合成氨生产工艺及其意义样本

论文名称合成氨生产工艺及其意义摘要氨是重要无机化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%氨用来生产化学肥料，20%作为其他化工产品原料。国内合成氨装置诸多，但合成氨装置控制水平都比较低，大某些厂家还停留在半自动化水平，靠人工控制也不少，普遍存在问题是：能耗大、成本高、流程长，自动控制水平低。这种生产状况下生产产品成本高，市场竞争力差，因而大某些化肥行业处在低利润甚至处在亏损状态。为了变化这种状态，除了变化比较落后工艺流程外，实现装置生产过程优化控制是行之有效办法。合成氨生产装置是国内化肥生产基本，提高整个合成氨生产装置自动化控制水平，对当前国内化肥行业状况，只有进一步稳定生产减少能耗，才干减少成本，增长效益。而实现合成氨装置优化是投资少、见效快有效办法之一。合成氨装置优化控制意义是提高整个合成氨装置自动化水平，在既有工艺条件下，发挥优化控制优势，使整个生产长期运营在最佳状态下，同步，优化系统应用还能节约原材料消耗，减少能源消耗，提高产品合格率，增强产品市场竞争能力。核心字 合成氨农业化学肥料意义目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 2核心字 2目录 3正文 4一前言 41.1物理性质 41.2化学性质 4二合成氨工业产品用途 52.1氨气用途 52.2氨水用途 5三合成氨生产工艺及影响因素 53.1原料气制备 53.1.1一氧化碳变换过程 63.1.2脱硫脱碳过程 63.1.3气体精制过程 63.1.4氨合成 73.2影响合成氨因素 73.2.1温度对氨合成反映影响 73.2.2压力对氨合成反映影响 73.2.3空速对氨合成反映影响 73.2.4氢氮比对氨合成反映影响 8四.合成氨工艺流程图 8五．研究现状 8六.发展趋势 96.1原料路线变化方向 96.2节能和降耗 106.3产品联合生产 107.1合成氨对农业意义 107.1.1提高粮食产量 107.1.2提高土壤肥力 107.1.3发挥良种潜力 117.1.4补偿耕地局限性 117.2合成氨对工业生产意义 117.3合成氨对其她行业意义 12致谢 13参照文献 14正文一前言合成氨是化工重要构成某些，在国民经济中有相称重要位置。氨是化学工业重要原料之一，用途十分广泛。以氮和氢为原料合成氨，是当前世界上采用最广泛，也是最经济一种办法。氨用途很广。以氨为重要原料可以制造各种氮素肥料和复合肥料。氨自身就是一种高效肥料，液氨含氮82.3%，某些国家已大规模直接施用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业基本，对农业增产起着十分重要作用。解放前中华人民共和国只有两家规模不大合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而达到7021.9万吨，成为世界上产量最高国家。中华人民共和国引进了一批年产30万吨氮肥大型化肥厂设备。中华人民共和国自行设计和建造上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。改革开放以来，国内合成氨工业发展不久，产量不断增长，在原料气制造方面，基本掌握了煤、油、气不同原料气化技术。为了满足国内社会主义建设发展需要，在发展煤炭加工业同步，还积极开发石油和天然气资源，开展综合运用，逐渐扩大了合成氨工业原料来源。近年来，由于透平式离心压缩机和电子计算机自动控制等新技术应用，使国内合成氨工业朝当代化方向迈进了一步。但是，单位氨产量能量消耗、劳动生产率等方面和工业发达国家相比仍有较大差距。但是人均化肥产量（吨/人·年）和单位种植面积施肥量依然较低。合成氨工业迅速发展，也增进了高压、催化、特殊金属材料、固体燃料气化、低温等科学技术发展。同步尿素甲醇合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业基本上发展起来。因此合成氨工业在国民经济中占有十分重要地位，氨及氨加工工业已成为当代化学工业一种重要部门。1.1物理性质无色气体,有刺激性恶臭味。分子式NH3。分子量17.03。相对密度0.7714g/l。熔点-77.7℃。沸点-33.35℃。自燃点651.11℃1.2化学性质蒸气与空气混合物爆炸极限16～25%(最易引燃浓度17%)。氨在20℃水中溶解度34%,25℃时,在无水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物良好溶剂水溶液呈碱性,0.1N水溶液PH值为11.1。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇热、明火,难以点燃而危险性较低；但氨和空气混合物达到上述浓度范畴遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其他可燃性物质存在,则危险性更高。与硫酸或其他强无机酸反映放热,混合物可达到沸腾。不能与下列物质共存:乙醛、丙烯醛、硼、卤素、环氧乙烷、次氯酸、硝酸、汞、氯化银、硫、锑、双氧水等。二合成氨工业产品用途2.1氨气用途工业上用氨气来通过氧化制造硝酸，而硝酸是重要化工原料。还可以制造化肥。2.2氨水用途a.氨水是实验室重要试剂b.军事上作为一种碱性消毒剂，用于消毒沙林类毒剂。惯用是10%浓度稀氨水（密度0.960），冬季使用浓度则为20%。c.无机工业用于制选各种铁盐。d.毛纺、丝绸、印染等工业用于洗涤羊毛、呢绒、坯布，溶解和调节酸碱度，并作为助染剂等。e.有机工业用作胺化剂，生产热固性酚醛树脂催化剂。f.医药上用稀氨水对呼吸和循环起反射性刺激，医治晕倒和昏厥，并作皮肤刺激药和消毒药。g.也用作洗涤剂、中和剂、生物碱浸出剂。还用于制药工业，纱罩业，晒图等。三合成氨生产工艺及影响因素3.1原料气制备将煤和天然气等原料制成含氢和氮粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，普通采用气化办法制取合成气；渣油可采用非催化某些氧化办法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中运用二段蒸汽转化法制取合成气。净化，对粗原料气进行净化解决，除去氢气和氮气以外杂质，重要涉及变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。3.1.1一氧化碳变换过程在合成氨生产中，各种办法制取原料气都具有CO，其体积分数普通为12%～40%。合成氨需要两种组分是H2和N2，因而需要除去合成气中CO。变换反映如下：CO+H2OH→2+CO2=-41.2kJ/mol0298HΔ[2]由于CO变换过程是强放热过程，必要分段进行以利于回收反映热，并控制变换段出口残存CO含量。第一步是高温变换，使大某些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。因而，CO变换反映既是原料气制造继续，又是净化过程，为后续脱碳过程创造条件。3.1.2脱硫脱碳过程各种原料制取粗原料气，都具有某些硫和碳氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂中毒，必要在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料某些氧化法，依照一氧化碳变换与否采用耐硫催化剂而拟定脱硫位置。[3]工业脱硫办法种类诸多，普通是采用物理或化学吸取办法，惯用有低温甲醇洗(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。原料气经CO变换后来，变换气中除H2外，尚有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥重要原料。因而变换气中CO2脱除必要兼顾这两方面规定。普通采用溶液吸取法脱除CO2。依照吸取剂性能不同，可分为两大类。一类是物理吸取法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸取法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。3.1.3气体精制过程经CO变换和CO2脱除后原料气中尚具有少量残存CO和CO2。为了防止对氨合成催化剂毒害，规定CO和CO2总含量不得不不大于10cm3/m3(体积分数)。因而，原料气在进入合成工序前，必要进行原料气最后净化，即精制过程。当前在工业生产中，最后净化办法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法重要是液氮洗法，是在深度冷冻(<-100℃)条件下用液氮吸取分离少量CO，并且也能脱除甲烷和大某些氩，这样可以获得只具有惰性气体100cm3/m3如下氢氮混合气，深冷净化法普通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反映生成CH4和H2O一种净化工艺，规定入口原料气中碳氧化物含量(体积分数)普通应不大于0.7%。甲烷化法可以将气体中碳氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cmCO+3H2→CH4+H2O=-206.2kJ/mol0298HΔCO2+4H2→CH4+2H2O=-165.1kJ/mol0298HΔ3.1.4氨合成将纯净氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂作用下合成氨。氨合成是提供液氨产品工序，是整个合成氨生产过程核心某些。氨合成反映在较高压力和催化剂存在条件下进行，由于反映后气体中氨含量不高，普通只有10%~20%，故采用未反映氢氮气循环流程。氨合成反映式如下：N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol3.2影响合成氨因素3.2.1温度对氨合成反映影响氨合成反映是一种可逆放热反映。当反映温度升高时，平衡向着氨分解方向移动；温度减少反映向着氨生成方向移动。因而，从平衡观点来看，要使氨平衡产率高，应当采用较低反映温度。但是从化学反映速度观点来看，提高温度总能使反映速度加快，这是由于温度升高分子运动加快，分子间碰撞机率增长，同步又使化合时分子克服阻力能力加大，从而增长分子有效结合机率[4]总之，温度低时，反映有助于向合成氨方向进行，但是氨合成反映速度较低；提高温度不利于向氨合成方向移动，但反映速度可以增长。在实际生产中反映温度选取重要决定于氨合成催化剂性能。3.2.2压力对氨合成反映影响氨合成反映是一种分子氮与三个分子氢结合生成两个分子氨，即氨合成反映是分子数目减少、体积缩小反映，提高压力，可使反映向着生成氨方向进行。对于氨合成反映来说，提高压力就是提高反映气体浓度，从而增长反映分子间碰撞机会，加快了反映速率。总之，增长压力对氨合成反映是有利，既能增大平衡转化率，又能加快反映速率。但压力也不适当过高，否则，不但增长动力消耗，并且对设备和材料规定也较高。依照国内详细状况，当前在小型合成氨厂，设计压力普通为31.4MPa。[5]3.2.3空速对氨合成反映影响"F&e%W0q9|/C气体与催化剂接触时间长短，通惯用空速来表达。它物理意义是：在原则状况下，单位时间内在1m3催化剂上所通过气体体积。其单位为m3(标)气体/（m3催化剂·h）,或简写为h-1。在一定合成条件下，空速增长，气体与催化剂接触时间减少，出合成塔气体氨含量减少。例如：在29.4MPa、475℃由此看出，增长空间速度可以提高氨产量。但由于空间速度增长，每生产一吨氨所需循环气量，输送气体所需克服阻力等都要增大，因而消耗能量也随之加大。特别是空间速度过大，从合成塔出来气体带出热量增多，会使催化剂床层温度难以控制，并使循环气中氨不易冷凝。在小型合成氨中，普通将空速控制在15000-25000h-1。3.2.4氢氮比对氨合成反映影响一种依照平衡移动原理，如果变化平衡体系浓度，平衡就向削弱这个变化方向移动。[6]氨合成反映进行，是按H2/N2=3：1比例消耗，因而提高氢气、氮气分压，维持H2/N2=3：1可以提高平衡氨含量。从氨合成反映速度可知，在非平衡状态下，恰当增长氮分压对催化剂吸附氮速度有利，由于氮活性吸附是氨合成反映过程控制环节。在普通生产条件下，氨产率只能达到平衡值50%～70%，因而，在生产中应恰当提高氮比例，普通控制循环气中氢氮比在2.2～2.8之间较为适当。四.合成氨工艺流程图CO低温变换CO高温变换粗原料气煤和天然气→→CO低温变换CO高温变换粗原料气煤和天然气气体精制（控制杂质气体含量）湿法脱硫化学吸取法脱出CO2气体精制（控制杂质气体含量）湿法脱硫化学吸取法脱出CO2铜洗（除去残留硫化物）→→→→去硫酸生产（硫化物应用）去化肥加工（添加CO2）↓↓去硫酸生产（硫化物应用）去化肥加工（添加CO2）压缩氮氢混合气体甲烷化法（减少碳氧化物）低温甲醇洗压缩氮氢混合气体甲烷化法（减少碳氧化物）低温甲醇洗法深冷分离法（液氮洗法）→→→→包装和储存（去深加工）包装和储存（去深加工）氨分离（压缩法）氨合成（800℃﹑高压﹑催化剂）→→→五．研究现状解放前中华人民共和国只有两家规模不大合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而达到7021.9万吨，成为世界上产量最高国家。中华人民共和国引进了一批年产30万吨氮肥大型化肥厂设备。中华人民共和国自行设计和建造上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。化学模仿生物固氮重要研究课题之一，是固氮酶活性中心构造研究。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属蛋白质组合而成[4]。铁蛋白重要起着电子传递输送作用，而含二个钼原子和二三十个铁和硫原子钼铁蛋白是络合N2或其她反映物（底物）分子，并进行反映活性中心所在之处。关于活性中心构造有各种看法，当前尚无定论。从各种底物结合物活化和还原加氢实验来看，含双钼核活性中心较为合理。中华人民共和国有两个研究组于1973—1974年间，不约而同地提出了含钼铁三核、四核活性中心模型，能较好地解释固氮酶一系列性能，但其构造细节尚有待依照新实验成果精准化。国际上关于研究成果以为，温和条件下固氮作用普通包括如下三个环节：①络合过程。它是用某些过渡金属有机络合物去络合N2，使它化学键削弱；②还原过程。它是用化学还原剂或其她还原办法输送电子给被络合N2，来拆开N2中N—N键；③加氢过程。它是提供H+来和负价N结合，生成NH3。化学模仿生物固氮工作一种重要困难是，N2络合了但基本上没有活化，或络合活化了，但活化得很不够。因此，稳定双氮基络合物普通在温和条件下通过化学还原剂作用只能析出N2，从不稳定双氮络合物还原制出NH3量相称微少。因而迫切需要从理论上进一步分析，以便找出突破途径。固氮酶生物化学和化学模仿工作已获得一定进展，这必将有力地推动络合催化研究，特别是对寻找催化效率高合成氨催化剂，将是一种有力增进。六.发展趋势6.1原料路线变化方向从世界燃料储量来看，煤储量约为石油、天然气总和10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到注重,但因以天然气为原料合成氨装置投资低、能耗低、成本低缘故,预测到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为重要原料。6.2节能和降耗合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理运用能量上，重要方向是研制性能更好催化剂、减少氨合成压力、开发新原料气净化办法、减少燃料消耗、回收和合理运用低位热能等。当前已提出以天然气为原料节能型合成氨新流程各种，每吨液氨设计能耗可减少到约29.3GJ。[7]6.3产品联合生产合成氨生产中副产大量二氧化碳，不但可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵原料。如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、减少成本。中华人民共和国开发用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺，以及中华人民共和国、意大利等国开发变换气气提法联合生产尿素工艺，均有明显长处。七研究合成氨意义7.1合成氨对农业意义氨作为合成氨工业最后产品，它重要用于生产化肥，从而应用于农业生产，因而合成氨技术对农业生产具备重要意义。7.1.1提高粮食产量据联合国粮食组织（FAO）记录，在1950-1970中，世界粮食总产增长近1倍，其中因谷物播种面积增长10600万公顷，所增长产量占22％；由于单位面积产量提高所增长产量占78％。而在各项增产因素中，西方及日本科学家一致以为，增长化肥要起到40％-65％作用。据张世贤记录（1996），国内从1952-1995年，粮食产量与化肥投入量同步增长，密切有关。20世纪末，国内年生产粮食约5亿吨，年投入化肥约4200万吨。化肥中如按75％投放于粮食作物，并按国内近期公斤化肥养分平均增产粮食7.5kg计，则由化肥增产粮食每年为2.363亿吨，占年粮食总产47.3％。7.1.2提高土壤肥力国内外以上长期肥效实验成果证明，持续、系统施用化肥都将对土壤肥力产生积极影响。持续近年合理施用化肥，土壤有效养分持续增长，作物单产不断提高一种重要证据，对一种地区不同阶段同一种作物，在当季不施肥条件下，其单产呈现不断增长趋势。这是土壤肥力（土壤生产力）持续提高标志。[8]可以以为，所谓培肥土壤或提高土壤肥力，说究竟是提高土壤在无肥条件下生产力，而持续和系统施用化肥和有机肥，则是提高土壤肥力或生产力最有效方式。英国、丹麦、日本等国平均经持续47年长期实验成果为：无肥区、化肥区和有机肥区土壤有机碳含量为1.12％（100％）；1.27％（114％）和1.75（156％）。由中华人民共和国农科院土肥所主持，在国内不同轮作区完毕持续肥效定位实验，获得相似成果。7.1.3发挥良种潜力当代作物育种一种基本目的是哺育能吸取和运用更多肥料养分作物新种，以增长产量，改进品质。因而，高产品种可以以为是对肥料具备高效益品种。例如，以德国和印度各自小麦良种与地方种相比，每100kg产量所吸取养分量基本相似，但良种单位面积养分吸取量是地方种2.0-2.8倍，单产是地方种2.14-2.73倍。小麦育种专家.E.Borlaug屡次强调，肥料对于以品种改良为突破口“绿色革命”具备决定性意义。国内杂交稻推广也与肥料投入量密切有关。据湖南农科院土肥所报告（1980），常规种晚稻随施肥量增长其单产增长不明显，而杂交晚稻（威优6号）则随施肥杂交晚稻较常规晚稻多吸取N21-54kg，P2O51.5-15kg、K2O19.5-67.5kg。因而，肥料投入水平成为良种良法栽培一项核心办法。7.1.4补偿耕地局限性对农业增施化肥，实质上与扩大耕地面积效果相似。例如，按国内近几年化肥平均肥效，每吨养分增产粮食7.5t计，若每公顷耕地平均粮食单产