合成氨合成工段工艺12(编辑修改稿)

合成氨合成工段工艺12(编辑修改稿)内容摘要：

气，经压缩机压缩而进入氨 合成回路，制得产品氨。 以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。 重质油制氨 重质油包括各种深度加工所得的渣 油 ，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置。 空气分离装置制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。 氨合成反应的特点和催化剂 氨合成反应的特点 氨的合成是氨厂最后一道工序，任务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的条件下，将经过精制的氢氮混合气直接合成成氨。 然后将所产的气氨从未 合成为氨的混合气体中冷凝分离出来，得到产品液氨，分离氨后的氢氮气体循环使用。 氨合成的化学反应式如下： 1/2 N2 + 3/2 H2 = NH3 这一化学反应具有如下几个特点： ①该反应是可逆反应：在氯气和氢气反应生成氨的同时，氨也分解成氢气和氮气，前者称为正反应，厅者称为逆反应。 ②该反应是放热反应：在生成氨的同时放出热量反应热与温度、压力有关 ③该反应是体积缩小的反应：从反应式可以看出，由 个分子的氢和 个分子的氮，反应后生成 1 分子的氨，在化学反应过程中，体积减少。 ④反应需要有催化剂 ：实践证明，在没有催化剂存在的条件下，生成氨的反应速度相当缓慢，在 300500℃的条件下，氨合成反应需要若干年才能达到平衡。 但在适当催化剂的作用下，减少了氢氮气化合时所需要的能量，因此大大加快了反应速度。 氨合成铁系催化剂 在工业催化过程中，氨的合成是研究得最多，最深入的典型过程之一。 近年来合成氨工业的进展，很大程度上是由于催化剂质量的提高而取得的，氨合成中的工艺条件也大都取决于所选用催化剂的性质。 可见，催化剂的作用事十分重要的。 通过研究发现，对氨合成反应具有活性的一系列金属中，以铁为主体，并添 加有促进剂的铁系催化剂，价廉易得，活性良好，使用寿命长。 因而铁系催化剂获得了广泛应用。 化学工程系毕业设计（论文） 5 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 + N2→Fe xN NFex +［ H］ 吸 → NHFex NHFex +［ H］吸 →Fe xNH2 FexNH2 ＋［ H］吸→ FexNH3xFe+NH3 铁系催化剂的主要成分是 FeO 和 Fe2O3并加入少量的其他金属氧化物 A12O K2O、 Cao等为 促进剂 (又称助催化剂 )。 催化剂的活性组分是金属铁，而不是铁的氧化物。 因此，使用前在一定的温度下，用氢氮混合气使其还原，即使氧化铁被还原为具有活性的α型纯铁。 催化剂还原反应为： FeO •Fe2O3+4H2=3Fe+4H2O Δ H＝ (kJ mo11) 加入 A12O3 的作用：它能与氧化铁生成 FeO •A12O3晶体，其晶体结构与 FeO •Fe2O3相同。 当催化剂被氢氯混合气还 原时，氧化铁被还原为α型纯铁，而 A12O3不被还原，它覆盖在α Fe 品粒的表面，防止活性铁的微晶在还原时及以后的使用中进一步长大。 这样。 α Fe的品粒间就出现了空隙，形成纵横交错的微型孔道结构，大大地增加了催化剂的表面积，提高了活性。 加入 MgO 的作用与 A12O3有相似之处。 在还原过程中， MgO 也能防止活性铁的微晶进一步长大。 但其主要作用是增强催化剂对硫化物的抗毒能力，并保护催化剂在高温下不致因晶体破坏而降低活性，故可延长催化剂 寿命。 加入 Cao 的作用：为了降低熔融物的熔点和粘度，并使 A12O3易于分散在 FeO •Fe2O3中，还可提高催化剂的热稳定性。 氨合成铁催化剂是一种黑色、有金属光泽、带磁性、外形不规则的固体颗粒。 铁催化剂在空气中易受潮，引起可溶性钾盐析出，使活性下降。 经还原的铁催化剂若暴露在空气中则迅速燃烧，立即失掉活性。 一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、油类、硫化物等均会使铁催化剂暂时或永久中毒。 长时间的含氧化合物中毒亦会造成永久中毒。 各类铁催化剂都有一定的起始活性温度、最佳反应温度和耐热温度。 最佳工艺条件的选择 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、化学工程系毕业设计（论文） 6 气体组成和催化剂等。 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。 从图 2— 6可以看出，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 U=27MPa。 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。 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 2020030000m3/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。 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 ~ 比较合适。 合成氨工艺流程 实现氨合成的循环，必须包括如下几个步骤：氢、氮原料气的压缩并补入循环系统，循环气的预热与氨的合成，氨的分离，热能的回收利用，对未反应气体补充压力并循环使用，排放部分循环气以维持循环气中情性气体的平衡等。 由于采用压缩机的型式、氨分离冷凝级数、热能回收形式以及各部分相对位置的差异，而形成不同的工艺流程。 (1)两次分离液氨产品的典型流程 液氨产品两次分离的流程，即液氨在两个部位 —— 水冷器及氨冷器中冷凝分离。 这类流程按是否副 产蒸汽而分为不副产蒸汽和副产蒸汽两种流程， 化学工程系毕业设计（论文） 7 合成塔出口气体先经水冷却器冷却到一定程度，使其中大部分氨冷凝下来，从第一氨分离器中分出来。 气体随即进入循环压缩机，提高压力并与新鲜气混合后，流入冷交换器和氨冷却器中。 气体中余下的氨在冷却、冷凝、并在第二氨分离器中分出。 分离氨后的气体即进入合成塔。 （ 2）一次分离液氨工艺流程 净化合成气在 38℃和 条件下进入合成气压缩机，合成气由离心式压缩机压缩，合成循环气进入压缩机第二缸中间氏轮，并经最后一段压缩与合成循环中的新鲜原料气相混合。 最后，把所制得的合成氨储存到 罐里或通往其他地方继续加工生产。 高压机 氨冷嚣 冷凝塔气 气换热嚣合成塔 水冷器 分离器新鲜气 新鲜气有液氨的高压混合气 循环气气体 气液混合混合气体循环气 氨氨化学工程系毕业设计（论文） 8 3 工艺过程设计 合成氨厂变换工段为回收变换气的热量以提高进饱和塔的热水温度，需设计一台列管式换热器。 已知：变换气流量为 hkg31010 ,变换气进换热器温度为 C245 ，压力为 .热水流量为 hkg31052 ，热水进换热器温度为 C160 ，压力为。 要求热水 升温 C8。 设变换器出换热器时的压力为。 3． 1 估算传热面积 查取物行数据 水的定性温度为 C 1642)168160(。 M P a89,02)88,( 变换气的平均压。 设变换气出换热器的温度为 C168 ，则变换器的平均温度为 C 5,2062)168245( ，查得水与变换器的物性数据如下： 介质 密度ρ)( 3mkg 比热容)( CkgkJCp  粘度μ).( sPa (。