合成氨生產(chǎn)工藝河南化工課件

合成氨生產(chǎn)工藝

河南化工技校

魏葆婷氨的合成

氨的合成是量后一道工序，任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力和有催化劑存在的條件下，將經(jīng)過(guò)精制的氨氮混合氣直接合成為氨。然后將所生成的氣體氨從末合成為氨的混合氣體中冷凝分離出來(lái)，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的白白氫氮?dú)怏w循環(huán)使用。凝分離出來(lái)，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的氫氮?dú)怏w循環(huán)使用。第一節(jié)氨合成的基本理論

一、氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)3H2+N2=2NH3+Q(1)是可逆反應(yīng)。即在氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)狻?2)是放熱反應(yīng)。在生成氨的同時(shí)放出熱量，反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān)。(3)是體積縮小的反應(yīng)。(4)反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。三、氨合成動(dòng)力學(xué)

(一)反應(yīng)機(jī)理在催化劑的作用下，氫與氮生成氨的反應(yīng)是一多相氣體催化反應(yīng)。由以下幾個(gè)步驟所組成：(1)氣體反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑外表面；(2)反應(yīng)物自催化劑外表面擴(kuò)散到毛細(xì)孔內(nèi)表面；(3)氣體被催化劑表面(主要是內(nèi)表面)活性吸附(與普通吸附的區(qū)別在于有化學(xué)力參與在內(nèi)，并放出熱量)；(4)吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物；(5)產(chǎn)物自催化劑表面解吸；·(6)解吸后的產(chǎn)物從催化劑毛細(xì)孔向外表面擴(kuò)散；(7)產(chǎn)物由催化劑外表面擴(kuò)散至氣相主流。以上七個(gè)步驟中，(1)、(7)為外擴(kuò)散過(guò)程；(2)、(6)為內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程；(3)、(4)和（5）總稱為化學(xué)動(dòng)力學(xué)的過(guò)程。二、反應(yīng)速度反應(yīng)速度是以單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)濃度的減少量或生成物質(zhì)濃度的增加量表示。影響氨合成反應(yīng)速度因素：1.壓力提高壓力可加快氨的生成速度使氣體中氨含量迅速增加。2.溫度反應(yīng)速度隨著溫度升高顯著加快。

第二節(jié)氨合成催化劑

可以作氨合成催化劑的物質(zhì)很多，如鐵、鉑、錳、鎢和鈾等。但由于以鐵為主體的催化劑具有原料來(lái)原廣，價(jià)格低廉，在低溫下有較好的活性抗毒能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)、廣泛采用。一、催化劑的組成及性能

1．催化劑在還原前的化學(xué)組成及其作用鐵催化劑在還原之前，以鐵的氧化物狀態(tài)存在。其主要成分是三氧化二鐵(Fe2O3）和氧化亞鐵(FeO)。此外，催化劑中還加入各種促進(jìn)劑。(1)氧化鐵的組成(2)促進(jìn)劑的組成及作用促進(jìn)劑又稱助催化劑，它本身沒(méi)有催化活性，但加入催化劑中，可改善催化劑的物理結(jié)構(gòu)，從而提高催化劑的活性。合成氨鐵催化劑中，普遍采用的促進(jìn)劑有三氧化二鋁(A12O3)、氧化鉀(K2O)和氧化鈣(CaO)等。二、催化劑的還原與鈍化1.催化劑的還原（1）催化劑還原反應(yīng)的原理催化劑中氧化鐵不能加速氨合成反應(yīng)速度，必需將其還原成活潑的鐵，才具有催化活性，常用還原方法是將制成的催化劑裝在合成塔內(nèi)通入氫氮混合氣，使催化劑中的氧化鐵被氫氣還原成金屬鐵。FeO+H2+Fe+H2O-QFe2O3+3H2=2Fe+2H2O-Q催化劑的還原程度用還原前催化劑中鐵的氧化物被還原的百分率表示稱還原度。

三、催化劑的中毒與衰老

1．催化劑的中毒進(jìn)入合成塔的新鮮混合氣，雖然經(jīng)過(guò)了凈化，但仍然含有微量的有毒氣體，使催化劑緩慢中毒，活性降低。2．催化劑的衰老催化劑經(jīng)長(zhǎng)期使用后，活性會(huì)逐漸下降，生產(chǎn)能力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為催化劑的衰老。催化劑的中毒和衰老幾乎是無(wú)法避免的，但是選用耐熱性能較好的催化劑，改善氣體質(zhì)量和穩(wěn)定操作，能大大延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。

第三節(jié)氨合成操作

條件的選擇

氨合成的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高、消耗定額低、工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便及安全可靠等要求。決定生產(chǎn)條件最主要的因素是壓力、溫度、空間速度、氣體組成和催化劑等。一、壓力在一定的空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值(合成塔出入口氨含量之差)越高，合成塔的生產(chǎn)能力也就越大。氨合成系統(tǒng)的能量消耗主要包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。生產(chǎn)實(shí)踐證明，操作壓力在20～35MPa時(shí)總能量消耗比較低。四、合成塔進(jìn)口氣體組成合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。在生產(chǎn)中，進(jìn)塔循環(huán)氣的氫氮比控制在2.5~2.9合適。由于氨合成時(shí)氫氮比是按3：1消耗的，因此補(bǔ)充的新鮮氣的氫氮比應(yīng)控制在3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會(huì)積累起來(lái)，造成循環(huán)氣氫氮比失調(diào)。第四節(jié)、氨合成工藝流程一、氨合成基本工藝步驟（一）氣體的壓縮和除油（二）氣體的預(yù)熱和合成（三）氨的分離合成塔出口氣體氨含量一般為10~20%因此將氨分離出來(lái)。1.水吸收法2.冷凝該法是將合成氣體降溫，使其的氣氨冷凝成液氨，后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來(lái)。目前主要采用冷卻法分離循環(huán)氣中的氨。在氨冷凝過(guò)程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中，當(dāng)液氨在“貯罐氣”。（四）、氣體的循環(huán)

氫氮混合氣經(jīng)過(guò)氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨以后，剩余的氫氮?dú)猓秊榻档投栊詺怏w含量而少量放空以外，大部分與新鮮原料氣匯合后，重新返回合成塔，在進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。（六）、反應(yīng)前的回收利用回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種1.預(yù)熱反應(yīng)前的前氫氮混合氣。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前氫氮混合氣達(dá)到催化劑的活性溫度。此方法回收不完全。2.預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸氣既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸氣。3.預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水反應(yīng)后的高溫氣體先通過(guò)塔內(nèi)的換熱器預(yù)熱反應(yīng)前氫氮混合氣，后在通過(guò)塔外換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。二、氨合成工藝流程由于壓縮機(jī)型式、操作壓力、氨分離折冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，氨合成工藝流程也水相同。操作壓力在600~100MPa稱高壓法，在20~40MPa稱中壓法