合成氨5 (2).doc

合成氨合成工段设计方案目 录一、 绪论2二、 工艺流程2三、 合成氨工艺条件3四、 合成氨的催化机理4五、 主要设备5六、 结论8参考文献9一、 绪论合成氨工业诞生于本世纪初，其规模不断向大型化方向发展。德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。合成氨反应式如下：N2+3H22NH3 20世纪初，工业上开发了氰化法和合成氨法生产氨，前者因能耗远大于后者而被淘汰。目前,世界上的氨,除从焦炉气中回收一些外，绝大部分是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。氮气主要来源于空气；氢气主要来源于含氢和一氧化碳的合成气。由氮气和氢气组成的混合气即为合成氨原料气。从燃料化工来的原料气含有硫化合物和碳的氧化物，它们对于合成氨的催化剂是有毒物质，在氨合成前要经过净化处理。德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨的原料可分为固体原料，液体原料和气体原料。经过不断地发展，合成氨技术趋于成熟，形成了以有特色的工艺流程。其工艺流程大都分为三步：即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。二、工艺流程将纯净的氢、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。图1为传统的中压氨合成流程。合成塔4出口气体经水冷器5冷却至常温。其中部分气氨被冷凝，液氨在氨分离器6中分出。为降低惰性气体含量，循环气在氨分离器后部分放空，大部分循环气经循环压缩机7压缩后进入油分离器1，新鲜气也在此补入。然后气体进入冷交换器2的上部换热器管内，回收氨冷器出口循环气的冷量后，再经氨冷器3冷却到10左右，使气体中绝大部分氨冷凝下来，在冷交换器下部氨分离器中将液氨分离。分离了液氨的低温循环气经冷交换器上部换热器管间预冷进氨冷器的气体，自身被加热到1030进入氨合成塔，完成循环过程。三、合成氨工艺条件氨合成的生产工艺条件必须满足产量高，消耗定额低、工艺流程及设备结构简单、操作方便及安全可靠等要求。决定生产条件员主要的因素是操作压力、温度、空间速度、气体组成和催化剂等。1、压力工业上合成氨的各种工艺流程，一般都以压力的高低来分，从化学平衡和化学反应速度的角度看，提高操作压力对氨的合成是有利的。在一定的空间速度下，合成压力越高，氨净值(合成塔出入口氨含量之差)越高，合成塔的生产能力也就越大。氨产率是随着压力的升高而上升的。同时压力高也有利于氨的分离，在较高温度下气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。氨合成压力高，设备紧凑，流程简单，但对设备的材质和制造的要求较高。同时，高压下反应温度较高，催化剂使用寿命短，操作管理也比较困难，因此压力不宜过高。目前我国中小型合成氨厂操作压力大多数采用2032MPa，而采用离心式压缩机的大型合成氨厂的操作压力一般为27MPa。2、温度 氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行，而催化剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性，所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性温度范围内。目前工业上使用的铁催化剂的活性温度范围大体在400525之间。3、空间速度 单位体积催化剂在单位时间内处理的气体量称为空间速度。空间速度大小意味着处理气量的大小，在一定的温度、压力下，增大空间速度，就加快了气体通过催化剂的速度，气体与催化剂接触时间缩短，在确定条件下，出塔气体中氨含量要降低。一般操作压力在30MPa的中压法合成氨，空间速度选择在2000030000m3/h之间。空间速度，处理的气量大，能增大产量，但氨净值有所降低。空间速度过大，氨分离不完全，增大设备负荷，增大动力消耗。4、合成塔入口气体组成 合成塔入口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。从反应平衡的角度来看，当氢氮比接近3时，可获得最大的平衡氨浓度。在实际生产中，进塔循环气的氢氯比控制在2.52.9比较合适。四、合成氨的催化机理1、简述 热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成NH、NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为：xFe + N2FexNFexN +H吸FexNHFexNH +H吸FexNH2FexNH2 H吸FexNH3xFe+NH3 在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335 kJ/mol。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126 kJ/mol167 kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13 kJ/mol。由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。2、催化剂的中毒 催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一旦制成一批催化剂之后，便可以永远使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。接着，催化剂活性在一段时间里保持稳定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂的中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性中毒。相反，含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。催化剂中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理，活性也很难恢复。催化剂中毒会严重影响生产的正常进行。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。5、 主要设备合成塔 氨合成塔（ammonia synthesis converter ）是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反应进行氨合成的设备。氨合成塔是合成氨厂的心脏，是种结构复杂的反应器。 现在工业上氨合成是在压力 15.230.4MPa、温度 400520下进行的，为防止高压、高温下氢气对钢的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体耐高温的内件组成。 现在工业上氨合成是在压力 15.230.4MPa、温度400520下进行的，为防止高压、高 温下氢气对钢材的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体内耐高温的内件组成。 氨合成塔模型 内件外有保温层，操作时进塔的冷气体流过内、外筒间的环隙，从而避免外筒温度过高。这样，外筒只承受高压，可用低合金高强度钢制作。内件虽然是在高温下操作，但是只承受氨合成塔进出口的压力差，可用耐热镍铬合金钢制作。内件包括催化剂筐和换热器两个主要部分，筐内装铁催化剂，氨合成反应在此进行。从催化剂筐出来的热气体温度通常在 460以上，进氨合成塔的冷气体温度根据流程的不同，有的为2030,有的可达140以上。为了使进氨合成塔的气体能加热到反应温度，同时又能冷却反应后气体，在塔内还设有换热器。换热器有列管式、螺旋板式和波纹板式，其中以列管式采用最多。氨合成催化剂在开车之前必须还原（见氨合成）,还原需要提供一定的热量,为此中小型氨合成塔内部装有电加热器，大型氨合成塔则采用塔外设置开工加热炉的办法来解决。在给定的铁催化剂和压力下，氨合成温度不同，反应速度也不同。对于一定的氨含量，氨合成反应速度最大时的温度称为最佳温度，此最佳温度随着氨含量增大而降低。由于氨合成为放热反应，催化剂床层的温度将随着反应进行而不断升高。为使氨合成反应能在接近最佳温度下进行，需要采取措施移走多余的热量。工业上按传热方式区分催化剂筐的类型。 内部换热式又称连续换热式。特点是在催化剂床层中设置冷却管，通过冷却管进行床层内冷热气流的间接换热，以达到调节床层温度的目的。冷却管形式有单管、双套管和三套管之分，根据催化剂床层和冷却管内气体流动方向的异同，又有逆流式和并流式冷却管之分。以并流双套管式氨合成塔为例，气体从塔顶部进入,在环隙中沿塔壁而下,经换热器壳程后到分气盒,分散到各双套管的内冷却管,到管顶折至外冷却管， 氨合成塔示意图气体被预热到铁催化剂的活性温度（通常为 400左右），再流经设有电加热器的中心管。从上而下通过催化剂床层，氮气和氢气在此反应后，出催化剂筐，通过换热器管程降低温度，出合成塔。为控制催化剂床层温度不致过高，有少量气体从冷气旁路管进入塔内，不经换热器壳程，而直接与已经预热的气体混合。 六、结论优点 ： 1、放空气安放位置合理,惰性气体含量高，氨和氢氮含量相对低，减少氨和原料气的合成。2、循环压机位于一、二氨分离器之间、利用气体量少、温度低于压缩温度。3、可以脱除新鲜气中少量CO2和H2O。缺点 ：1、新鲜原料气补充位置安放不合