合成氨工藝的發(fā)展歷史課件

第十三章合成氨工藝主要內(nèi)容：

1、氨合成概述2、氨合成的熱力學(xué)基礎(chǔ)

3、氨合成動(dòng)力學(xué)4、原料氣的生產(chǎn)與凈化

5、氨生產(chǎn)全流程6、合成氨生產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)

7、尿素的合成12021第十三章合成氨工藝主要內(nèi)容：12021§13-1概述一、合成氨的重要性生產(chǎn)氮肥、硝酸鹽、胺、纖維、染料等。二、原料路線直接原料：氫和氮以下方法獲得粗原料氣：氫氣、氮?dú)?、一氧化碳、二氧化?2021§13-1概述一、合成氨的重要性22021粗原料氣變換：變換氣以氫氣、氮?dú)?、二氧化碳為主，其中氫分子與氮分子之比為：3:1除雜凈化得到合乎要求的氫氮混合氣。32021粗原料氣變換：32021三、氨合成原則流程和各化學(xué)反應(yīng)過程相互關(guān)系氨合成這一步最困難，工藝條件要求也最嚴(yán)格，是主要化學(xué)反應(yīng)過程，應(yīng)首先進(jìn)行優(yōu)化。42021三、氨合成原則流程和各化學(xué)反應(yīng)過程相互關(guān)系42021§13-2氨合成的熱力學(xué)基礎(chǔ)一、氨合成反應(yīng)與反應(yīng)熱52021§13-2氨合成的熱力學(xué)基礎(chǔ)一、氨合成反應(yīng)與反應(yīng)熱520二、反應(yīng)平衡常數(shù)62021二、反應(yīng)平衡常數(shù)62021三、影響平衡時(shí)氨濃度的因素1、氫氮比R：R=3(此時(shí)y最大)2、溫度：溫度越低，Kp越大。低溫催化劑為發(fā)展方向。3、壓力：壓力越大，平衡濃度越大。4、惰性氣體含量：有較大的影響。72021三、影響平衡時(shí)氨濃度的因素72021§13-3氨合成動(dòng)力學(xué)一、催化劑鐵催化劑：

A10型催化劑：活化能約170KJ/mol，起燃溫度370度，耐熱溫度510度，活性最高時(shí)的溫度450度左右，粒徑2.2~13mm.82021§13-3氨合成動(dòng)力學(xué)一、催化劑82021二、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)92021二、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)92021102021102021不同粒度催化劑、壓力30MPa、空速30000h-1時(shí)，不同溫度下的反應(yīng)結(jié)果：低溫時(shí)：化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制，氨含量不受顆粒大小影響；高溫時(shí)：內(nèi)擴(kuò)散控制，小顆粒催化劑效果較好。112021不同粒度催化劑、壓力30MPa、空速30000h-1時(shí)，不同§13-3氨的合成與分離一、工藝條件的優(yōu)化1、溫度：400~510度（可逆放熱反應(yīng)，最快反應(yīng)速率時(shí)的反應(yīng)溫度隨轉(zhuǎn)化率的提高而降低）122021§13-3氨的合成與分離一、工藝條件的優(yōu)化1220212、壓力：加壓有利于提高轉(zhuǎn)化率。

20世紀(jì)：10~15MPa;近年：3~4MPa3、空間速度：氣固相催化反應(yīng)空間速度越大，反應(yīng)時(shí)間越短，生產(chǎn)強(qiáng)度越大。1320212、壓力：加壓有利于提高轉(zhuǎn)化率。1320214、氫氮比：氮的活性吸附為合成反應(yīng)的控制階段，氮的含量對(duì)反應(yīng)速率影響較大，略低于3可加快反應(yīng)速率。實(shí)踐：32MPa、450度、催化劑粒度1.2~2.5mm

空速24000(1/h)、R=2.5出口氨濃度最大采取的方法：新鮮原料氣比為3，混合后的循環(huán)氣在合成塔入口的比約為2.8。5、進(jìn)塔氣中的惰性氣體含量：一般≤2%6、催化劑顆粒：反應(yīng)初期：溫度440~470度粒徑0.6~3.7mm;反應(yīng)后期：溫度420~440度粒徑8~16mm1420214、氫氮比：氮的活性吸附為合成反應(yīng)的控制階段，142021二、氨的分離方法：降低溫度使氨液化通過氣液分離器使液氨與其他氣體分離。152021二、氨的分離152021四段冷激軸向合成塔162021四162021原料氣→主進(jìn)氣口→沿環(huán)隙至頂部→換熱器管間預(yù)熱420度，與冷激氣混合溫度降為410度→第一段催化劑床層，溫度由410上升到496度再與冷激氣混合降至430度，此時(shí)NH3%為6.9%→二段、三段、四段→中心管→換熱器管內(nèi)→出塔（130~200度）172021原料氣→主進(jìn)氣口→沿環(huán)隙至頂部→換熱器管間預(yù)熱420度，與冷徑向塔：氣體的走向是徑向，每段催化劑的厚度只有塔徑的30%~70%。徑向塔的優(yōu)點(diǎn)：1、阻力?。和饷娣e大、催化劑床層薄；2、空速高；3、催化劑活性高182021徑向塔：氣體的走向是徑向，每段催化劑的厚度只有塔徑的30%~192021192021四、合成與分離循環(huán)流程202021四、合成與分離循環(huán)流程202021一次分離流程只進(jìn)行壓縮和冷卻液化分離。適于合成壓力較低（約10-15MPa)出塔氣中氨%<12%212021一次分離流程只進(jìn)行壓縮和冷卻液化分離。適于合成壓力較低212二次分離流程適用于壓力較高（約30MPa）的場(chǎng)合。處理過程中出塔氣氨%≈15%，第一次分離是在水冷的條件下使近一半的氨液化分離出去，氣體中剩余的氨%=8%經(jīng)壓縮機(jī)升壓和氨冷在-5度的條件下進(jìn)行二次分離。222021二次分離流程適用于壓力較高（約30MPa）的場(chǎng)合。22202§13-5原料氣的生產(chǎn)與凈化一、生產(chǎn)原料氣的原料天然氣、油田氣占18.6%、輕油6.3%、重油8.1%、煤和焦65%、焦?fàn)t氣1%

原料氣的生產(chǎn)分兩步：造氣和變換二、以煤焦為原料的造氣過程及其優(yōu)化232021§13-5原料氣的生產(chǎn)與凈化一、生產(chǎn)原料氣的原料2320造氣與送風(fēng)的五個(gè)階段間歇操作：第一階段為送風(fēng)發(fā)熱，后四個(gè)階段為造氣。1、空氣吹風(fēng)：送風(fēng)發(fā)熱、提高爐溫2420212420212、上吹造氣：將水蒸氣和爐氣從爐底吹入生產(chǎn)半水煤氣經(jīng)廢熱鍋爐、洗滌塔送至氣柜。

2520212、上吹造氣：2520213、下吹造氣：上吹后爐底溫度降低，爐頂溫度尚高，改為下吹造氣。先從爐頂向下吹幾秒水蒸氣，防止直接吹空氣與煤氣相遇爆炸。得半水煤氣經(jīng)廢熱鍋爐、洗滌塔送至氣柜。2620213、下吹造氣：2620214、二次上吹：為返回第一階段空氣吹風(fēng)做準(zhǔn)備，同時(shí)回收爐內(nèi)殘存的半水煤氣。防止?fàn)t底爆炸，先吹水蒸氣。持續(xù)時(shí)間很短。2720214、二次上吹：2720215、空氣吹凈：把爐內(nèi)殘存的半水煤氣吹出并收集。持續(xù)時(shí)間更短。2820215、空氣吹凈：282021五個(gè)階段為一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)需3~4min。生產(chǎn)出的半水煤氣中：

H2%=38~42%;CO%=27~31%;N2%=19~22%;CO2%=6~9%.

少量的甲烷、氧氣、硫化氫、二硫化碳等。

292021五個(gè)階段為一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)需3~4min。生產(chǎn)出的半水煤氣三、變換1、化學(xué)反應(yīng)與平衡轉(zhuǎn)化率變換的目的將一氧化碳變成氫。302021三、變換3020212、工藝條件的優(yōu)化(1)、催化劑：銅催化劑：氧化銅、氧化鋅、氧化鋁燒結(jié)用氫還原活性溫度為180-250度，為低變催化劑。鐵鉻催化劑：氧化鐵、氧化鉻，活性溫度為350-450度，為中變催化劑。(2)、原料氣組成：使水蒸氣過量，提高轉(zhuǎn)化率。

200度時(shí)，CO與H2O體積比由1：1提高到1：6時(shí)轉(zhuǎn)化率由93.8%提高到99.9%。3120212、工藝條件的優(yōu)化312021(3)、反應(yīng)溫度：可逆放熱反應(yīng)最大反應(yīng)速率時(shí)的反應(yīng)溫度隨轉(zhuǎn)化率提高而降低。因此：反應(yīng)前階段使用中溫變換催化劑，反應(yīng)過程為中溫變換；反應(yīng)后階段是用低溫變換催化劑，反應(yīng)過程為低溫變換。采用水蒸氣分階段冷激。(4)、反應(yīng)壓力：此反應(yīng)壓力與平衡轉(zhuǎn)化率無關(guān)，但加壓可以增加催化反應(yīng)器的生產(chǎn)能力、節(jié)能。(5)、空間速度：一般400-600(1/h)322021(3)、反應(yīng)溫度：3220213、生產(chǎn)工藝流程：“中變、低變流程”：二段中溫變換和一段低溫變換3320213、生產(chǎn)工藝流程：332021原料氣→中變反應(yīng)器一段，溫度升至500度，轉(zhuǎn)化率80%→水蒸氣冷激至380-400度→中變反應(yīng)器二段，溫度升至425度，轉(zhuǎn)化率90%

→噴入水蒸氣→廢熱鍋爐冷卻至330度→換熱器冷卻至200度→低變反應(yīng)器，轉(zhuǎn)化率99%

→噴入軟水→換熱器→回收熱能、凈化342021原料氣→中變反應(yīng)器一段，溫度升至500度，轉(zhuǎn)化率80%→水蒸四、原料氣的凈化1、脫硫：ADA(蒽醌二磺酸)法352021四、原料氣的凈化3520212、脫碳：除去二氧化碳。應(yīng)用改良的熱鉀減法（物理吸收-解吸法）。吸收液：27-30%的碳酸鉀及氫氧化鈉水溶液添加少量活化劑二羥基乙二胺和緩蝕劑KVO3。吸收塔塔底溫度110-127度，壓力1.8-2.8MPa，塔頂溫度70度，壓力有所下降。塔頂排出去的二氧化碳達(dá)99%。改良后的熱鉀堿法可使氣體中的二氧化碳降低到0.1%，硫化氫降低到2-5毫克每立方米。3620212、脫碳：3620213、甲烷化：除去熱鉀減法處理后氣體中的一氧化碳、二氧化碳和氧氣?！凹淄榛睘閺V泛使用的初步凈化方法。鎳做催化劑，在280-380度的條件下進(jìn)行。反應(yīng)為簡(jiǎn)單絕熱反應(yīng)器。甲烷化處理后的氣體中一氧化碳、二氧化碳、水等總量在10毫克每立方米以下。3720213、甲烷化：372021§13-5氨生產(chǎn)全流程一、以煤為原料的造氣和凈化流程：382021§13-5氨生產(chǎn)全流程一、以煤為原料的造氣和凈化流程：3二、以天然氣為原料的合成氨生產(chǎn)流程392021二、以天然氣為原料的合成氨生產(chǎn)流程392021§13-7合成氨生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)一、生產(chǎn)的大規(guī)模化二、降低能耗措施：1、充分利用反應(yīng)熱；2、采用徑向合成塔

3、采用新的工藝流程；4、從馳