合成氨生產(chǎn)工藝綜述

1、摘 要 都是以氨為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1 億噸以上，80%的氨用來(lái)生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。 化水平，靠人工控制的也不少，普遍存在的問(wèn)題是：能耗大、成本高、流程長(zhǎng)，自動(dòng)控制水 程優(yōu)化控制是行之有效的方法。合成氨生產(chǎn)裝置是我國(guó)化肥生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高整個(gè)合成氨生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化控制水平， 對(duì)目前我國(guó)化肥行業(yè)狀況，只有進(jìn)一步穩(wěn)定生產(chǎn)降低能耗，才能降低成本 現(xiàn)合成氨裝置的優(yōu)化是投資少、見(jiàn)效快的有效措施之一。合成氨裝置優(yōu)化控制的意義是提高整個(gè)合成氨裝置的自動(dòng)化水平，在現(xiàn)有工藝條件下， 原材料消耗，降低能源消耗，提高產(chǎn)品的合格率，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

2、關(guān)鍵字合成氨 農(nóng)業(yè) 化學(xué)肥料 意義 前言 原料之一，用途十分廣泛。以氮和氫為原料合成氨，是目前世界上采用最廣泛，也是最經(jīng)濟(jì) 液氨含氮 82.3%，一些國(guó)家已大規(guī)模直接施用液氨?？梢?jiàn)，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)， 對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著十分重要的作用。1949 年0.620097021.9引進(jìn)了一批年產(chǎn) 30 萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。中國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn) 30 萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)合成氨工業(yè)發(fā)展很快，產(chǎn)量不斷增加，在原料氣制造方面，基本掌握了煤、油、氣不同原料的氣化技術(shù)。為

3、了滿(mǎn)足我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)發(fā)展的需要，在發(fā)展煤炭 業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距。但是人均的化肥產(chǎn)量（噸/人年）和單位種植面積施肥量 仍然較低。合成氨的工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了高壓、催化、特殊金屬材料、固體燃料氣化、低溫 業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要部門(mén)。二 合成氨的生產(chǎn)工藝及影響因素原料氣制備 的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對(duì)氣態(tài)烴類(lèi)和石腦油， 工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。凈化，對(duì)粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過(guò)程、脫硫脫碳過(guò)程以及氣體精制過(guò)程。一氧化碳變換過(guò)程在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為 12

4、%40%。合成氨需要的兩種組分是H2N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換反應(yīng)如下：CO+H2OH2+CO2 H=-41.2kJ/mol1由于 CO 變換過(guò)程是強(qiáng)放熱過(guò)程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口COCO 轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，將CO含量降至 0.3%左右。因此，CO 變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過(guò)程，為后續(xù)脫碳過(guò)程創(chuàng)造條件。脫硫脫碳過(guò)程 硫的催化劑而確定脫硫的位置 常用的有低溫甲醇洗(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。原料氣經(jīng)COH 外，還有COCOCH 等組分，其中以CO 含量2242最多。CO 既是氨合成催化劑的毒

5、物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變2換氣中CO 的脫除必須兼顧這兩方面的要求。2一般采用溶液吸收法脫除CO 。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是物理吸2收法，如低溫甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一類(lèi)是化學(xué)吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA 法，MEA 法等。氣體精制過(guò)程CO 變換和CO 脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的COCO22COCO10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù))。因此，原料氣在進(jìn)入合成2工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過(guò)程。洗法，是在深度冷凍(-100)條件下用液氮吸收分離少量 CO，而且也能脫

6、除甲烷和大部分100cm3/m3 以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、COH2 反應(yīng)生成CH 和HO242一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分?jǐn)?shù))一般應(yīng)小于 0.7%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H ，并22且增加了惰性氣體CH 的含量。甲烷化反應(yīng)如下：4CO+3HCH+HO H=-206.2kJ/mol242CO2+4H2CH4+2H2O H=-165.1kJ/mol氨合成下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程。氨合

7、成反應(yīng)式如下：N+3H2NH(g) H=-92.4kJ/mol223影響合成氨的因素溫度對(duì)氨合成反應(yīng)的影響 取較低的反應(yīng)溫度。增加分子有效結(jié)合的機(jī)率。2總之，溫度低時(shí)，反應(yīng)有利于向合成氨的方向進(jìn)行，但是氨合成的反應(yīng)速度較低決定于氨合成催化劑的性能。壓力對(duì)氨合成反應(yīng)的影響氨的合成反應(yīng)是一個(gè)分子的氮與三個(gè)分子的氫結(jié)合生成兩個(gè)分子的氨 應(yīng)的速率?？傊?，增加壓力對(duì)氨的合成反應(yīng)是有利的，既能增大平衡轉(zhuǎn)化率，又能加快反應(yīng)速率。 國(guó)具體情況，目前在小型合成氨廠，設(shè)計(jì)壓力一般為31.4MPa。3空速對(duì)氨合成反應(yīng)的影響空速的物理意義是：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，單位時(shí)間內(nèi)在1m3 的催化劑上所通過(guò)的氣體體積。其單位為m3(

8、標(biāo))氣體/（m3 催化劑h）,或簡(jiǎn)寫(xiě)為h-1。在一定的合成條件下，空速增加，氣體與催化劑接觸時(shí)間減少，出合成塔氣體氨含量降低。例如：在29.4MPa、475下反應(yīng)，空速由10000h-120000h-1、40000h-1,出塔氣體氨含量由 25%降至 21.5%、16.2%。這看來(lái)對(duì)生產(chǎn)不利，但由于空速的提高，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)10000h-1 20000h-1、30000h-1、40000h-11950kgNH/(hm33340、4280、50403kgNH3/(hm3)。使循環(huán)氣中氨不易冷凝。在小型合成氨中，一般將空速控制在15000-25000 h-1。氫氮比對(duì)氨合成反應(yīng)的影響/N=1H/N

9、2=： 1 可以提高平衡氨含量。從氨合成反應(yīng)速度可知，在非平衡的狀態(tài)下，適當(dāng)增加氮的分壓對(duì) 條件下，氨產(chǎn)率只能達(dá)到平衡值的 50%70%，因此，在生產(chǎn)中應(yīng)適當(dāng)提高氮的比例，一般控2.22.8三 合成氨工藝流程圖煤和天然氣CO 低溫變換粗原料氣煤和天然氣CO 低溫變換粗原料氣CO 高溫變換濕法脫硫銅洗（除去殘留的硫化物）氣體精制（控制雜質(zhì)氣體含量）-化學(xué)吸收法CO2濕法脫硫銅洗（除去殘留的硫化物）氣體精制（控制雜質(zhì)氣體含量）-（CO2）去硫酸生產(chǎn)（硫化物應(yīng)用）（液氮洗法）壓縮氮?dú)浠旌蠚怏w-低溫甲醇洗甲烷化法（降低（液氮洗法）壓縮氮?dú)浠旌蠚怏w法碳的氧化物）氨的合成（ 800氨的合成（ 800高壓催

10、化劑）（壓縮法）（去深加工）四 研究現(xiàn)狀1949 年0.620097021.9引進(jìn)了一批年產(chǎn) 30 萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。中國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn) 30 萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。 白和鉬鐵蛋白這兩種含過(guò)渡金屬的蛋白質(zhì)組合而成2。鐵蛋白主要起著電子傳遞輸送的作 用，而含二個(gè)鉬原子和二三十個(gè)鐵和硫原子的鉬鐵蛋白是絡(luò)合N2 或其他反應(yīng)物（底物）分子，并進(jìn)行反應(yīng)的活性中心所在之處。關(guān)于活性中心的結(jié)構(gòu)有多種看法，目前尚無(wú)定論。從各19731974氮酶的一系列性能，但其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還有待根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

11、精確化。國(guó)際上有關(guān)的研究成果認(rèn)為，溫和條件下的固氮作用一般包含以下三個(gè)環(huán)節(jié)：絡(luò)合過(guò)程。它是用某些過(guò)渡金屬的有機(jī)絡(luò)合物去絡(luò)合N2，使它的化學(xué)鍵削弱；還原過(guò)程。它是用化學(xué)還原劑或其他還原方法輸送電子給被絡(luò)合的N2，來(lái)拆開(kāi)N2 NN加氫過(guò)程。它是提供H+來(lái)和負(fù)價(jià)的N 結(jié)合，生成NH3。N2N ，從不穩(wěn)定的雙氮絡(luò)合物還原制出的NH 的量相當(dāng)微少。因此迫切需要從理論上深入23分析，以便找出突破的途徑。固氮酶的生物化學(xué)和化學(xué)模擬工作已取得一定的進(jìn)展究，特別是對(duì)尋找催化效率高的合成氨催化劑，將是一個(gè)有力的促進(jìn)。五 研究合成氨的意義合成氨對(duì)農(nóng)業(yè)的意義氨技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。提高糧食產(chǎn)量據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食組織

12、（FAO）1950-19702011060022；由于單位面積產(chǎn)量提高所增78。而在各項(xiàng)增產(chǎn)因素中，西方及日本科學(xué)家一致認(rèn)為，增加化肥要起到4-6（1991952-1995年，糧食產(chǎn)量與化肥投入量同步增長(zhǎng)，密切相關(guān)。2054200中如按 75投放于糧食作物，并按我國(guó)近期千克化肥養(yǎng)分平均增產(chǎn)糧食7.5kg 計(jì)，則由化肥2.36347.3。提高土壤肥力國(guó)內(nèi)外 10 年以上的長(zhǎng)期肥效試驗(yàn)結(jié)果證明，連續(xù)的、系統(tǒng)的施用化肥都將對(duì)土壤肥力加的趨勢(shì)。這是土壤肥力（土壤生產(chǎn)力）持續(xù)提高的標(biāo)志。4可以認(rèn)為，所謂培肥土壤或提高土壤肥力，說(shuō)到底是提高土壤在無(wú)肥條件下的生產(chǎn)力， 47 的含量為1.1（101.211）

13、和1.715。由中國(guó)農(nóng)科院土肥所主持，10發(fā)揮良種潛力現(xiàn)代作物育種的一個(gè)基本目標(biāo)是培育能吸收和利用更多肥料養(yǎng)分的作物新種 量，改善品質(zhì)。因此，高產(chǎn)品種可以認(rèn)為是對(duì)肥料具有高效益的品種。例如，以德國(guó)和印度100kg分吸收量是地方種的2.0-2.82.14-2.73.E.Borlaug 一廣也與肥料投入量密切相關(guān)。據(jù)湖南農(nóng)科院土肥所報(bào)告198，常規(guī)種晚稻隨施肥量增加（威優(yōu) 6 號(hào)則隨施肥雜交晚稻較常規(guī)晚稻多吸收N21-54kg，P2O51.5-15kg、K2O19.5-67.5kg。因此，肥料投入水平成為良種良法栽培的一項(xiàng)核心措施。補(bǔ)償耕地不足 效，每噸養(yǎng)分增產(chǎn)糧食7.5t 計(jì)，若每公頃耕地的平均糧食單產(chǎn)也是7.5t，則每增施化肥養(yǎng)1t1hm2。因此，那些人多地少的國(guó)家，無(wú)一不是借助增加投肥60-227。合成氨對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的意義氨是一些工業(yè)部門(mén)的重要原料。工業(yè)用氨量已占合成氨產(chǎn)量的百分之十以上。基本化 為原料。食品工業(yè)中，氨廣泛用作冷凍劑，冶金工業(yè)、石油加工工業(yè)、機(jī)械工業(yè)亦需使用氨 通速度，更加有利于經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展。合成氨對(duì)其他行業(yè)的意義 纖維等多種炸藥都要消耗大量的氨。生產(chǎn)導(dǎo)彈、火箭的推進(jìn)劑和氧化劑，同樣也離不開(kāi)氨。 壓低溫技術(shù)、催化和特殊金屬材料的應(yīng)用、固體燃料氣