变换后用甲烷化法脱除少许CO法联合使用。
多段变换步骤 适适用于CO含量高，如半水煤气为原料气情况。
3.3 二氧化碳脱除
3.3.1 本菲尔法脱碳
本菲尔法即二乙醇胺热钾碱法。
热钾碱法以K2CO3水溶液为吸收液，并添加少许活化剂如氨基乙酸或乙二醇胺（DEA）。
加入少许DEA能够增加吸收系数，降低二氧化碳平衡分压。
本菲尔脱碳工艺步骤以下图。关键分脱碳和再生两部分，再生需要供给很多热量，也是合成氨中耗能一个较关键部位。
低温甲醇洗
3.4 原料气最终净化
最终净化方法有：铜氨液吸收法、甲烷化法、深冷分离法——液氮洗涤法
3.4.1 甲烷化法
甲烷化法通常要求入口原料气中总碳含量小于0.7%。………..低变！
3.4.2 深冷分离法
氮洗工段基础原理包含吸附原理、混合制冷原理及液氮洗涤原理。
Chp4: 氨合成
但要取得工业效益，合成条件必需高温高压。
平衡氨含量不为3。高压下，气体偏离理想状态，Kp将随R而变，所以含有最大yNH3时R略小于3，约在2.68～2.90之间。
增加惰性气体含量相当于降低了反应物分压，对平衡不利。
氨合成反应是放热反应。
氨合成反应常见催化剂关键是铁催化剂。其组成关键有：Fe3O4(Fe2+/Fe3+ ≈0.5)
促进剂为：K2O, CaO, MgO, Al2O3, SiO2
Al2O3加入可生成合金FeO· Al2O3,其结构和FeO· Fe2O3相同，使Fe3O4分布均匀，催化剂还原后，使催化剂表面积增大，活性增加。
反应活性组成是金属铁，而不是铁氧化物，所以使用前要将催化剂还原。通常见氢气作还原剂。
Al2O3在催化剂中能起到保持原结构骨架作用，从而预防活性铁微晶长大，增加了催化剂表面积，提升了活性。
CaO起助熔剂作用。
K2O加入可促进催化剂金属电子逸出功降低。
MgO除含有和Al2O3相同作用外，其关键作用是抗硫化物中毒能力，从而延长催化剂使用寿命。
少许CO、CO2、H2O等含氧杂质存在将使铁被氧化，而失去活性。但当氧化性物质清除后，活性仍可恢复，故称之为临时中毒。硫、磷、砷等杂质引发中毒是不可恢复，称作永久性中毒。
4.2.3 影响反应速率原因
空间速度：空速增加，生产强度提升。
温度
压力：从速度方程可看出，提升压力可使正反应速度增加大于逆反应速度增加，所以通常选择较高压力。
氢氮比：氮含量可略提升，但基础无大改变，仍为2.9-3.0范围。
4.3 氨合成
4.3.1 最好工艺条件选择
压强： 30MPa 15MPa
温度：450-500℃ 400-450 ℃
4.3.2 氨分离及合成步骤
通常全部用冷凝法来分离氨。
4.3.3 氨合成塔
多个经典合成塔结构
单管并流式合成塔和轴向冷激式合成塔结构图1.37和1.38。现在大型氨厂用冷激式多，它含有各床层温度调整方便，操作更靠近最好温度。
冷激式合成塔关键优点：结构简单、催化剂分布和温度分布均匀、控温调温方便、床层通气面大阻力小。
一个径向冷激式合成塔图 1.40示。其优点是：气体经过床层路径短，通气面积更大，阻力更小；适宜用更小粒度催化剂，提升内表面积，降低内扩散影响；催化剂还原均匀；降低能耗，更适宜于离心式压缩机。
图 1.37
图 1.37
图 1.38
图 1.40
图 1.40
图1.40
Chp5: 合成氨生产综述
以煤为原料合成氨全步骤图所表示。选择了改良蒽琨二磺酸法脱硫、氨基乙酸法脱CO2、加压变换等新技术。
以天然气等气态烃为原料二段转化法步骤图。特点是把脱硫放在转化之前。有益于转化和变换催化剂，避免转化后把温度降到常温下脱硫，节省和利用了大量热能。
化工发展趋势两大特点是：大型化和综合化。
节能降耗方法有：扩大生产规模、选择和原料相适应净化方法、采取新工艺及余热回收利用等。
合成氨－尿素联合生产 （2）合成氨－纯碱联合生产 侯氏制碱特点是，采取循环步骤, 不需对循环液(或气)进行除杂质,采取食盐水除杂。
a.空气吹风 空气从造气炉底部吹入，送风发烧，提升炉温，吹风后气体去废热锅炉回收热量后放空；
b．上吹制气 蒸汽从炉底吹入制水煤气，水煤气经过废热锅炉回收热量，除尘、洗涤后送入气柜。
c．下吹制气 上吹制气后，炉底温度下降，炉顶温度尚高，使蒸汽从炉顶吹入和碳反应，生成半水煤气从炉底导出，经除尘、洗涤, 送入气柜；
d．二次上吹 下吹后，炉底充满水煤气，此时吹入空气升高炉温，可能引发爆炸。再从炉底吹入蒸汽将炉底煤气排净，为吹风作准备。二次上吹虽可制气，但炉温低，气质差，二次上吹时间尽可能短；
e．空气吹净 空气从炉底吹入，将残余水煤气吹出并送入气柜，同时制得吹风气(空气煤气)和b,c,d阶段制得水煤气在气柜中混合为半水煤气。
缺点：气化设备简单、便于控制，能耗大，约有二分之一原料被看成燃料烧掉，生产能力低，产生三废(煤渣、含氰废水、含硫废气等)较多。
3.2 一氧化碳变换
有了平衡常数和初始浓度(注意实际生产中4种物质全部有初始浓度值)，按平衡常数表示式轻易计算出平衡组成和转化率。
按平衡原理，反应宜在较低温度下进行。但实际受转化出口气高温限制，往往分两步进行。
以干原料为基准，设转化率为x,干变换气中CO组成为y′CO,易得转化率计算式为：
温度越低，水碳比越大，平衡转化率越高。反应后变换气中残余CO量越少。
Chp1: 概述
合成氨适宜条件：压强：20 MPa～50 MPa 温度：450℃左右 催化剂：铁触媒
浓度：不停补充氮气和氢气并立即液化分离出氨，采取循环操作，将余下N2、H2送回合成塔，以提升原料利用率。
原料气制备：将空气中O2和C作用生成CO2，除去CO2得到氮气。
氨合成和分离：
为何氮、氢混合气体送入合成塔前要进行压缩？
该反应需要在高压下进行，达成一定压强现有利于加紧反应速率又能提升反应物转化率。
合成氨生产工艺：
现在关键生产过程：
(1) 制气 用煤或原油、天然气作原料，制备含氮、氢气原料气。
(2) 净化 将原料气中杂质：CO、CO2、S等脱除到ppm级。
(3) 压缩和合成 合成氨需要高温、高压，净化后合成气原料气必需经过压缩到15~30MPa、450℃左右，在催化剂作用下才能顺利地在合成塔内反应生成氨。
Chp2. 原料气制取
2.1 固体燃料气化法 2.2 烃类蒸汽转化法
Chp3 原料气净化
3.1 原料气脱硫 3.1.1 干法脱硫 3.1.2 湿法脱硫
3.2 一氧化碳变换 3.2.3 催化剂 3.2.4 变换过程工艺条件 3.2.5 变换反应工艺步骤
3.3 二氧化碳脱除 3.3.1 本菲尔法脱碳
3.4 原料气最终净化 3.4.1 甲烷化法 3.4.2 深冷分离法 （3.铜氨液吸收法）
Chp4: 氨合成
4.1 氨合成反应热力学基础
4.2 氨合成反应动力学基础
4.3 氨合成 4.3.1 最好工艺条件选择 4.3.2 氨分离及合成步骤 4.3.3 氨合成塔
Chp5: 合成氨生产综述
1．技术经济分析和综合利用 2．联合生产
以煤为原料合成氨全步骤图所表示。
经典步骤：
以天然气等气态烃为原料二段转化法步骤图。
