合成氨岗位任务与工艺原理

1、合成氨岗位任务与工艺原理第一节 岗位任务由压缩机七段（六段）出口总管送来的合格精炼 气，在高温高压下，借助催化剂的作用，进行化合反 应生成氨，经冷凝分离得到液氨，液氨送尿素车间生 产尿素，部分液氨送有关岗位氨冷器，汽化后去冷冻 岗位循环使用，合成放空气经提氢岗位回收后，氢气 回压缩机四段加压后返回系统重复利用，尾气与净氨 后的氨贮槽解吸气混合送造气吹风气回收燃烧炉助 燃。第二节 基本原理1氨合成的生产原理氨合成反应的化学方程式：F N2 + 3H22NH3 + Q氨合成反应的特点： 可逆反应 放热反应： A标准状况下（25 C） 101325KPaB每生成1mol NH 3放出46.22KJ

2、热量 体 积 缩 小 的 反 应 ：3 摩 尔 氢 与 1 摩 尔 氮 生 成 2 摩 尔 氨，压力下降 必需有催化剂存在才能加快反应2 氨 合 成 反 应 的 平 衡氨合成反应是一个可逆反应，正反应与逆反应同 时进行，反应物质浓度的减少量与生成物质浓度的增 加量达到相等，氨含量不再改变，反应就达到一种动 态平衡。从平衡观点来看：提高反应温度，可使平衡向吸 热反应方向移动，降低温度向放热方向移动。3 氨 合 成 反 应 速 度 及 影 响 合 成 反 应 的 因 素 反应速度是以单位时间内反应物浓度的减少或生 成物浓度的增加量来表示的。影响氨反应速度的因素：3.1 压 力 ：提 高 压 力 可

3、以加 快 氨 合 成 的 速 度 ，提 高 压 力 就是提高了气体浓度，缩短了气体分子间的距离，碰 撞机会增多，反应速度加快。3.2 温 度 ：温 度 提 高 使分子 运 动 加 快 ，分 子 间 碰 撞 的 次 数增加，又使分子克服化合反应时阻力的能力增大， 从而增加了分子有效结合的机会，对于合成反应当温 度升高，加速了对氮的活性吸附，又增加了吸附氮与 氢的接触机会，使氨合成反应速度加快。3.3 反 应 物 浓 度 ：反 应物浓 度 的 增 加 ，增 加 了 分 子 间 碰 撞的机会，有利于加快反应速度。归纳起来如下：反 应 过 程 必 须 在 高 压 下 进 行 ，压 力 越 高 ，越 有

4、 利 于 氨合成反应的平衡和速度。反应温度对氨合成反应平衡和速度的影响互相制 约。混 合 气 中 氮 和 氢 的 含 量 越 高 越 有 利 于 反 应 ，惰 性 气 体越少越好。3.4 催 化 剂 的 影 响 ： 催化剂又称触媒，它在化学反应中能改变物质反应 速 度 ， 而 本 身 的 组 成 和 质 量 在 反 应 前 后 保 持 不 变 。 催化剂的主要作用是降低反应的活化能， 加快反应 速度， 缩短达到反应平衡的时间。 既然温度对合成氨反应平衡和速度的影响互相矛 盾， 就存在一个最佳的温度， 反应速度对温度的要求 是借助于催化剂实现的。4 合成催化剂的组成和结构 铁系催化剂活性组分为金

5、属铁， 未还原前为 FeO 3+和 Fe?03, Fe2+/ Fe 在 0.47-0.57 之间，可 视为 FesO4 具有尖晶石结构。作为促进剂的成份有 K2O 、CaO、 MgO 、 Al 2O3、 SiO 2 等 。Al 2O3 的 作 用 是 当 催 化 剂 用 氢 还 原 时 ，氧 化 铁 被 还 原 成 a-Fe, 未 被 还 原 Fe3O4 保 持 着 尖 晶 石 结 构 起 到 骨 架 作用，防止铁细晶长大，因而增大了催化剂表面，提 高了活性。MgO的作用与Al 2O3相似，也是结构型促进剂， 通过改善还原态铁的结构而呈现出促进作用。CaO 为电子型促进剂， 同时能降低熔体的熔

6、点和 粘 度 ， 有 利 于 Al 2O3 与 Fe3O4 固 熔 体 形 成 ， 还 可 以 提 高催化剂的热稳定性。K2O 为电子型促进剂， 它可以使金属电子逸出功 降低， 有助于氮的活性吸附， 从而提高其活性。Si02具有中和K2O、CaO碱性组分的作用。SiO2 还具有提高催化剂抗水毒害和耐烧结性能， 通常制成 的催化剂为黑色不规则颗粒， 有金属光泽。 还原态催 化剂的内表面积为4-16 m2 /g ，催化剂的活性温度一 般为350-550 C之间。5 催化剂的还原Fe2O3和FeO并不能加快氨合成的反应速度，真 正起催化作用是具有活性的 a-Fe 晶粒。5.1 还 原 方 法 分 类

7、 ：将 Fe2O3 和 FeO 变成金属 a-Fe 是催化剂还原过 程。 催化剂活性不仅与其组成和制造方法有关， 而且 还与还原过程的条件和控制方法有关。催化 剂还原反应式为： Fe3O4+4H 2=3Fe+4H 2OH 298 = 149.9kj/mol触媒整个还原过程为吸热反应，还原温度借助于 电 加 热 维 持 ，随 着 还 原 的 进 行 ，催 化 剂 开 始 具 有 活 性 ， 并伴有氨生成和放热。 催化剂还原也可在塔外进行，即预还原，预还原有以 下优点：（ 1 ）不 受 热 能 、塔 结 构 和 氨 生 成 的 影 响 ，避 免 了 合 成塔 内 不 适 宜 的 还 原 条 件 对

8、 催 化 剂 活 性 的 损 害 ，使 催 化 剂 得 以 在 最 佳 条 件 下 进 行 还 原 ，有 利 于 提 高 催化剂的活性。（2）缩短合成塔的升温还原时间，有利于强化生产。 预还原后的催化剂，需用少量含02气体加以钝 化保护才能转移至合成塔。5.2 还 原 条 件 的 确 定确定还原条件的原则：一方面是使Fe3O4和FeO 充分还原为 a-Fe， 另一方面是还原生成铁结晶不因重 结晶而长大， 以保证有最大的比表面积和更多的活性 中心， 宜选取合适的还原温度， 压力， 空速和还原气 组成。还原温度的控制对催化剂活性影响很大，提高还 原温度能加快还原反应速度，缩短还原时间。还原温 度

9、过 高 会 导 致 a-Fe 晶 体 长 大 ，催 化 剂 表 面 积 减 小 ，活 性降低。因此，在实际还原温度不超过它的正常使用 温度。还原气中氢含量尽可能高（> 75%）水汽浓度尽 可能低（ <2g/m 3） 水汽浓度的高低对催化剂的活性影 响很大，尽可能采用高空速以保证还原气中 的低水汽 含量。 在保证空速的前提下，还原压力低些为好。5.3 催化剂的还原操作根据塔型号、催化剂还原分为分层还原和整体还 原两种：根据温度变化、出水情况将整个还原分为升温阶 段，还原期（ 初期、主期、未期） 降温期、轻负荷等 几个阶段。升温期按40-50 °C /小时，迅速将催化剂 升温至300 C左右，此时基本无水放出。还原期根据出水情况提温，出水与提温交替进行。 初期为吸附水， 主期为