第一篇：合成氨工簡(jiǎn)介

化工原理課程論文

淺談合成氨工藝

08化工2班

孫慶晨

08206040244 摘要：氮肥生產(chǎn)是高能耗的工業(yè)，其生產(chǎn)成本主要取決于系統(tǒng)的能耗，系統(tǒng)能耗除了與采用的工藝流程有關(guān)外，在很大程度上取決于系統(tǒng)控制的算法及穩(wěn)定性，因此，化肥生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)成本具有關(guān)鍵意義。本文比較詳細(xì)的介紹了合成氨的工藝流程，并對(duì)化肥的生產(chǎn)做了介紹，并且從再生產(chǎn)的角度介紹了鋼鐵廠的副產(chǎn)業(yè)——硫酸銨的生產(chǎn)。最終對(duì)我國(guó)合成氨技術(shù)的發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：合成氨

工藝流程

甲醇

尿素 發(fā)展趨勢(shì)

前言：氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，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，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。本次化工見習(xí)，我們參觀了玉溪新興鋼鐵有限公司和峨山化肥廠，對(duì)合成氨工藝，以及化肥生產(chǎn)工藝，有了質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

一 合成氨工藝

德國(guó)化學(xué)家哈伯1909年提出了工業(yè)氨合成方法，即“循環(huán)法”，這是目前工業(yè)普遍采用的直接合成法。反應(yīng)過程中為解決氫氣和氮?dú)夂铣赊D(zhuǎn)化率低的問題，將氨產(chǎn)品從合成反應(yīng)后的氣體中分離出來，未反應(yīng)氣和新鮮氫氮?dú)饣旌现匦聟⑴c合成反應(yīng)。合成氨反應(yīng)式如下：

N2+3H2≈2NH3

在合成氨的所有流程中，核心圍繞此方程式展開，用最低的能耗量，得到最高質(zhì)量的產(chǎn)品。

1.1 概述

合成氨的主要原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料。經(jīng)過近百年的發(fā)展，合成氨技術(shù)趨于成熟，形成了一大批各有特色的工藝流程，但都是由三個(gè)基本部分組成，即原料氣制備過程、凈化過程以及氨合成過程。原料氣制備，即將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對(duì)于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；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。凈化是對(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)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。氨合成將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。

詳細(xì)的工業(yè)流程又可分為一下幾步：

（1）以無煙煤為原料合成氨常見的工藝過程是： 造氣-> 半水煤氣脫硫-> 壓縮機(jī)1，2工段-> 變換-> 變換氣脫硫->壓縮機(jī)3段-> 脫硫->壓縮機(jī)4，5工段-> 銅洗-> 壓縮機(jī)6段-> 氨合成-> 產(chǎn)品NH3

（2）

采用甲烷化法脫硫除原料氣中CO.CO2 時(shí), 合成氨工藝流程圖如下：

造氣->半水煤氣脫硫->壓縮機(jī)1,2段->變換-> 變換氣脫硫-> 壓縮機(jī)3段->脫碳-> 精脫硫->甲烷化->壓縮機(jī)4,5,6段->氨合成->產(chǎn)品NH3

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1.2 合成氨工藝

合成氨系統(tǒng)是由一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元（工段）組成的。各單元之間具有密切關(guān)系。上一單元的產(chǎn)品或輸出，即為下一單元的原料或輸入，各個(gè)單元相互緊密聯(lián)系形成一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過程。各個(gè)單元在地域上相互分散，但距離又不很遠(yuǎn)?，F(xiàn)將整個(gè)生產(chǎn)過程分為造氣、脫硫、壓縮、變換、脫碳、合成、等主要單元（工段）進(jìn)行合成氨工藝的簡(jiǎn)要介紹。上述各單元（工段）的操作在工藝上密切聯(lián)系，但在地域上分散、在控制上相對(duì)獨(dú)立。

1.2.1 造氣

造氣一般是以塊煤為原料，采用間歇式固定層常壓氣化法，在高溫和程控機(jī)油傳動(dòng)控制 下，交替與空氣和過熱蒸汽反應(yīng)。反應(yīng)方程式： 吹風(fēng)

C+O2→CO2+Q CO2+C→2CO-Q 上、下吹

C+H2O(g)→CO+H2-Q A、吹風(fēng)階段

吹風(fēng)階段的主要作用是產(chǎn)生熱量，提高燃料溫度。B、上吹（加氮）階段

上吹階段的主要作用是置換爐底空氣，吸收熱量、制造半水煤氣，同時(shí)加入部分氮?dú)狻、下吹階段

下吹階段作用是制取半水煤氣，吸收熱量，使上吹后上移的氣化層下移。D、二上吹階段

二上吹的主要作用是將爐底及進(jìn)風(fēng)管道中煤氣吹凈并回收，確保生產(chǎn)安全。E、吹凈階段

吹凈的主要作用是回收造氣爐上層空間的煤氣及補(bǔ)充適量的氮?dú)?，以滿足合成氨生產(chǎn)對(duì)氮?dú)?比的要求。

在生產(chǎn)中，一般均是多個(gè)造氣爐組成一組。在多臺(tái)造氣爐同時(shí)投入運(yùn)行時(shí)，為了保證造氣爐在吹風(fēng)階段的風(fēng)量，必須對(duì)造氣爐的吹風(fēng)階段進(jìn)行順序控制。對(duì)造氣爐進(jìn)行吹風(fēng)排序，也就是要實(shí)現(xiàn)吹風(fēng)時(shí)間自尋優(yōu)及動(dòng)態(tài)跟蹤。

1.2.2 變換

經(jīng)過壓縮有一定壓力的半水煤氣先經(jīng)過油水分離器，除去煤氣中的油物。然后進(jìn)入飽和塔的下

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部與熱水進(jìn)行交換后升至一定溫度，經(jīng)過氣水分離器分離出煤氣中的水份。去除水分的煤氣進(jìn)入預(yù)熱交換器，與中變爐出口的高溫煤氣進(jìn)行兩次熱交換后，進(jìn)入中變爐，在觸媒的催化作用下，煤氣中的一氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，中變爐的爐體內(nèi)有三層反應(yīng)區(qū)，在正常的工藝狀況下，第一層的反應(yīng)溫度控制在450℃左右，第二層反應(yīng)溫度控制在400℃左右，第三層的反應(yīng)溫度控制在380℃左右。反應(yīng)后出中變爐的變換氣進(jìn)入與入口水煤氣進(jìn)行熱交換的兩級(jí)熱交換器后，再進(jìn)入低變爐使變換氣中的一氧化碳進(jìn)一步變換，經(jīng)過兩次變換的水煤氣成為合格的變換氣后，經(jīng)熱水塔，冷卻塔之后送入下一工段進(jìn)行后續(xù)處理。

變換工藝流程圖

在變換工段中，比較典型的控制回路包括入變換氣汽比調(diào)節(jié)，中變爐煤氣副線流量調(diào)節(jié)，中變爐中段溫度噴水控制，中變爐下段溫度噴水控制，飽和塔液位控制，水分出口煤氣溫度的調(diào)節(jié)等幾部分。入變換蒸汽流量與入變換半水煤氣流量的比值調(diào)節(jié)采用先進(jìn)控制器，對(duì)比值控制器的給定值進(jìn)行修正，并設(shè)置煤氣流量變化速率控制器來防止在系統(tǒng)加減量時(shí)，中變爐出口CO 超標(biāo)，達(dá)到汽氣比控制的目的。

1.2.3 脫碳

含有一定濃度（CO2）的變換氣進(jìn)入吸收塔內(nèi)。氣體中CO2被逆流流下的碳酸丙烯酯所吸收。凈化CO2氣脫至所要求的濃度由塔頂排出，成為可供用戶使用的工藝氣。吸收CO2后的碳酸丙烯酯富液經(jīng)渦輪機(jī)回收能量后，在高壓閃蒸槽內(nèi)閃蒸。高壓閃蒸液再到減壓槽進(jìn)行減壓閃蒸。減壓閃蒸汽相含濃度較高的CO2，可供用戶使用。減壓閃蒸液在氣提塔內(nèi)經(jīng)空氣氣提再生，再生后的碳酸丙烯酯貧液經(jīng)循環(huán)液泵送回吸收塔循環(huán)使用。氣提空氣由通風(fēng)機(jī)從氣提塔塔底送入。

高壓閃蒸汽中含CO2及部分工藝氣。高壓閃蒸汽可全部或部分返回壓縮與原料氣匯合，以回收氮?dú)夂蜌錃狻?/p>

脫碳過程中，入脫碳塔貧液的流量，將直接影響二氧化碳在脫碳塔中的溶解度。流量過小，原料氣中的CO2不能被充分吸收；流量過大，能耗增加。閃蒸槽的液位和壓力，對(duì)于原料氣的回收再利用有重要作用，它不僅可以回收閃蒸汽里的氮?dú)夂蜌錃?，還可以減少碳酸丙烯酯的損失。

脫碳后煤氣送入下一個(gè)工段進(jìn)行進(jìn)一步處理。

1.2.4合成

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)中小氮肥企業(yè)均采用中壓法氨合成工藝，其合成壓力為31.4MPa。合成塔的直徑一般為Ф800～Ф1200mm。主要是將壓縮送來的合格精煉氣在適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力和觸媒存在的條件下合成為氨，所得氣氨經(jīng)冷卻水及液氨冷卻，冷凝為液氨，并將液氨從氫氮?dú)庵蟹蛛x出來，未合成的氫氮?dú)庋a(bǔ)充部分新鮮氣繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)合成。

氨合成工段中主要工藝參數(shù)的優(yōu)化控制非常重要，直接影響合成氨的產(chǎn)量和消耗指標(biāo)。控制方案以降低噸氨消耗為目標(biāo)，控制參數(shù)為催化劑溫度、惰性氣體的含量、氨冷出口溫度及氨冷器、冷交換路、氨分離器的三大液位。

1.2.4.1 氫氮比調(diào)節(jié)：

氫氮比自調(diào)是合成控制中的難點(diǎn)，從造氣到合成的滯后時(shí)間，開滿量時(shí)，一般小化肥廠為30分鐘，開聯(lián)醇為45分鐘。正確認(rèn)識(shí)從造氣到合成整個(gè)流程中氫比演變規(guī)律是搞好調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。規(guī)律主要為二點(diǎn)；從造氣到合成塔入口基本為純滯后，各點(diǎn)氫比測(cè)量曲線呈簡(jiǎn)單相似現(xiàn)象，并含有一定的容量滯后，合成塔塔前塔后氫比信號(hào)呈微積分關(guān)系。記錄各測(cè)量點(diǎn)氫比偏差記錄曲線，據(jù)此可發(fā)現(xiàn)

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演變規(guī)律，監(jiān)視分析調(diào)節(jié)效果，計(jì)算開表數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)二維查表控制閥門輸出能達(dá)到較好的控制效果。

1.2.4.2 合成塔內(nèi)觸媒層熱點(diǎn)溫度控制 合成塔各催化劑層熱點(diǎn)溫度的控制，是采用調(diào)節(jié)未反應(yīng)的冷氣體加入量的方法來控制各段溫度，由于反應(yīng)溫度比較容易穩(wěn)定，所以一般采用手動(dòng)遙控。

1.2.4.3 循環(huán)氣氨冷器出口溫度和液位控制

為了更好地控制溫度；采用串級(jí)控制方案，以溫度回路為主回路，液位為副回路。為了保證液位，當(dāng)液位超限時(shí)，切斷串級(jí)回路，使回路的串級(jí)狀態(tài)切換為副回路的自動(dòng)狀態(tài)；確

保液位在安全值內(nèi)。

循環(huán)氣氨冷器出口溫度和液位控制原理框圖

1.2.4.4 新鮮氣氨冷器液位控制

在新鮮氣氨冷器液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水位測(cè)量值與給定常數(shù)進(jìn)行PID 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果調(diào)節(jié)氨冷液位調(diào)節(jié)閥開度，從而維持氨冷液位恒定。

氨分離器的液位控制、冷交換器的液位控制、廢熱鍋爐的液位控制，這幾個(gè)回路采用單回路控制。

單回路調(diào)節(jié)框圖

1.2.5 達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：

(1)原料煤: 無煙煤: 粒度15-25mm 或25-100mm 固定75%蒸汽: 壓力0.4MPa, 1-3MPa、(2)產(chǎn)品: 合成氨：氨含量（99.8%）殘留物含量（0.2%）

二

甲醇的生產(chǎn)

甲醇是重要的有機(jī)化工原料，又是優(yōu)良的能源載體。近代工業(yè)甲醇生產(chǎn)主要以天然氣、煤炭為原料轉(zhuǎn)化和氣化制得，我國(guó)目前年產(chǎn)5萬噸和10萬噸的生產(chǎn)裝置大都是以煤炭為原料制得。因此，在合成氨的化肥廠，一般都會(huì)有甲醇的生產(chǎn)點(diǎn)。

甲醇的生產(chǎn)一般分為合成和精餾兩個(gè)工段。

1、甲醇合成：脫碳崗位送來的凈化氣和循環(huán)機(jī)來的循環(huán)氣在油分離器混合，經(jīng)油水分離器分離油水，剩余的原料氣分主副線進(jìn)入合成塔合成生成粗甲醇?xì)?，借助于銅基催化劑的作用，CO、CO

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和H2進(jìn)行化合反應(yīng)生成甲醇，經(jīng)冷凝到醇分離器分離得粗甲醇，減壓后送中間槽，不凝氣體一部分加壓循環(huán)使用，一部分經(jīng)高壓水洗塔水洗掉夾帶的甲醇經(jīng)銅洗送入氨合成系統(tǒng)，粗甲醇送精餾。流程圖如下：

2、甲醇精餾：甲醇的精餾工藝，多數(shù)采用兩塔流程，少數(shù)生產(chǎn)規(guī)模較大的廠采用三塔流程，年產(chǎn)5-10萬噸的裝置一般都采用兩塔流程。粗醇經(jīng)預(yù)塔給料泵加壓經(jīng)粗醇預(yù)熱器加熱到65℃左右進(jìn)初塔，同時(shí)初塔再沸器用蒸汽加熱使塔內(nèi)液體蒸發(fā)，甲醇及其他輕組分的蒸汽由塔頂蒸出，冷凝后打回流。控制出氣溫度40-45℃，塔釜溫度75-85℃；塔頂溫度60-65℃。經(jīng)預(yù)塔底出來的預(yù)后甲醇給主塔，主塔再沸器加熱使塔底溫度控制在104-120℃，塔頂出氣溫度控制在65-70℃，在塔頂采出回流液即精醇；合格后送精醇儲(chǔ)槽。

三 尿素的生產(chǎn)

尿素的生產(chǎn)原理是氨與二氧化碳的合成，生產(chǎn)方法有水溶液全循環(huán)法、氣提法、中壓聯(lián)尿法，小氮企業(yè)大多采用水溶液全循環(huán)法。其反應(yīng)方程式為：

2NH3（液）+CO2（氣）CO（NH2）2（液）+H2O（液）+Q 二氧化碳（壓力為20.69MPa，溫度為125℃）經(jīng)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入合成塔，從一吸塔送來的90℃甲銨液經(jīng)一甲泵加壓至20.69MPa 送入合成塔，液氨在氨預(yù)熱器中加熱至60℃送入合成塔，在合成塔中進(jìn)行合成反應(yīng)。在反應(yīng)的過程中，合成塔的操作壓力為19.6 MPa，溫度為186-191℃，整個(gè)反應(yīng)過程CO2的轉(zhuǎn)化率在63℅左右。出尿素合成塔的反應(yīng)液含有尿素、甲銨、過剩氨和水，出來后經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥減壓至1.77MPa 進(jìn)入預(yù)蒸餾塔上部，在此分離出閃蒸氣體后，液體自流到中部蒸餾段，與從一分加熱器出來的熱氣逆流換熱，使液相中的部分甲銨分解與過剩氨蒸出、氣化進(jìn)入氣相。預(yù)蒸餾后的尿液自蒸餾下部流入一分加熱器，物料溫度控制在155-160℃，在此甲銨的分解率達(dá)到80℅，總氨蒸出率達(dá)到90℅。從一分加熱器出來的尿液進(jìn)入預(yù)蒸餾塔下部的分離器進(jìn)行氣液分離，液相自塔底排出，經(jīng)減壓后送至二分塔。尿液在二分塔上部閃蒸后，液體經(jīng)過液體分離器進(jìn)入蒸餾段，與下分離段出來的氣相逆流接觸換熱，出蒸餾段的尿液從底部進(jìn)入加熱段的列管內(nèi)，物料溫度控制在135-140℃，使甲銨基本分解，氣液混合物進(jìn)入下分離段進(jìn)行氣液分離，尿液經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥入閃蒸槽。在閃蒸槽中液相殘余的氨和二氧化碳大部分逸入氣相，尿液直接進(jìn)入一段蒸發(fā)器或流入尿液槽。尿液經(jīng)一段蒸發(fā)加熱器下部熱能回收段和上部蒸汽加熱段加熱到130℃，壓力控制在0.033MPa（絕壓），這時(shí)濃度提高至96℅。尿液經(jīng)一段蒸發(fā)器分離段出來去二段蒸發(fā)器，在0.0033 MPa（絕壓）、140℃的條件下被濃縮成99.7℅的熔融尿素，經(jīng)分離段分離后，熔融

尿素由熔融泵送往造粒塔頂部的旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行造粒。

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尿素生產(chǎn)控制回路比較多，包括溫度、壓力、流量、液位的控制，其中合成塔壓力調(diào)節(jié)、中壓壓力調(diào)節(jié)、低壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)這幾個(gè)調(diào)節(jié)回路尤為重要。主要調(diào)節(jié)回路一般都采用1：1 冗余方式。其它控制回路有：閃蒸下液溫度調(diào)節(jié)、解吸塔溫度調(diào)節(jié)、解析塔壓力調(diào)節(jié)、解析加液流量調(diào)節(jié)、一分加液位槽液位調(diào)節(jié)、二分加液位槽液位調(diào)節(jié)、解吸塔液位調(diào)節(jié)、二分塔出料溫度調(diào)節(jié)、一分塔底溫度調(diào)節(jié)、一洗塔底溫度調(diào)節(jié)、一段蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)、二段蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)、一分塔液位調(diào)節(jié)、二分塔液位調(diào)節(jié)、一吸塔液位調(diào)節(jié)等。這些調(diào)節(jié)回路一般采用單回路控制即可達(dá)到很好的控制效果。

四 我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況

解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬噸，而1982年達(dá)到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。

近幾年來，我國(guó)引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國(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)。

根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析，估計(jì)未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變，其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期，改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo)，進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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第二篇：合成氨工藝簡(jiǎn)介

合成氨工藝控制方案總結(jié)

一 合成氨工藝簡(jiǎn)介

中小型氮肥廠是以煤為主要原料，采用固定層間歇?dú)饣ㄖ圃旌铣砂痹蠚?。從原料氣的制備、凈化到氨的合成，?jīng)過造氣、脫硫、變換、碳化、壓縮、精煉、合成等工段。工藝流程簡(jiǎn)圖如下所示：

該裝置主要的控制回路有：（1）洗滌塔液位；

（2）洗滌氣流量；（3）合成塔觸媒溫度；（4）中置鍋爐液位；（5）中置鍋爐壓力；（6）冷凝塔液位；（7）分離器液位；（8）蒸發(fā)器液位。

其中觸媒溫度控制可采用全系數(shù)法自適應(yīng)控制，其他回路采用PID控制。

二 主要控制方案

（一）造氣工段控制

工藝簡(jiǎn)介：

固定床間歇?dú)饣ㄉa(chǎn)水煤氣過程是以無煙煤為原料，周期循環(huán)操作，在每一循環(huán)時(shí)間里具體分為五個(gè)階段；(1)吹風(fēng)階段約37s；(2)上吹階段約39s；(3)下吹階段約56s；(4)二上吹階段約12s；(5)吹凈階段約6s.l、吹風(fēng)階段

此階段是為了提高爐溫為制氣作準(zhǔn)備的。這一階段時(shí)間的長(zhǎng)短決定爐溫的高低，時(shí)間過長(zhǎng)，爐溫過高；時(shí)間過短，爐溫偏低并且都影響發(fā)氣量，爐溫主要由這一階段控制。般工藝要求此階段的操作時(shí)間約為整個(gè)循環(huán)周期的18％左右。

2、上吹加氮制氣階段

在此階段是將水蒸汽和空氣同時(shí)加入?？諝獾募尤朐黾恿藲怏w中的氮?dú)夂浚钦{(diào)節(jié) H2/N2的主要手段。但是為了保證造氣爐的安全該段時(shí)間最多不超過整個(gè)循環(huán)周期的26％。

3、上吹制氣階段

該階段與上吹加氯制氣總時(shí)間為整個(gè)循環(huán)的32％，隨著上吹制氣的進(jìn)行下部爐溫逐漸下降，為了保證爐況和提高發(fā)氣量，在此階段蒸汽的流量最好能得以控制。

4、下吹制氣階段

為了充分地利用爐頂部高溫、提高發(fā)氣量，下吹制氣也是很重要的一個(gè)階段。這段時(shí)間 約占整個(gè)循環(huán)的40％左右。

5、二次上吹階段

為了確保生產(chǎn)安全，造氣爐再度進(jìn)行吹風(fēng)升溫之前，須把下吹制氣時(shí)留在爐底及下部管 道中的半水煤氣吹凈以防不測(cè)，故進(jìn)行第二次上映。這段時(shí)間約占7％左右。

6、吹凈階段

這段時(shí)間主要是回收上行煤氣管線及設(shè)備內(nèi)的半水煤氣。約占整個(gè)循環(huán)的3％。該階段是由吹風(fēng)管路送風(fēng)，該段時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響H2/N2.該控制系統(tǒng)是一個(gè)較復(fù)雜的時(shí)變、間歇、非線性、大滯后控制系統(tǒng)。故將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為串級(jí)控制。

造氣爐的工作方式分為開車、停車、正常造氣、升溫和制惰等五種方式。每臺(tái)造氣爐需要控制15個(gè)電磁閥，為了防止多臺(tái)爐同時(shí)進(jìn)入吹風(fēng)階段而引起爭(zhēng)風(fēng)搶汽觀象，各臺(tái)爐之間必須進(jìn)行吹風(fēng)排隊(duì)順序控制。

控制方案：

1、造氣工段H2/N2控制方案

造氣工段是通過加減氮操作來進(jìn)行氫氮比控制的，而加減氮操作又是通過調(diào)節(jié)上下吹加氮時(shí)間和吹風(fēng)回收時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，因此，該控制系統(tǒng)最終得到的控制量要轉(zhuǎn)化為上下吹加氮時(shí)間或吹風(fēng)回收時(shí)間。本系統(tǒng)的氫氮比控制采用調(diào)節(jié)吹風(fēng)回收時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

在合成氨生產(chǎn)過程中，影響氫氮比的主要干擾來源是造氣、脫硫兩個(gè)環(huán)節(jié)，這部分僅有較小的滯后，所以對(duì)脫硫制氫采用PID閉環(huán)控制和較高的采樣頻率，這是控制的內(nèi)環(huán)。然后將造氣脫硫與變換、脫碳、精煉及合成組成一個(gè)廣義外環(huán)，采用預(yù)測(cè)控制進(jìn)行控制，這是控制的外環(huán)?？蛇x作控制量的參數(shù)有：脫硫氫、變換氫、補(bǔ)充氫和循環(huán)氫，這四個(gè)氫值之間的波動(dòng)有一個(gè)時(shí)間差，脫硫氫到變換氫大約有5min，變換氫到補(bǔ)充氫大約有15min,再由補(bǔ)充氫到循環(huán)氫又有20min，而且補(bǔ)充氫與循環(huán)氫之間存在積分關(guān)系，補(bǔ)充氫中氫氮比的微小變化就會(huì)造成循環(huán)氫中氫的增加與減小，即穩(wěn)定的補(bǔ)充氫并不能保證循環(huán)氫的穩(wěn)定。而循環(huán)氫是生產(chǎn)過程最終階段的信號(hào)，所以采用循環(huán)氫作為主調(diào)節(jié)參數(shù)，并選擇脫硫氫作為副調(diào)參數(shù)，以克服循環(huán)氫巨大的滯后。

2、H2/N2調(diào)節(jié)方法

采用改變加氮空氣量的方法調(diào)節(jié)H2/N2，在上吹和下吹階段設(shè)置用／否加氮軟手動(dòng)開關(guān)決定是否啟用加氮空氣，同時(shí)采用上／下加氮調(diào)節(jié)閥來改變加氮空氣量，其次可以通過調(diào)整 吹凈時(shí)間的方法來調(diào)整H2／N2，同時(shí)還采用打吹凈軟開關(guān)確定在吹風(fēng)階段是否提前關(guān)閉煙囪閥，以輔助調(diào)節(jié)H2/N2.（三）CO變換工段控制

工藝簡(jiǎn)介：工藝流程圖如下：

中溫變換護(hù)的正常操作應(yīng)該是將各段催化劑的溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，以充分發(fā)揮催化劑的活性。同時(shí)用最低的蒸汽消耗實(shí)現(xiàn)最高的CO變換率。影響中變爐催化劑床層溫度變化的因素很多，如蒸汽的加入量、蒸汽的溫度、進(jìn)入催化劑前反應(yīng)氣體的溫度、反應(yīng)氣體的組成以及生產(chǎn)負(fù)荷等。

該工段主要的控制系統(tǒng)主要有：中變爐入口溫度定值控制，入中變護(hù)蒸汽流量定值控制，入中變滬中段蒸汽流量定值控制，中變爐下段溫度控制等。（1）中變爐人口溫度定值控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是通過控制中變爐的入口溫度來穩(wěn)定上段催化劑的溫度。選中變爐人口氣體的溫度作為被控變量，操作變量為中溫?fù)Q熱器的半水煤氣副線流量。

其主要干擾因素有：半水煤氣流量，半水煤氣溫度，蒸汽流量，蒸汽溫度，變換氣溫度等。

在這個(gè)系統(tǒng)中，中變爐人口溫度是根據(jù)生產(chǎn)要求由人工設(shè)定，當(dāng)受到干擾使該溫度偏離沒定值時(shí)，通過改變中溫?fù)Q熱器副線流量來維持其入口溫度的穩(wěn)定。

（2）入爐蒸汽流量定值控制

控制流程圖如下：

被控變量和操作變量均為與煤氣混合的蒸汽流量。其主要干擾因素是蒸汽的溫度和蒸汽管網(wǎng)的壓力。求由人工設(shè)定，通過改變蒸汽流量調(diào)節(jié)閥的開度來維持蒸汽流量的穩(wěn)定。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷變動(dòng)或其它干擾因索引起中變爐上段催化劑溫度發(fā)生變化而需要改變?nèi)霠t的蒸汽量時(shí)，只能通過人工調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)，可見該系統(tǒng)不能自動(dòng)跟蹤生產(chǎn)負(fù)荷，亦不能按照上段催化劑溫度的變化來自動(dòng)控制所需的蒸汽量。

（3）

中變爐中段蒸汽流量定值控制

（六）氨合成工段控制

在合成氨生產(chǎn)中，合成塔人塔氣體的氫氣與氮?dú)獾谋壤枪に嚿弦粋€(gè)極為重要的控制指標(biāo)。氫氯比合格率對(duì)于全廠生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、提高產(chǎn)量和降低原料及能源消耗起著重要作用，氫氮比的過高或過低，都會(huì)直接影響合成效率，導(dǎo)致合成系統(tǒng)超壓放空，使合成氨產(chǎn)量減少，消耗增加。但合成氨氫氮比對(duì)象是一個(gè)純滯后和容積滯后大，無自衡能力和時(shí)變的工藝過程，所以氫氮比控制是氨合成工段的主要控制對(duì)象。

方案一：

采用變比控制方案，對(duì)負(fù)荷變化和加氮空氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)控制其工作框圖如下：

原料氣中各有效成分分析合成總的含H2量作為主物料信號(hào)，乘上一個(gè)比值系數(shù)K,就作為空氣調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥以得到所需要的與總含H2成比例的N2量。如果由于某種因素使H2/N2比值偏離給定值，就通過調(diào)節(jié)器GC輸出信號(hào)修正比值系數(shù)K,使H2/N2比回到給定值上來。對(duì)于空氣流量的干擾，設(shè)置一個(gè)副環(huán)，構(gòu)成串級(jí)控制，對(duì)空氣的測(cè)量，采用壓力和溫度的補(bǔ)償。

方案2 預(yù)測(cè)加PID控制方案

上述方案由兩個(gè)回路組成：內(nèi)回路是由造氣到脫磕和可調(diào)控制器組成的線性反饋回 路；外回路由變換到精煉和通推參數(shù)估計(jì)器及校正器組成。

方案3 預(yù)測(cè)＋PID串級(jí)控制方案

氫氮比通過改變二段爐的空氣量來調(diào)節(jié)，針對(duì)被控對(duì)象的特點(diǎn)，本文采用多步MAC 預(yù)測(cè)控制算法、PID算法及前饋調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制規(guī)律構(gòu)成氫氮比前饋中級(jí)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖如下所示：

由于負(fù)荷（原料氣流量）變化是系統(tǒng)可測(cè)不可控的干擾，為此，采用前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以便及時(shí)克服負(fù)荷波動(dòng)的干擾。由于空氣流量波動(dòng)大，必須采用閉環(huán)控制，空氣流量調(diào)節(jié)回路采用YS－80單回路調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。

由于系統(tǒng)滯后時(shí)間長(zhǎng)，為了能及時(shí)克服轉(zhuǎn)化、變化工段的干擾，引入變換氫副調(diào)回路，此回路純滯后時(shí)間短，可采用PID調(diào)節(jié)；主被控對(duì)象氫氮比系統(tǒng)純滯后時(shí)間長(zhǎng)，慣性大，干擾多，因此主控器采用MAC預(yù)測(cè)控制

（八）精餾塔控制方案

工藝簡(jiǎn)介：

合成氨廠氨精餾塔是氨回收單元，以水為溶劑，吸收氨合成回路的放空氣和液氨貯槽放空氣中的氨，然后利用外部供熱使氨水溶液解吸，水作為吸收劑循環(huán)使用。其工藝流程圖如下：

由于本精餾工段受多種干擾因素如進(jìn)料量、進(jìn)料溫度、冷凝器冷卻水溫度、環(huán)境溫度變化等的影響，而且難以直接測(cè)量產(chǎn)品濃度作為被調(diào)參數(shù)，故選用間接參數(shù)溫度、壓力作為被調(diào)參數(shù)。

控制方案： 1．壓力控制

針對(duì)壓力設(shè)置了一套壓力分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由PRC-10001檢測(cè)塔內(nèi)壓力，分別控制塔頂排出的情氣量和塔頂冷卻器的回水量。其調(diào)節(jié)過程為：

當(dāng)PRC-10001測(cè)量值增加時(shí)，其輸出值若在100%~50%內(nèi)，則情氣閥PV—10001A全關(guān)(F.C)，冷卻水閥PV-10001B(F．0)逐漸開大，直至全開，以充分冷凝氣體中的氨；若輸出值小于50％，則PV—10001B全 開，PV—1000lA逐漸開大，從而使塔內(nèi)壓力降低，反之亦然。以此達(dá)到塔內(nèi)壓力恒定。

2、溫度控制

由于成品氨的質(zhì)量與溫度有直接關(guān)系，液氨流量直接影響著溫度，為保證精餾塔溫度，設(shè)置一套以惰餾塔溫度TICAH—10004和液氨流量FIC—10006組成的串級(jí)系統(tǒng)。其中流星為副參數(shù)，克服影響氨水流量波動(dòng)的各種擾動(dòng)因素；以溫度為主參數(shù)，保證精餾塔溫度，其工藝控制流程圖如下：

首先，手動(dòng)調(diào)整F—10006輸出值，使得T—10004滿足工藝要求。然后，調(diào)整T—10004的給定值等于測(cè)量值，調(diào)整F—10006的設(shè)定值等于測(cè)量值。在此過程中，要保證T—10004輸出值等于F—10006，設(shè)定值。隨后將由手動(dòng)投入自動(dòng)，等穩(wěn)定后投入串級(jí)。系統(tǒng)穩(wěn)定后將T—10004由手動(dòng)投入自動(dòng)。

至此，完成了串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投運(yùn)。

在投運(yùn)過程中，一定要注意T—10004輸出值等于F—10006設(shè)定值，投運(yùn)之前，主、副回路均應(yīng)置于手動(dòng)狀態(tài)。

第三篇：合成氨（范文）

合成氨生產(chǎn)技術(shù)綜述

一.合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程及生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

1.傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝階段

從20世紀(jì)20年代世界第一套合成氨裝置投產(chǎn)，到20世紀(jì)60年代中期，合成氨工業(yè)在歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)已發(fā)展到了相當(dāng)高的水平。美國(guó)Kellogg公司首先開發(fā)出以天然氣為原料、日產(chǎn)1 000 t的大型合成氨技術(shù)，其裝置在美國(guó)投產(chǎn)后每噸氨能耗達(dá)到了42．o GJ的先進(jìn)水平。Keuogg傳統(tǒng)合成氨工藝首次在合成氨裝置中應(yīng)用了離心式壓縮機(jī)，并將裝置中工藝系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了裝置的單系列大型化(無并行裝置)和系統(tǒng)能 量自我平衡(即無能量輸入)，是傳統(tǒng)型制氨工藝的最顯著特征，成為合成氨工藝的“經(jīng)典之作”。之后英國(guó)ICI、德國(guó)uhde、丹麥T0psoe、德國(guó)Br肌n公司等合成氨技術(shù)專利商也相繼開發(fā)出與KeⅡogg工藝水平相當(dāng)、各具特色的工藝技術(shù)，其中Topsoe、ICI公司在以輕油為原料的制氨技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位。這是合成氨工業(yè)歷史上第一次技術(shù)變革和飛躍。

2.低能耗制氨工藝階段

2．1低能耗制氨工藝

具有代表性的低能耗制氨工藝有4種：Kellogg公司的KREP工藝、Braun公司的低能耗深冷凈化工藝、uHDE—ICI—AMv工藝、Topsoe工藝。與上述4種代表性低能耗工藝同期開發(fā)成功的工藝還包括：①以換熱式轉(zhuǎn)化工藝為核心的IcI公司LCA工藝、俄羅斯GIAP公司的Tandem工藝、Kel．1099公司的KRES工藝、Uhde公司的CAR工藝；②基于“一段蒸汽轉(zhuǎn)化+等溫變換+PSA”制氫工藝單元和“低溫制氮”工藝單元，再加上高效氨合成工藝單元等成熟技術(shù)結(jié)合而成的德國(guó)Linde公司IAC工藝；③以“釕基催化劑”為核心的Kellogg公司的KAPP工藝。低能耗制氨工藝技術(shù)主要以節(jié)能降耗為目的，立足于改進(jìn)和發(fā)展工藝單元技術(shù)，其主要技術(shù)進(jìn)展包括：

①溫和轉(zhuǎn)化。一段轉(zhuǎn)化爐采用低水碳比、低出口溫度、較高的出口cH4含量操作，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至二段轉(zhuǎn)化爐；同時(shí)二段轉(zhuǎn)化爐引入過量空氣，以提高轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能力。②燃?xì)廨啓C(jī)。使用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，并與一段轉(zhuǎn)化爐緊密結(jié)合。③低熱耗脫碳。采用低熱耗Be面eld或。一MDEA脫碳，以降低能量消耗。

④深冷凈化。Braun公司采用深冷凈化，在合成氣進(jìn)入氨合成回路之前脫除其中的cH4和部分Ar，并調(diào)節(jié)合成氣中H2與N2摩爾比為3：1；uhde—IcI—AMV采用深冷凈化，在氨合成回路之中回收弛放氣中的H2。

⑤效率更高的合成回路。采用新型氨合成塔和低壓高活性催化劑，以提高氨合成轉(zhuǎn)化率、降低合成壓力、減小回路壓降、合理利用能量。Kellogg公司采用臥式徑向合成塔和小顆粒、高活性催化劑；uhde公司和T0psoe公司均采用了立式徑向流動(dòng)合成塔 和小顆粒、高活性催化劑。

2．2 以部分氧化工藝為核心的重油或煤氣化

(1)重油氣化。以部分氧化工藝為核心的重油氣化技術(shù)，主要有SheⅡ和Texaco兩家公司的技術(shù)。自1956年開發(fā)出第一臺(tái)渣油氣化爐至今，世界上先后建成了140多套裝置，用于合成氨、甲醇、純氫和羰基合成等。由于國(guó)外以重油為原料的合成氨裝置所占比例很小，且近年來受到石油危機(jī)和潔凈煤氣化技術(shù)的挑戰(zhàn)，競(jìng)爭(zhēng)力較差，其技術(shù)進(jìn)展不大。主要 的進(jìn)展包括：①結(jié)構(gòu)多樣化、氣化壓力提高、設(shè)備大型化；②改進(jìn)氣化爐燒嘴，以降低氧／油比、蒸汽／油比，從而降低氧耗、汽耗，改善經(jīng)濟(jì)性；③改進(jìn)霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，以適應(yīng)石油深加工帶來的重油重度加重的問題；④炭黑回收部分開路，以適應(yīng)石油深 加工帶來的重油原料中重金屬含量升高的問題。

(2)煤氣化。20世紀(jì)80年代初到90年代末，煤氣化技術(shù)再度引起人們重視，對(duì)潔凈煤氣化技術(shù)進(jìn)行了大量的開發(fā)研究，取得了重大的進(jìn)展，開發(fā)出眾多的煤氣化技術(shù)，包括：以Texaco公司和Destec公司為代表的水煤漿氣化、以sheu公司和德國(guó)Prenno公司為代表的粉煤氣化、以Lu蛹公司為代表的固定床煤氣化等。并率先在IGcc領(lǐng)域進(jìn)行了示范性大型化商業(yè)化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，Texaco工藝和Lu蛹工藝在合成氨生產(chǎn)中也得以應(yīng)用，并取得了良好的效果。2．3 傳統(tǒng)型制氨裝置的節(jié)能增產(chǎn)改造 以節(jié)能降耗為目的的技術(shù)開發(fā)成果，在傳統(tǒng)型合成氨裝置的節(jié)能改造和增產(chǎn)改造中也得到了廣泛的應(yīng)用；同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)型合成氨裝置，也開發(fā)出了許多新的節(jié)能和增產(chǎn)技術(shù)。在20世紀(jì)80年代中期到90年代中期，傳統(tǒng)型合成氨裝置大多進(jìn)行了2輪技術(shù)改造，基本實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增產(chǎn)的目標(biāo)，技術(shù)水平大大提高，縮小了與低能耗制氨工藝的差距。

(1)第一輪改造。主要采用節(jié)能降耗新技術(shù)，改造后，傳統(tǒng)天然氣合成氨裝置每噸氨的能耗由41．87 GJ降至35．7 GJ左右，傳統(tǒng)輕油合成氨裝置每噸氨的能耗下降為37．16 GJ。其采用的技術(shù)主要包括：一段轉(zhuǎn)化爐煙氣余熱回收預(yù)熱燃燒空氣；增設(shè)轉(zhuǎn)化爐蒸汽過熱燒嘴；脫碳改為低熱Benfield；合成氣壓縮機(jī)前加氨冷器；采用casale或Topsoe軸徑向內(nèi)件對(duì)合成塔內(nèi)件進(jìn)行改造。

(2)第二輪改造。主要采用節(jié)能增產(chǎn)新技術(shù)，將產(chǎn)量擴(kuò)充至日產(chǎn)l 200 t以上，傳統(tǒng)天然氣合成氨裝置噸氨能耗進(jìn)一步降至32．7 GJ，其采用的技術(shù)主要包括：空氣壓縮機(jī)、合成氣壓縮機(jī)汽輪轉(zhuǎn)子擴(kuò)能增效；一段轉(zhuǎn)化爐管更新為大口徑薄壁HP50管；一段轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段空氣預(yù)熱器盤管改造；二段轉(zhuǎn)化爐更換新型燒嘴；高溫變換爐和低溫變換爐安裝內(nèi)件，成為軸徑向爐；增設(shè)小低變爐；脫碳在四級(jí)閃蒸的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改造。

3.裝置單系列產(chǎn)量最大化階段

近10年來，由于低能耗裝置噸氨能耗已經(jīng)降至28 GJ的水平，接近了理論能耗數(shù)值(22 GJ)，節(jié)能降耗的余地已經(jīng)很小(預(yù)計(jì)合成氨裝置噸氨能耗將難以降低到26 GJ以下)，而且即使能夠降低，其對(duì)裝置的經(jīng)濟(jì)性也將很小。基于此，為了進(jìn)一步改善裝置的經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)專利商均開始轉(zhuǎn)向以實(shí)現(xiàn)單系列合成氨裝置產(chǎn)量最大化為首要目標(biāo)的研究開發(fā)。與此同時(shí)，在高油價(jià)背景下，用煤等劣質(zhì)原料制氨重新受到重視，以Texaco水煤漿氣化和Shell粉煤氣化為代表的煤氣化技術(shù)在改造和新建裝置中得到了使用。3.1裝置單系列產(chǎn)量最大化

世界級(jí)合成氨裝置的規(guī)模越來越大，以利用較大的產(chǎn)量帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)80年代投產(chǎn)的世界級(jí)合成氨裝置的平均產(chǎn)量為1 120 t／d，而最近投產(chǎn)的世界級(jí)合成氨裝置的產(chǎn)量大多已接近2 000 t／d，且主要按照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行放大。至今為止，uhde公司已經(jīng)推出了日產(chǎn)3 300 t合成氨技術(shù)，KBR、Topsoe、Lu蛹公司均推出了日產(chǎn)2 000 t合成氨技術(shù)。(1)uhde技術(shù)

①加氫脫硫原料氣在脫硫工段對(duì)加氫反應(yīng)器和脫硫反應(yīng)器的尺寸沒有限制，很容易增加氣體流量。必要時(shí)可以安裝2臺(tái)脫硫反應(yīng)器，從而允許裝置運(yùn)行時(shí)更換反應(yīng)器中的氧化鋅。②工藝實(shí)踐證明，離心式壓縮機(jī)和整體齒輪式離心壓縮機(jī)適用于產(chǎn)量高達(dá)3 000 t／d的裝置。

③開發(fā)出具有內(nèi)部絕熱冷氣出口管的頂燒式一段轉(zhuǎn)化爐，易于應(yīng)用任何產(chǎn)能的裝置，而不需改變其基本結(jié)構(gòu)。2臺(tái)最大的一段轉(zhuǎn)化爐為甲醇生產(chǎn)合成氣裝置，分別裝有630根和920根管子。3 000 t／d合成氨裝置所用的一段轉(zhuǎn)化爐采用最新設(shè)計(jì)和材料，只用了460根管子。④二段轉(zhuǎn)化爐也可用于產(chǎn)能增加的裝置，其特點(diǎn)是通過安裝在容器壁的噴嘴增加工藝空氣。其優(yōu)點(diǎn)是通過渦流形式注入空氣，可以達(dá)到工藝空氣與轉(zhuǎn)化氣的適當(dāng)混合。充分的駐留時(shí)間允許在燃燒區(qū)完全反應(yīng)，同時(shí)避免內(nèi)件過熱和火焰沖擊。⑤為滿足大型裝置一氧化碳變換對(duì)催化劑容量的要求，可以設(shè)計(jì)用于高溫和低溫一氧化碳變換的反應(yīng)器。

⑥二氧化碳脫除推薦使用BAsF公司的MDEA工藝，在能量和熱量平衡方面最符合uhde公司的理念，并且將對(duì)大型裝置沒有限制。

⑦合成氣壓縮對(duì)于當(dāng)前2 200 t／d裝置，制約產(chǎn)能的主要因素是合成氣壓縮機(jī)。uhde公司正在開發(fā)一種新型合成氣壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)適用于未來產(chǎn)能可高達(dá)3 000 t／d的裝置。⑧氨合成回路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是3層2個(gè)合成塔，廢熱鍋爐位于各反應(yīng)器下游。所有工藝和容器的設(shè)計(jì)參數(shù)都滿足大規(guī)模裝置的要求。

⑨uhde公司在sAFcO合成氨裝置中，通過采用“雙壓氨合成工藝”，巧妙地突破和解決了合成氣壓縮機(jī)和合成回路對(duì)裝置單系列產(chǎn)能為3 000 t／d的限制，應(yīng)用于已在2 000 t／d合成氨裝置中驗(yàn)證過的工藝過程和設(shè)備，率先實(shí)現(xiàn)了3 300 t／d合成氨的目標(biāo)。BAsF公司在比利時(shí)采用uhde技術(shù)建成了2 060 t／d的合成氨裝置。“雙壓氨合成工藝”在合成氣壓縮機(jī)2個(gè)壓縮氣缸之間設(shè)置新鮮合成氣的低壓氨合成系統(tǒng)，低壓缸出口壓力為11 MPa，與低壓法氨合成相匹配，并在此系統(tǒng)中分離部分產(chǎn)品；之后在低溫下進(jìn)一步壓縮至21 MPa，進(jìn)入氨合成回路進(jìn)行高壓氨合成。這樣不僅減少了合成氣壓縮的量，而且也減小了合成回路的設(shè)備尺寸。

減小了合成回路的設(shè)備尺寸。(2)Kellogg技術(shù)

①Kellogg公司和Bm帥&Root公司合并為KBR公司之后，在特立尼達(dá)采用KBR(KAAP)工藝建設(shè)了4套2 000 t／d的合成氨裝置。

②KAAP工藝以釕基催化劑為核心，由于該催化劑具有低壓、高活性的特點(diǎn)，與其他催化劑相比其用量較少；合成回路能夠在較低壓力下運(yùn)行，且合成回路的氨轉(zhuǎn)化率高。低壓操作可以使用單系列合成氣壓縮機(jī)，并節(jié)省裝置投資。KAAP催化劑的高活性使大產(chǎn)能成為可能，同時(shí)不需要較高的壓力和多臺(tái)合成塔。

③KBR公司也設(shè)計(jì)了4 000 t／d裝置，除了一段轉(zhuǎn)化爐和氨合成塔為并列設(shè)置外，其他設(shè)備均為單系列。(3)Topsoe技術(shù)

Topsoe公司合成氨技術(shù)的最新進(jìn)展包括：改進(jìn)的轉(zhuǎn)化爐設(shè)計(jì)；用于二段轉(zhuǎn)化爐的新型管式燒嘴；改進(jìn)的S一200氨合成塔設(shè)計(jì)；中壓蒸汽冷凝液汽提；改進(jìn)的觸媒結(jié)構(gòu)。這些新技術(shù)在拉丁美洲的2個(gè)世界級(jí)規(guī)模的項(xiàng)目中得到應(yīng)用。Pmfeni項(xiàng)目的特點(diǎn)是2 050 t／d合成氨裝置與3250 t／d尿素裝置單系列配套生產(chǎn)。該裝置構(gòu)成世界上最大的農(nóng)用合成氨／尿素聯(lián)合工廠，其最終產(chǎn)品是粒狀尿素。其合成氨裝置采用Topsoe公司低能耗合成氨工藝，包括脫硫、一段和二段轉(zhuǎn)化、二步變換、MDEA法二氧化碳脫除、甲烷化、壓縮、S一200氨合成回路、氫氣回收裝置和產(chǎn)品回收。轉(zhuǎn)化爐使用現(xiàn)代轉(zhuǎn)化爐管材，并對(duì)側(cè)燒爐設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，允許在更高的壓力和熱流下操作。轉(zhuǎn)化爐設(shè)計(jì)緊湊，只用了264根管子。通過引入新的管口燒嘴，增加了整套裝置的穩(wěn)定性。改進(jìn)的催化劑允許減小轉(zhuǎn)化爐尺寸。當(dāng)原料氣中碳?xì)浠衔锉壤^高時(shí)，Topsoe工藝包括1臺(tái)預(yù)轉(zhuǎn)化爐，將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為甲烷、碳氧化合物和氫氣。如果把來自預(yù)轉(zhuǎn)化爐的氣體加熱到650℃左右，那么一段轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷可降低25％以上。這樣，為3 000 t／d裝置設(shè)計(jì)一段轉(zhuǎn)化爐就不再困難了。二氧化碳脫除采用BASF公司的MDEA工藝，該部分裝置的流體流速非常高，因此需要大型設(shè)備，低壓容器的直徑在6 m左右。氨合成系統(tǒng)以T0psoe s一200徑流式氨合成塔為基礎(chǔ)，回路壓力19．12 MPa，以獲得較高的單程氨轉(zhuǎn)化率，氨合成塔的直徑只有3 m。如果要求產(chǎn)量達(dá)到3 000 t／d，那么可以在s一200合成塔后再增加一個(gè)單層徑流式S一50合成塔。(4)Lurgi技術(shù)

h蛹公司開發(fā)出以“自熱轉(zhuǎn)化ATR”為核心技術(shù)的Megammonia工藝。Megammonia工藝裝置包括自熱轉(zhuǎn)化(6 MPa，ATR)、高溫變換(5．5 MPa，HrI's)、氣體凈化(5．2 MPa，RNwu)、氨合成(20 MPa，Synth．)等工藝單元。3．2合成氨裝置的結(jié)構(gòu)調(diào)整

由于石油價(jià)格的飛漲和深加工技術(shù)的進(jìn)步，以“天然氣、輕油、重油、煤”作為合成氨原料結(jié)構(gòu)、并以天然氣為主體的格局有了很大的變化?；谘b置經(jīng)濟(jì)性考慮，“輕油”和“重油”型合成氨裝置已經(jīng)不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，絕大多數(shù)裝置目前已經(jīng)停車或進(jìn)行以結(jié)構(gòu)調(diào)整為核心內(nèi)容的技術(shù)改造。其結(jié)構(gòu)調(diào)整包括原料結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。由于煤的儲(chǔ)量約為天然氣與石油儲(chǔ)量總和的10倍，以煤為原料制氨等煤化工及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)再度成為世界技術(shù)開發(fā)的熱點(diǎn)，煤有可能在未來的合成氨裝置原料份額中再次占舉足輕重的地位，形成與天然氣共為原料主體的格局。

原料結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是“油改氣”(利用部分氧化工藝將原料改為天然氣)和“油改煤”(利用煤氣化工藝將原料改為煤或石油焦)。原料結(jié)構(gòu)調(diào)整方案中主要考慮的是資源條件及其地理位置，以經(jīng)濟(jì)效益(包括裝置投資、操作費(fèi)用、生產(chǎn)成本)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。天然氣是合成氨裝置最理想的原料，且改造時(shí)改動(dòng)量最小、投資最省，應(yīng)以優(yōu)先考慮；但如果不具備以天然氣為原料的基本條件(資源和地理位置)，則以“原料劣質(zhì)化”為主，進(jìn)行“煤代油”或“渣油劣質(zhì)化”的技改。為了盡可能地增大投資效益，可以適當(dāng)擴(kuò)大氣化部分的規(guī)模，通過“配氣方案”實(shí)現(xiàn)氮肥一C，化工及其衍生物產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整。這樣不僅聯(lián)合生產(chǎn)裝置投資較低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)合成氣的有效合理利用，操作費(fèi)用和生產(chǎn)成本將會(huì)大幅度降低，經(jīng)濟(jì)上將更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。目前上述結(jié)構(gòu)調(diào)整工程已經(jīng)開始實(shí)施，由于資源條件及其地理位置的原因，對(duì)輕油型合成氨裝置進(jìn)行了“油改煤”的技術(shù)改造，而重油型合成氨裝置則進(jìn)行了“油改氣”技術(shù)改造，并取得了預(yù)期效果，有力地推動(dòng)了天然氣部分氧化工藝技術(shù)和煤氣化工藝技術(shù)的進(jìn)步。

4.現(xiàn)狀

中國(guó)的氨氣大多數(shù)產(chǎn)自煤氣化,世界氨氣主要由天然氣生產(chǎn).目前我國(guó)是世界上合成氨量最大的國(guó)家，擁有大型氮肥裝置共計(jì)三十四套，有十七套以天燃?xì)鉃樵希滓暂p油為原料，九套以重油為原料，還有兩套以煤為原料。這三十四套大型氨肥裝置每年可以生產(chǎn)大約一千萬噸氨肥，其下游產(chǎn)品主要包括了硝酸磷肥和尿素。除此之外，我國(guó)還有五十五套中型合成氨裝置，包括三十四套以煤和焦油為原料的裝置，九套以渣油為原料和十二套以氣為原料的裝置。這五十五套中型合成氨裝置年生產(chǎn)能力約為五百萬噸，下游產(chǎn)品主要是尿素和硝酸銨，我國(guó)還有一百一十二套經(jīng)過改造生產(chǎn)尿素，原料以煤，焦炭為主的氨合成裝置。其中以煤，焦炭為原料的占 96％，以氣為原料的僅占 4％。我國(guó)引進(jìn)大型合成氨裝置的總生產(chǎn)能力為1000萬t/a,只占我國(guó)合成氨總能力的1/4左右,因此可以說我國(guó)氮肥工業(yè)主要是依靠自力更生建設(shè)起來的。在此過程中,研究開發(fā)了許多工藝技術(shù),促進(jìn)了氮肥生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高,包括:合成氣制備、CO變換、脫硫脫碳、氣體精制和氨合成技術(shù)。除上海吳涇化工廠為國(guó)產(chǎn)化裝置外,其他均系從國(guó)外引進(jìn),按照專利技術(shù)分:以天然氣和輕油為原料的有Kellogg傳統(tǒng)工藝(10套)、Kellogg-TEC工藝(2套)、Topsoe工藝(3套),及20世紀(jì)90年代引進(jìn)的節(jié)能型AMV工藝(2套)、Braun工藝(4套)、KBR工藝(1套);以渣油為原料的Texaco工藝(6套)和Shell工藝(3套);以煤為原料的Lurgi工藝(1套)和Texaco工藝(1套),薈萃了當(dāng)今世界上主要的合成氨工藝技術(shù)。20世紀(jì)七八十年代引進(jìn)的天然氣合成氨裝置均已對(duì)其進(jìn)行了以節(jié)能降耗和擴(kuò)能增產(chǎn)為目的的兩輪與國(guó)外裝置類似的技術(shù)改造,合成氨能耗由4187GJ/t降至3349GJ/t,生產(chǎn)能力提高了15%~22%;輕油型合成氨裝置也進(jìn)行了類似的增產(chǎn)節(jié)能技改,將能耗降至372GJ/t,生產(chǎn)能力提高了15%左右。20世紀(jì)80年代引進(jìn)的渣油型合成氨裝置也進(jìn)行過增產(chǎn)10%的改造,主要改造內(nèi)容是氣化裝置增設(shè)第3系列,空分工藝改為分子篩流程,目前已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)1100萬t/a合成氨的條件。20世紀(jì)90年代,在高油價(jià)和石油深加工技術(shù)進(jìn)步的雙重壓力下,為了改善裝置的經(jīng)濟(jì)性,多套裝置開始進(jìn)行以原料結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整為核心內(nèi)容的技術(shù)改造,原料結(jié)構(gòu)調(diào)整包括輕油型裝置的油改煤(采用Shell或Texaco煤氣化工藝,以煤替代輕油)、渣油型裝置的油改氣(采用天然氣部分氧化工藝,以天然氣替代渣油)或渣油劣質(zhì)化(使用脫油瀝青替代渣油);產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整包括轉(zhuǎn)產(chǎn)或聯(lián)產(chǎn)氫氣、甲醇等。

中國(guó)科技大學(xué)及中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等科研機(jī)構(gòu)在NsR催化技術(shù)領(lǐng)域催化劑性能和結(jié)構(gòu)方面作了初步研究。目前，日本豐田汽車公司和美國(guó)福特(Ford)汽車公司在NsR催化技術(shù)領(lǐng)域的研究成果顯著，前者占據(jù)了日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，正在開拓歐美市場(chǎng)；后者正向工業(yè)化邁進(jìn)。瑞典、德國(guó)、意大利和英國(guó)的科研機(jī)構(gòu)在催化劑性能、反應(yīng)機(jī)理等方面做了許多卓有成效的工作。

二.比較不同原料生產(chǎn)合成氨的生產(chǎn)過程

不同的生產(chǎn)原料采用不同的生產(chǎn)工藝，比如以煤和天燃?xì)鉃樵系陌焙铣?，通常是采用原料氣制備將原料制成含氫和氮的粗原料氣。?duì)以煤和焦炭等固體原料的氨合成，通常采用氣化的方法制取合成氣；對(duì)于以渣油為原料的氨合成一般采用非催化部分氧化的方法；對(duì)氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中一般采用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法。合成氨原料氣制備完成后一般要進(jìn)行凈化處理，凈化處理的主要目的是除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程；

凈化:首先包括進(jìn)行一氧化碳變換，因?yàn)樵诤铣砂钡倪^程中不論采用哪種方式都會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，這是合成氨中多余的成分.一氧化碳的變換:過程中要放出大量的熱，因此對(duì)一氧化碳的清除必須分段進(jìn)行。首先是通過高溫變換將一氧化碳轉(zhuǎn)變成二氧化碳和氫氣，然后再通過低溫變換將一氧化碳含量降低至 0.3%左右；

脫硫脫碳:因?yàn)楦鞣N原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，這些硫和碳的氧化物如果不清除就可能在合成氨生產(chǎn)過程中造成催化劑的中毒，因此在氨合成工序前必須對(duì)其進(jìn)行脫除處理。首先是脫硫處理，脫硫的方法很多，最常用的是采用化學(xué)和物理吸收法，可以采用低溫甲醇洗法，也可以采用聚乙二醇二甲醚法等。因?yàn)樵谝谎趸嫉淖儞Q中會(huì)殘留一些二氧化碳、一氧化碳等成分，粗原料氣經(jīng) CO 變換以后，變換氣中除 H2 外，還有 CO2、CO 和 CH4 等組分，這些成分尤其是二氧化碳會(huì)影響著氨合成催化劑，因此要注意對(duì)這些氣體的排除。排除二氧化碳可以采用溶液吸收法脫除；

氣體精制過程，精制過程是指在原料氣在進(jìn)入合成工序前，清除殘留的二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，進(jìn)行原料氣的最終凈化，主要方法有甲烷化和液氮洗等。

1.以焦炭（無煙煤）為原料的流程

以焦炭為原料的噸氨能耗為88GJ，比理論能耗高4倍多。碳化工藝流程將加壓水洗改用氨水脫除CO2得到的碳酸氫銨經(jīng)結(jié)晶，分離后作 為產(chǎn)品。所以，流程的特點(diǎn)是氣體凈化與氨加工結(jié)合起來。三催化劑凈化流程采用脫硫、低溫變換及甲烷化三種催化劑來凈化氣體，以替 代傳統(tǒng)的銅氨液洗滌工藝。

2.以天然氣為原料的流程

天然氣先要經(jīng)過鈷鉬加氫催化劑將有機(jī)硫化物轉(zhuǎn)化成無機(jī)硫，再用脫硫劑將硫含量脫除到0.1ppm以下，這樣不僅保護(hù)了轉(zhuǎn)化催化劑的正常使用，也為易受硫毒害的低溫變換催化劑應(yīng)用提供了條件

3.以重油為原料的流程

以重油作為制氨原料時(shí)，采用部分氧化法造氣。從氣化爐出來的原料氣先清除炭黑，經(jīng)CO耐硫變換，低溫甲醇洗和氮洗，再壓縮和合成而得氨。

4.以渣油為原料

采用非催化部分氧化的方法

第四篇：合成氨工藝流程

合成氨工藝流程

盡管氨合成工藝流程各異，但合成基本原理相同，故有許多相同之處。

由于氨合成率不高，大量氫氣、氨氣未反應(yīng)，需循環(huán)使用，故氨合成是帶循環(huán)的系統(tǒng)。

氨合成的平衡氨含量取決于反應(yīng)溫度、壓力、氫氨比及惰性氣體含量，當(dāng)這些條件一定時(shí)，平衡氨含量就是一個(gè)定值，不論進(jìn)口氣體中有無氨存在，出口氣體中氨含量總是一定值。因此反應(yīng)后的氣體必須冷凝以分離所含的氨，使循環(huán)回合成塔入口的混合氣體中氨含量盡量少，以提高氨凈值。

當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)惰性氣體積累達(dá)到一定濃度值時(shí)，會(huì)降低合成率和平衡氨含量。因此，應(yīng)定期或連續(xù)排放定量的循環(huán)氣，使惰性氣體含量保持在要求的范圍內(nèi)。

氨合成系統(tǒng)是在高壓下進(jìn)行的，必須用壓縮機(jī)加壓。管道、設(shè)備及合成塔床層壓力降以及氨冷凝等阻力的原因，使循環(huán)氣與合成塔進(jìn)口氣間產(chǎn)生壓力差，需采用循環(huán)壓縮機(jī)彌補(bǔ)壓力降的損失。

此外，還有反應(yīng)氣體的預(yù)熱和反應(yīng)后氣體熱能的回收等。

工藝流程是上述步驟的合理組合，下圖是氨合成的原則工藝流程。合理確定循環(huán)機(jī)、新鮮氣體的補(bǔ)入及惰性氣體排放位置以及氨分離的冷凝級(jí)數(shù)、冷熱交換器的安排和熱能回收方式，是流程組織與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

第五篇：合成氨論文

論文寫作與指導(dǎo)

姓 名: 學(xué) 號(hào): 專業(yè)班級(jí): 指導(dǎo)老師:

合成氨合成工藝的現(xiàn)狀

The present status of synthetic ammonia process

Wang

西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅蘭州 730124 Northwest university for nationalities institute of chemical, lanzhou, gansu，730124 摘要：合成氨是重要的化工原料, 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，本文在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上綜述了合成氨設(shè)備、催化劑、合成氨工藝三方面的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)。在設(shè)備方面，通過對(duì)冷管型合成塔和絕熱型合成塔新技術(shù)的綜述和兩種設(shè)備的對(duì)比，闡述了國(guó)內(nèi)外合成氨設(shè)備的不同之處，及國(guó)內(nèi)外合成氨設(shè)備的優(yōu)劣，提出了國(guó)內(nèi)合成氨設(shè)備的發(fā)展建議。合成氨工藝方面，通過轉(zhuǎn)化、變換、脫碳、合成四方面綜合闡述了目前合成氨工藝技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了近年來國(guó)內(nèi)外合成氨工藝的新技術(shù)和工藝流程方面的新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：合成氨；新工藝；合成塔

Abstract：Ammonia is one of the most important chemical production，It has an important station in national economy.This article has summarized the ammonia synthesis by ammonia equipment, catalyze, and technology to describe the actuality and the future which based the literature disquisition.For the equipment through the difference of the cold tube compose tower and insulate compose tower, we can know which is better and it can also give some advice of the development for our country equipment.For the technology, through the transform, commutation, decarburization and compose which tell the technology at present and development in future.introduce the new technology and the new development in technology flow.Key words: ammonia synthesis;new technology;catalyst;reactor 1、合成氨的歷史

過去制氫是在水煤氣發(fā)生爐中加水蒸汽使其焦炭氣化，氮?jiǎng)t以空氣形式通入，使氫氮維持正確比例。在本法中吹入蒸汽通過灼熱焦炭層生成氫。當(dāng)焦炭因吸熱反應(yīng)被充分冷卻時(shí)，即停止通蒸汽而改通空氣。通空氣燃燒將焦炭層溫度升高到下一次水煤氣循環(huán)所需要的溫度。水煤氣的凈化過程是采用變換，水洗和銅洗微量。直到二次大戰(zhàn)末,在歐洲和美國(guó)均采用此種造氣和凈化法。

上個(gè)世紀(jì)三十年代中期，已發(fā)展了用烴的催化劑和非催化轉(zhuǎn)化法制氫。而催化轉(zhuǎn)化法完全以法本公司的鎳催化劑為基礎(chǔ)。是將蒸汽和烴的混合物在730-1000℃下，在一段轉(zhuǎn)化爐中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，催化劑裝在外部加熱的管內(nèi)。在二段轉(zhuǎn)化爐中，氮是以空氣形式或富氧空氣形式一起導(dǎo)入，這時(shí)，烴的殘余組份同時(shí)轉(zhuǎn)化。經(jīng)還原的一種鎳催化劑可在第一段及第二段車釗七爐中使用。蒸汽轉(zhuǎn)化工藝過程適于轉(zhuǎn)化從天然氣到輕油范圍內(nèi)的烴類。烴的非催化裂解是在有外殼的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，這時(shí)烴與氧在不同壓力下氣化。以后是凈化氫和混合物的工藝過程，脫硫只能在裂解后進(jìn)行。凈化了的氣體與氮一起混合而導(dǎo)入合成系統(tǒng)[1-5]。

2、合成氨的現(xiàn)狀

德國(guó)化學(xué)家哈伯1909年提出了工業(yè)氨合成方法，即“循環(huán)法”，這是目前工業(yè)普遍采用的，也被稱作直接合成法。反應(yīng)過程中為解決氫氣和氮?dú)夂铣赊D(zhuǎn)化率低的問題，將氨產(chǎn)品從合成反應(yīng)后的氣體中分離出來，未反應(yīng)氣和新鮮氫氮?dú)饣旌现匦聟⑴c合成反應(yīng)。合成氨反應(yīng)式如下：

N2+3H2≈2NH3

目前中國(guó)主要是以煤為主，油氣并存的局面。

3、合成氨發(fā)展前景

原料路線的變化方向。從世界燃料儲(chǔ)量來看，煤的儲(chǔ)量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價(jià)后，從煤制氨路線重新受到重視，但是因?yàn)橐蕴烊粴鉃樵系暮铣砂毖b置投資低、能耗低、成本低的緣故，到20世紀(jì)末，世界大多數(shù)合成氨廠仍以氣體燃料為主要原料。

節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等?，F(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種，每噸液氨的設(shè)計(jì)能耗可降低到約29.3GJ。

與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡(jiǎn)化流程、減少能耗、降低成本。中國(guó)開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國(guó)、意大利等國(guó)開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點(diǎn)[6]。

4、氨的性質(zhì) 4.1氨的物理性質(zhì)

氨氣的主要物理性質(zhì)見下表

表3-1 氨氣的主要物理性質(zhì)

中文名 分子式 沸點(diǎn)（℃）熔點(diǎn)（℃）燃燒性 溶解性 爆炸極限 外觀及性狀 主要用途

4.2氨的化學(xué)性質(zhì)

NH3遇HCl氣體或濃鹽酸有白煙產(chǎn)生，可與氯氣反應(yīng)。

(1)氨水（混稱氫氧化銨，NH4OH）可腐蝕許多金屬，一般若用鐵桶裝氨水，鐵桶應(yīng)內(nèi)涂瀝青。

(2)氨的催化氧化是放熱反應(yīng)，產(chǎn)物是NO，是工業(yè)制硝酸的重要反應(yīng)，NH3也可以被氧化成N2[7-8]。氨氣 NH3 330.0 10.5 助燃 極易溶于水 15.8%-28%

英文名 相對(duì)分子量 飽和蒸氣壓（kPa）

相對(duì)密度 溶解度 危險(xiǎn)特性 偶極距

ammonia 17.03 0.13（145.8℃）（水=1）0.82 89.9 g/100 mL

腐蝕性 1.42D

通常情況下是有刺激性氣味的無色氣體

做制冷劑及制作化肥

5、合成氨的生產(chǎn)工藝及主要方法 5.1原料氣的制備

將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對(duì)于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；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)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。

5.2 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)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。

5.2.1一氧化碳變換過程

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%～40%。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換反應(yīng)如下：

CO+H2O→H2+CO2

由于CO變換過程是強(qiáng)放熱過程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余CO含量。第一步是高溫變換，使大部分CO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)既是制造原料氣的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。

5.2.2脫硫脫碳過程

各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。

粗原料氣經(jīng)CO變換以后，變換氣中除H2外，還有CO2、CO和CH4等組分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中CO2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。

一般采用溶液吸收法脫除CO2。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法，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。

5.2.3 氣體精制過程

目前在工業(yè)生產(chǎn)中，凈化方法主要分為深冷分離法和甲烷化法[9]。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍(-100℃)條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體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[10]。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應(yīng)生成CH4和H2O的一種凈化工藝，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+CO2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性氣體CH4的含量。甲烷化反應(yīng)如下：

CO+3H2→CH4+H2O ΔH=-206.2kJ/mol CO2+4H2→CH4+2H2O ΔH=-165.1kJ/mol 5.3氨的合成

將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨[10]。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個(gè)合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(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。氨合成反應(yīng)式如下[11]：

N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol

6、原料氣精制的主要方法

原料氣經(jīng)一氧化碳變換和二氧化碳脫除后，尚含有少量一氧化碳和二氧化碳，在送往氨合成系統(tǒng)前，為使它們總的含量少于10ppm，必須進(jìn)一步加以脫除。脫除少量一氧化碳和二氧化碳有三種方法；

6.1 銅氨液吸收法

銅氨液吸收法是最早采用的方法，在高壓、低溫下用銅鹽的氨溶液吸收一氧化碳并生成絡(luò)合物，然后將溶液在減壓和加熱條件下再生，由于吸收溶液中有游離氨，故可同時(shí)將氣體中的二氧化碳脫除：

6.2 液氮洗滌法 液氮洗滌法是利用液態(tài)氮能溶解一氧化碳、甲烷等的物理性質(zhì)，在深度冷凍的溫度條件下把原料氣中殘留的少量一氧化碳和甲烷等徹底除去，該法適用于設(shè)有空氣分離裝置的重質(zhì)油、煤加壓部分氧分法制原料氣的凈化流程，也可用于焦?fàn)t氣分離制氫的流程。

6.3 甲烷化法

甲烷化法是60年代開發(fā)的方法，在鎳催化劑存在下使一氧化碳和二氧化碳加氫生成甲烷：

由于甲烷化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，而鎳催化劑不能承受很大的溫升，因此，對(duì)氣體中一氧化碳和二氧化碳含量有限制。該法流程簡(jiǎn)單，可將原料氣中碳的氧化物脫除到10ppm以下，以天然氣為原料的新建氨廠，大多采用此法。但甲烷化反應(yīng)中需消耗氫氣，且生成對(duì)合成氨無用的惰性組分──甲烷。

7、Topsoe氨合成塔

為提高合成塔的生產(chǎn)能力，降低造價(jià)，設(shè)計(jì)出一種稱為“ 熱壁” 型式的合成塔，已投入工業(yè)應(yīng)用。該合成塔耐壓殼體較薄，重量較輕，制造費(fèi)用較少，頂蓋直徑也較小。

(1)投資費(fèi)用較少

耐壓殼體較薄頂蓋較小底部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單內(nèi)件設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單。(2)容易運(yùn)輸和安裝

內(nèi)件重量小，可以用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱船運(yùn)。(3)流體分布均勻，床層壓降小

催化劑的裝填對(duì)合成塔能否發(fā)揮正常性能很重要。傳統(tǒng)的徑向流合成塔裝填催化劑時(shí)都需要振打，以確保催化劑均勻填滿整個(gè)床層。這種裝填方式較耗時(shí)，且不容易裝填好，易產(chǎn)生很多空穴，使氣體出現(xiàn)偏流，催化劑利用率低。Topsoe研究出了一種稱為“ 毛毛雨式裝填法”該法裝填迅速，所需時(shí)間為振打法的一半，而裝填密度為振打法的102%-104%，且催化劑密度均勻。該法已在工業(yè)生產(chǎn)中取得了良好的效果。致謝：感受頗深，受益匪淺。在論文的寫作過程中，有很多困難，在理論學(xué)習(xí)階段，得到孫初鋒老師的悉心指導(dǎo)和幫助。借此機(jī)會(huì)我向?qū)O初鋒老師表示衷心的感謝!同時(shí)，我也要感謝我的同學(xué)給予我的幫助，他們?yōu)槲易珜懻撐奶峁┝瞬簧俳ㄗh和幫助。在此要特別感謝孫老師，他為人隨和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心。在學(xué)習(xí)生活中他能像知心朋友一樣鼓勵(lì)你，在論文的寫作和措辭等方面他也總會(huì)以“專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”嚴(yán)格要求你，再次謝謝孫初鋒老師!

參考文獻(xiàn)

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