合成氨生产主要分几个工序.doc

1. 合成氨生产主要分几个工序？各部分任务如何？答：1）原料气制备 即制备含有氢、氮的原料气。用煤、原油、或天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。（将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。一般焦炭、无烟煤等固体燃料通常采用气化的方法制取合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。 渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气。）2）净化 因为无论用何种方法造气，原料气中都含有对合成氨反应过程有害的各种杂质，必须采取适当的方法除去这些杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。 （1）脱硫过程 无论以焦炭还是天然气为原料获得的原料气中，都含有一氧化碳、二氧化碳、硫化物等不利于合成反应的成分，需要在进入合成塔之前除去。其中硫化物对蒸气转化都是有害的，故在原料气进入界区后，首先进行脱硫。氧化锌脱硫就是H2S气体在固体ZnO上进行反应，生成H2O进入气相，ZnS则沉积在ZnO固体表面上。脱无机硫温度约200。（2）一氧化碳变换过程 在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下： CO+H2OH2+CO2 ,H=-41.2kJ/mol 由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。 （3） 脱碳过程 粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。 一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗苯菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。（4）气体精制过程 (少量一氧化碳的脱除) 经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-190左右)条件下用液氮吸收分离少量CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。甲烷化反应如下： CO+3H2CH4+H2O， H=-206.2kJ/mol CO2+4H2CH4+2H2O, H =-165.1kJ/mol 3）压缩和合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下： N2+3H22NH3(g) ,H=-92.4kJ/mol 2. 天然气蒸汽转化制气过程的基本原理与工艺流程如何？能量利用特点如何？答：基本原理及工艺流程：天然气制氢由天然气蒸汽转化制转化气和变压吸附(PSA) 提纯氢气(H2)两部分组成，压缩并 脱硫后天然气与水蒸汽混合后，在镍催化剂的作用下于820950将天然气物质转化为氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的转化气，转化气可以通过变换将一氧化碳(CO)变换为氢气(H2)，成为变换气，然后转化气或者变换气通过变压吸附(PSA)过程，得到高纯度的氢气(H2)。能量利用特点：天然气蒸汽一段转化技术，适合中小规模的制氢。 天然气蒸汽一段转化串接纯氧二段转化技术，适合于中大规模的制氢。 天然气两段换热式转化技术，适合中等规模的制氢技术。 天然气部分氧化制氢，适合大规模的制氢。 焦炉气部分氧化制氢，适合焦炉气资源丰富的地效率比电解水高。3. 脱硫的主要方法有哪些？改良ADA法脱硫的主要化学反应和脱硫原理是什么？吸收和再生的工艺流程和工艺条件如何？答：主要方法有1）干法脱硫，（1）氧化锌法脱硫；（2）钴钼加氢脱硫法；2）湿法脱硫（化学吸收法，物理吸收法，化学-物理综合吸收法），（1）改良ADA法ADA法脱硫主要化学反应及脱硫原理：（1）在脱硫塔中用PH为8.5-9.2的稀碱溶液吸收硫化氢并生成硫化氢物：液相中的硫化氢物进一步与偏钒酸钠反应，生成还原性焦性偏钒酸钠盐并析出无素硫还原性焦性偏钒酸钠盐接着与氧化态ADA反应，生成还原态的ADA和偏钒酸盐 还原态的ADA被空气中的氧气氧化成氧化态的ADA，其后溶液循环使用吸收和再生的工艺流程和工艺条件： PH值 PH值上升，Na2CO3浓度上升，对吸收硫化氢有利；但NaOH浓度增加，对转化成单质硫不利。当PH达到8.8时，H2S吸收基本完成；当PH值再高时，降低碳酸钠的溶解度，影响硫的回收。通常选择8.59.2。 钒酸盐含量 偏钒酸钠浓度过低，容易析出钒氧硫沉淀；偏钒酸钠浓度增加，硫氢化物氧化速度加快。一般应使ADA与偏钒酸盐的当量比为2左右，为25g/L。 ADA用量 ADA作用是将V4氧化为V5，为了加快V4的氧化速率，一般使用510g/L。 酒石酸钠钾用量 其作用是防止钒氧硫沉淀，用量与钒浓度成正比，为偏钒酸钠浓度的0.5倍。 FeCl3及EDTA用量 为了加快ADA(H)的氧化速度和改善副产硫磺的颜色，加入0.050.10g/kg的FeCl3；为了防止Fe3形成Fe(OH)3沉淀，加入鳌合剂二乙醇胺(EDTA)，其浓度为2.7g/kg。 温度 温度上升，可增加吸收和再生的速度，但生成硫代硫酸盐的副反应加速，不利吸收，如图所示；温度太低，盐类的溶解度降低而沉淀，生成的硫磺过于细小；通常控制吸收温度为4050。 压力 加压或常压，取决于流程其它工序的压力要求。 再生空气用量和再生时间 满足ADA需要且使硫呈泡沫状悬浮以便回收，再生时间一般为2530min。工艺流程：含有硫化氢的原料气从脱硫塔底部进入，与塔顶喷淋下的溶液逆流接触，气体中的硫化氢被溶液吸收而脱除，从脱硫塔顶出来送往下一工序。吸收硫化氢后的溶液从脱硫塔底部引出，经循环槽用泵打入再生塔进行再生，空气由塔顶排出，析出的硫泡沫由塔顶的扩大部分上部溢流入硫泡沫槽，用真空过滤机分理出硫磺，滤液返回循环槽。氧化后的溶液再由再生塔顶部扩大部分的下部出口引出，经液位调节器进入脱硫塔循环使用。4. 变换工序主要任务是什么？为什么要分中压变换和低压变换？各部分特点如何？答：主要任务：在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下： CO+H2OH2+CO2 ,H=-41.2kJ/mol ，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。中压变换和低压变换的原因：虽然变换反应是等体积变换，表面上变压好像起不了什么作用，其实，在改良ADA法上，虽然可提高设备的生产强度，减少设备容积，提高气体的净化度。但吸收压力过高，氧在溶液中的溶解度增大，会加快副反应的速度。5.脱碳工序基本原理和流程特点是什么？能量消耗主要在哪个设备上？答： CO2不仅对氨合成反应不利，而且副产CO2还可作为合成尿素的原料或生产食品级CO2，因此必须将其分离出来，称为脱碳。 基本原理：以苯菲尔法脱碳为例，主要化学反应为：CO2(aq)+K2CO3(aq)+H2O(aq)=2KHCO3(aq) 为了提高反应速度和增加碳酸氢钾的溶解度，吸收在较高温度（105-130）下进行，故称热碳酸钾法。流程特点：反应速度快，溶液吸收能力强；流程简单，操作方便；热能合理利用，节省再生能耗；工艺冷凝液的中压汽提；安全可靠，操作灵活。主要分脱碳和再生两部分，再生需要供给很多热量，也是合成氨中耗能的一个较重要部位。故能量消耗主要在再生塔。6. 简述轴向和径向冷激式合成塔的特点。答：向冷激式合成塔的特点：气流方向是轴向的（自下而上或自上而下）；塔中的催化剂层有相当高度，气流阻力大；增加空间速度的同时还要求床层气流阻力不过大；提高净氨值则应使床层温度分布均匀并接近最适宜值，并希望采用小粒度催化剂，而小粒度催化剂又会增大气流阻力，使产量提高受限。径向冷激式合成塔的特点： 较轴向合成塔具有较短的气流路径，较小的床层气流阻力，可增大空速，提高生产能力； 可选用较小的催化剂粒度（1.6-2.6mm），减少内扩散，提高内表面利用率，提高氨净值； 催化剂可均匀还原； 床层压降小，动力消耗小。7. 变换工序的反应原理和主要任务是什么？为什么要分中温变换和低温变换？反应原理：CO+H2O=CO2+H2该反应既能把大部分CO变为易于清除的二氧化碳，而且又制得了等量的氢。主要任务：在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下： CO+H2OH2+CO2 ,H=-41.2kJ/mol ，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。原因：a、由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。B、因平衡变换率随温度升高而降低，但反应速度却随着温度升高而增加，为了既保持较高的反