合成氨工艺与设备
合成氨工艺流程设计与参数优化
合成氨工艺流程设计与参数优化随着全球经济的发展和人们的生活需求日益增长，合成氨作为一种重要的化工原料在农业、化肥、医药等领域扮演着重要的角色。
合成氨的生产工艺流程设计和参数优化对于提高生产效率、降低能源消耗，具有重要意义。
本文将重点介绍合成氨工艺流程设计和参数优化的相关内容。
一、合成氨工艺流程设计合成氨工艺流程设计是指从氮气和氢气出发，通过一系列反应和分离步骤，最终将它们转化为合成氨的过程。
具体的工艺流程设计包括以下几个关键步骤：1. 原料准备：合成氨的主要原料为氮气和氢气，需要保证其纯度和供应稳定性。
在工艺流程设计中，需要考虑如何选择合适的原料供应商，并确保原料的充分净化和脱氧处理。
2. 反应器设计：合成氨的反应器是实现氮气和氢气转化为合成氨的核心设备。
反应器设计的关键是确定合适的反应温度、压力和催化剂使用量。
通过反应器的合理设计，可以提高反应的转化率和选择性。
3. 分离纯化：在合成氨工艺中，由于反应产物中还会含有一些未反应的氮气和氢气等杂质，需要通过分离纯化步骤将其去除。
分离纯化的方法包括压缩、冷却、吸附等。
4. 副产物处理：在合成氨的工艺流程中，还会产生一些副产物，如水和二氧化碳等。
这些副产物需要进行回收利用或者处理，以减少对环境的影响。
二、合成氨工艺参数优化为了提高合成氨工艺的效率和经济性，需要对工艺参数进行优化调整。
下面列举几个常见的参数优化方法：1. 温度的优化：反应温度是合成氨反应速率的重要影响因素。
通过合理调整反应温度，可以提高反应的转化率和选择性，降低能源消耗。
2. 压力的优化：反应压力对合成氨反应的平衡位置和反应速率都有影响。
适当增加反应压力可以提高反应速率，但过高的压力也会增加设备的成本和能耗。
因此，需要根据实际情况进行合理的压力优化。
3. 催化剂的选择和用量：催化剂在合成氨反应中具有重要作用。
合理选择和控制催化剂的用量，可以提高反应的转化率和选择性。
此外，还需要考虑催化剂的寿命和再生等问题。
合成氨生产工艺流程
合成氨生产工艺流程合成氨是一种重要的化学原料，在许多行业中被广泛应用。
本文将介绍合成氨的生产工艺流程，以及其中涉及到的化学反应和工艺设备。
生产工艺流程合成氨的生产工艺流程可以分为以下几个步骤：1.准备原料：其中主要原料是氢气和氮气，同时需要一定的催化剂。
2.压缩空气：将空气压缩到一定程度，将其中的氧和氩排除掉，以保证原料中的氮气含量高达99%以上。
3.合成反应：在特定的反应器中，将氢气和氮气进行反应，并通过催化剂加速反应过程，生成合成氨。
该反应通常采用哈伯-卡西反应。
4.分离纯化：将合成氨从反应器中分离出来，并通过分离纯化设备进行纯化。
5.尾气处理：将反应器中剩余的气体进行处理，通常采用吸收、脱附等方法，以减少尾气对环境的污染。
化学反应哈伯-卡西反应是合成氨生产的核心化学反应，其化学方程式为：N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)该反应是一个可逆反应，所以产物中可能存在一定量的氮气和氢气。
催化剂通常采用铁-铝-钾等复合催化剂，以加速反应并提高反应的选择性。
工艺设备在合成氨生产过程中，涉及到以下几个主要的工艺设备：1.压缩机：用于将氧、氩等杂质气体排除，将气体压缩。
2.反应器：用于进行哈伯-卡西反应，通常采用固定床反应器，反应器内填充着催化剂。
3.分离塔：用于从反应器中分离出合成氨。
4.吸收塔：用于处理反应器中剩余的尾气。
合成氨是一种十分重要的化学原料，其生产工艺流程麻烦且多种化学反应涉及其中，因此需要一系列的工艺设备来完成整个生产过程。
哈伯-卡西反应是该生产过程的核心反应，通过复合催化剂加速反应过程并提高反应的选择性。
通过合理的工艺流程设计和设备选型，能够实现高效、稳定的合成氨生产。
合成氨工艺与设备培训课件(ppt 45张)
3、各工段工艺及设备-脱硫工段
反应原理： 1）吸收：半水煤气中的酸性气体H2S被碱性溶液（Na2CO3）吸收生 成NaHS和NaHCO3,其反应方程式如下： 碱的溶解 (Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH/NaHCO3+H2O→NaOH+H2 O+CO2 ） Na2CO3＋H2S→NaHS+NaHCO3 /H2S+NaOH→NaHS+H2O NH3+H2S→NH4HS（氨水脱硫） 2）再生：溶液中的HS-被氧化析出硫(催化剂作用下)： NaHS+O2=NaOH+S↓ NH4HS+O2→NH3+S↓+H2O
2、工艺流程-氨的生产原料
合成氨生产的原料： 氮气来自空气，氢气来自原料气制取，原 料有固体（煤、焦炭等）、液体（石脑油、重 质油等）和气体（天然气、焦炉气等）三种。 小氮肥一般以煤为原料。
2、工艺流程-小氮肥工艺流程
液 氨 精炼 粗甲醇
PC脱碳
电机
产 品 粗 醇
CO2气
PSA脱碳
尿素
产 品 尿 素
1、基本概念-合成氨
为什么要合成氨？
① 制造氮肥和复合肥料（化肥加工）：占80～90%， 主要品种有尿素、碳铵、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵 等氮肥，以及磷酸一铵、磷酸二铵和NPK复合肥等含 氮复合肥。 ② 作为工业原料和氨化饲料：用量约占世界产量的10 ％。各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚 氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原 料生产。其他如纯碱、硝酸、甲铵、冶金、医药、 石油加工等； ③ 液氨作为制冷剂在冷冻行业也得到广泛应用。
3、各工段工艺及设备-脱硫工段
为什么脱硫？
年产十万吨合成氨变换工艺和设备设计核算参考
5、工艺流程
本设计主要是变换工序的工艺设计，所选流程为：
H2O
原料气
饱
和
热
水
塔
中
温 变
换热器
换
炉
低 变换气 温 变 换 炉
选用中串低工艺。从压缩工段来的变换气进入饱和
热水塔，在饱和塔出口加入水蒸汽使汽气比达3-5，以 后
再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到3%以下。
再通过换热器将转换气的温度降到180℃左右，进入低
物量在设备里无物量的变化。
水带入热Q1=XCpT 变换气带入热Q2=nCpmT 同理求得变换气带出热Q3；水带出热Q4。 热量平衡：0.96×(Q1+ Q2)= Q3+ Q4 则X=288.305koml
中变炉一段催化床层的物料衡算
假设CO在一段催化床层的实际变换率为60％ 求出在一段催化床层反应后剩余各组分的量 得到出中变炉一段催化床层的变换气干组分的含 进而求得出中变炉一段催化床层变换气湿组分含 量 出中变炉一段催化床层的变换气湿组分的含量 根据：Kp=（H2％×CO2％）/（H2O％×CO％） 计算得Kp，查出对应温度t
主换热器的物料与热量的计算
进出设备的变换气的量：190.97kmol 进出设备的水的量： Xkmol
变换气进设备的温度： 365℃ 变换气出设备的温度： 250℃
水进设备的温度： 水出设备的温度：
20℃ 90℃
变换气带入热Q1=nCpmT；水带入热Q2=XCpT 同理求变换气带出热Q3水带出热Q4 0.96×（Q1+Q2）=Q3+Q4
低变炉的物料计算
要将CO％降到0.2％（湿基）以下，
由CO实际变换率为：Xp=
Ya Ya
国内典型合成氨装置工艺介绍
国内典型合成氨装置工艺介绍合成氨是一种重要的化工原料，广泛应用于化肥生产、化纤生产、农药生产和石油加工等行业。
国内典型的合成氨装置工艺可以分为三个主要步骤：气体制备、催化反应和分离纯化。
1.气体制备气体制备是合成氨装置的第一步，通常使用天然气和空气作为原料。
首先，天然气经过净化、压缩、预热和加热等处理后，进入转化炉。
在转化炉中，天然气与蒸汽在催化剂的存在下进行催化转化，生成主要的合成气体成分，即氢气和一氧化碳。
然后，合成气进一步冷却、除尘和脱硫等处理后，进入氧化器。
在氧化器中，氢气与空气进行反应，生成含有氮气的合成气体。
2.催化反应催化反应是合成氨装置的核心步骤，通常使用铁催化剂。
合成气进入催化转化器，通过高温高压条件下的催化反应，将氢气和氮气转化为氨气。
反应过程中需要控制气体的配比、温度和压力等条件，以实现高效的转化率和选择性。
催化反应的产物是含有氨气、未转化的氢气和一些惰性气体的混合气体。
3.分离纯化分离纯化是合成氨装置的最后一步，主要包括压缩、冷却、净化和纯化等过程。
首先，合成氨混合气体需要经过压缩，增加氨气的浓度。
然后，通过冷却过程，使氨气凝结成液体，同时降低氮气和其他惰性气体的浓度。
接下来，使用吸附剂进行净化，去除残留的氢气、一氧化碳、二氧化碳和其他杂质。
最后，对纯化后的氨液进行蒸馏分离，获得纯度高达99.95%的合成氨。
以上就是国内典型的合成氨装置工艺的简要介绍。
合成氨装置的设计和操作需要考虑许多因素，包括原料质量、催化剂选择、适宜的反应条件和高效的纯化技术等。
随着科技的不断进步，合成氨的装置工艺也在不断优化，以提高产能、降低能耗和减少环境污染。
合成氨工艺流程简介
合成氨工艺流程简介在200MPa的高压和500℃的高温和催化剂作用下，N2+3H2==2NH3,经过压缩冷凝后，将余料在送回反应器进行反应，合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。
世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大部分是合成的氨。
合成氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料。
生产方法生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。
①天然气制氨。
天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1％～0.3％（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为3的纯净气，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。
②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。
③煤（焦炭）制氨。
随着石油化工和天然气化工的发展，以煤（焦炭）为原料制取氨的方式在世界上已很少采用。
用途氨主要用于制造氮肥和复合肥料，氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12％。
硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。
液氨常用作制冷剂。
贮运商品氨中有一部分是以液态由制造厂运往外地。
此外，为保证制造厂内合成氨和氨加工车间之间的供需平衡，防止因短期事故而停产，需设置液氨库。
液氨库根据容量大小不同，有不冷冻、半冷冻和全冷冻三种类型。
液氨的运输方式有海运、驳船运、管道运、槽车运、卡车运合成氨是以碳氨为主要原料, 我司可承包的合成氨生成成套项目, 规模有 4×104 吨/年, 6×104 吨/年, 10×104 吨/年, 30×104 吨/年, 其产品质量符合中国国家标准.1. 工艺路线：以无烟煤为原料生成合成氨常见过程是:造气 -> 半水煤气脱硫 -> 压缩机1，2工段 -> 变换 -> 变换气脱硫 ->压缩机3段 -> 脱硫 ->压缩机4，5工段 -> 铜洗 -> 压缩机6段 -> 氨合成 -> 产品NH3采用甲烷化法脱硫除原料气中CO. CO2 时, 合成氨工艺流程图如下:造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1,2段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机3段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机4,5,6段 ->氨合成 ->产品NH32.技术指标:(1) 原料煤: 无烟煤: 粒度15-25mm 或25-100mm固定75%蒸汽: 压力0.4MPa, 1-3MPa(2) 产品: 合成氨：氨含量（99.8%）残留物含量（0.2%）3. 消耗定额: ( 以4×104 吨/年计算)(1) 无烟煤( 入炉) : 1,300kg(2) 电: 1,000KWH( 碳化流程), 1,300KWH( 脱碳流程)(3) 循环水: 100M3(4) 占地: 29,000M24. 主要设备:(1) 造气炉(2) 压缩机(3) 铜洗(4) 合成塔。
合成氨反应器及工艺流程的模拟计算
合成氨反应器及工艺流程的模拟计算本文旨在介绍合成氨反应器及工艺流程的模拟计算，包括反应器的设计参数、反应动力学模型、热力学模型、传质模型等方面。
同时，本文还将介绍如何利用模拟计算来优化合成氨反应器的工艺流程，提高合成氨的产率和质量。
合成氨反应器是合成氨工艺的核心设备，其设计和运行参数直接影响合成氨的产率和质量。
反应器的设计参数包括反应器的尺寸、反应物进料位置、反应物进料速率、反应物进料温度等。
反应动力学模型是指描述反应速率与反应物浓度、温度等变量之间关系的数学模型。
热力学模型是指描述反应热效应与温度、反应物浓度等变量之间关系的数学模型。
传质模型是指描述反应物在反应器内传输过程的数学模型。
利用模拟计算来优化合成氨反应器的工艺流程，可以通过调整反应器的设计参数、反应动力学模型、热力学模型、传质模型等方面，实现提高合成氨的产率和质量的目的。
具体来说，可以利用模拟计算来优化反应物的进料位置和速率、反应温度、反应物浓度、催化剂活性等方面，从而实现反应条件的最优化。
此外，还可以利用模拟计算来优化反应器的流动状态、溶液循环方式、冷却方式等方面，从而实现反应器的工艺流程的最优化。
总之，合成氨反应器及工艺流程的模拟计算是一项非常重要的工作，可以帮助工程师们优化反应器的设计和工艺流程，提高合成氨的产率和质量，实现工业生产的高效、节能、环保。
合成氨工艺流程及设备
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1、基本概念-合成氨 NH3
什么是合成氨？
性质：无色有辛辣臭味气体，化学式为NH3,分 子量为17.03，沸点-33.35℃ ,熔点-77.7℃ , 比重(液态)0.597。气氨常温加压液化为液氨 （ 25℃— 1.0MPa）,易溶于水,酒精等,溶解 时放出大量的热，氨是一种可燃性气体，氨 与空气混合可以形成爆炸性气体，爆炸极限 为15.5 ～27%。
主要设备:煤气发生炉、旋风除尘器、显热回收器、洗气 塔、蒸汽缓冲罐、夹套汽包、空气鼓风机、煤气气柜 等。
工艺原理：在固体燃料气化过程中，分别通入空气和水 蒸汽制得空气煤气和水煤气,并成为具有一定比例的混 合气体。这种混合气体称之为半水煤气，它是生产合 成氨的基本原料气。
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3、各工段工艺及设备-造气工段
干法是用固体脱硫剂(如氧化铁、活性炭、分子筛 等)将气体中的硫化物吸收除掉；
湿法用碱性物质或氧化剂的水溶液即液体脱硫剂 (如氨水法、碳酸盐法、乙醇胺法、腐酸二磺酸 钠法及砷碱法等)吸收气体中的硫化物。
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3、各工段工艺及设备-脱硫工段
反应原理： 1）吸收：半水煤气中的酸性气体H2S被碱性溶液（Na2CO3）吸收生
③ 液氨作为制冷剂在冷冻行a业也得到广泛应用。 6
1、基本概念-合成氨
怎样合成氨？
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1、基本概念-合成氨
怎样合成氨？
N2+3H2=2NH3+Q
2NH3（液）+CO2（气）CO（NH2）2（液）+H2O（液）+Q
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2、工艺流程-氨的生产过程
合成氨生产的三个过程： ① 原料气的制造（制气），包括原料工段和造 气工段； ② 原料气的净化，包括脱硫、变换、变脱、脱 碳、精炼等工段； ③ 气体的压缩和合成，主要是压缩和合成工段。
硫的危害：
硫化物对合成氨生产有着严重的危害，它对设备和管道有腐蚀作用， 可使变换、甲醇及合成系统的催化剂中毒，还可使铜洗系统的低价铜生成 硫化亚铜沉淀，使操作恶化，增加铜耗。对产品质量产生影响（硫脲-红 尿素；FeS-黑碳铵；黑重碱）
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3、各工段工艺及设备-脱硫工段
脱硫方法的分类： 按脱硫剂的状态可分为干法和湿法两种。
合成氨工艺与设备
宜化化机 崔娟 2016年3月
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❖目 录
1 基本概念
2
合成氨工艺流程简述
3
各工段工艺与设备
4 结束语
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1、基本概念-合成氨 NH3
什么是合成氨？
氮是自然界分布较广的一种元素，氮是植 物生长的第一需要，由于植物只能吸收化合 物中固定状态的氮，因而必须把空气中游离 的氮转变为氮的化合物。
四段 五段
CO2气
PSA脱碳
CO2压缩
煤
原料制棒 脱硫
煤棒 空气
造气
气柜
蒸汽
煤气
一段 二段
4M20-75/31.4压缩机 a
变换
蒸汽
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3、各工段工艺及设备-造气工段
岗位任务：就是将空气和水蒸汽通入固定层煤气发生炉 中,在高温下将固体燃料进行气化制得合格的半水煤气 。（ CO 29%、H2 40%、CO2 8%、N2 21%、 CH41.5%、 O2 0.4%、H2S 0.5-2.0g/m3）
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2、工艺流程-氨的生产原料
合成氨生产的原料： 氮气来自空气，氢气来自原料气制取，原
料有固体（煤、焦炭等）、液体（石脑油、重 质油等）和气体（天然气、焦炉气等）三种。 小氮肥一般以煤为原料。
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2、工艺流程-小氮肥工艺流程
液氨
氨 氨库
合成
精炼
粗甲醇
PC脱碳
醇产 品 粗
素产 尿素 品
尿
电机
六六段段 三段
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1、基本概念-合成氨 NH3
什么是合成氨？
发展简史：
世界上第一个合成氨厂于1913年在德国噢 堡建成，实现了工业化生产（30吨/天） 。
我国第一个合成氨厂上世纪三十年代在永
利公司（就是现在的吉化公司）建成，到
1949年我国合成氨年产量为0.6万吨，2008年
产量达到了4500万吨,占世界总产量的1/3.为
成NaHS和NaHCO3,其反应方程式如下： 碱的溶解 (Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH/NaHCO3+H2O→NaOH+H2 O+CO2 ） Na2CO3＋H2S→NaHS+NaHCO3 /H2S+NaOH→NaHS+H2O NH3+H2S→NH4HS（氨水脱硫） 2）再生：溶液中的HS-被氧化析出硫(催化剂作用下)：
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3、各工段工艺及设备-造气工段
以空气为气化剂制取的空气煤气—粉煤直接气化：荷兰 壳牌技术（鲁奇炉）：
C+O2 CO2+Q ； 2C+O2 2CO ；
C+CO2 2CO-Q ； CO+O2 CO2-Q
以蒸汽为气化剂制取的半水煤气：型煤、间歇式制气 C+O2 CO2+Q （吹风气）供热； C+H2O（g） 2CO+H2 ；
2 C+H2O（g） 2CO2+2H2 ； CO+ H2O（g） CO2+H2
aLeabharlann 153、各工段工艺及设备-脱硫工段
为什么脱硫？
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3、各工段工艺及设备-脱硫工段
为什么脱硫？
不论是以固体原料，还是以天然气、重油为原料制备的氢氮原料
气中，都含有一定成分的硫化物。煤气化半水煤气中硫化物主要 是H2S（90%）,其次是CS2,COS,RSH等有机硫。其含量取决于原料 的含硫量及其加工方法，以煤为原料时，所得原料气中H2S含量一 般为 1～3g/m3，有的高达 8～15g/m3。
煤气发生炉
壳牌炉
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3、各工段工艺及设备-造气工段
流程简述： 向煤气发生炉内交替通入空气和 蒸汽，与炉内灼热的炭进行气化反应，吹风阶 段生成的吹风气根据要求送三气岗位回收热量 或直接由烟囱放空，并根据需要回收一少部分 入气柜，用以调节循环氢，煤气炉出来的煤气 经显热回收、洗气塔冷却和除尘后，在气柜中 混合，然后去脱硫，
世界第一 。
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1、基本概念-合成氨
为什么要合成氨？
① 制造氮肥和复合肥料（化肥加工）：占80～90%，主 要品种有尿素、碳铵、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵等 氮肥，以及磷酸一铵、磷酸二铵和NPK复合肥等含氮 复合肥。
② 作为工业原料和氨化饲料：用量约占世界产量的10 ％。各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚 氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原 料生产。其他如纯碱、硝酸、甲铵、冶金、医药、 石油加工等；