合成氨合成工段工艺12

目录

1绪论 (1)

1.1怎样固氮 (1)

1.2氨从实验室到工业生产 (1)

1.2.1艰难的探索 (1)

1.2.2哈伯终成正果 (1)

1.3氨工业化后的发展 (2)

2氨的合成 (3)

2.1原料气来源 (3)

2.1.1 煤气的生成 (3)

2.1.2天然气制氨 (3)

2.1.3重质油制氨 (4)

2.3氨合成反应的特点和催化剂 (4)

2.3.1氨合成反应的特点 (4)

2.3.2氨合成铁系催化剂 (4)

2.4最佳工艺条件的选择 (5)

2.4.1压力 (6)

2.4.2温度 (6)

2.4.3空间速度 (6)

2.4.4合成塔入口气体组成 (6)

2.5合成氨工艺流程 (6)

3工艺过程设计 (8)

3．1估算传热面积 (8)

3.1.1查取物行数据 (8)

3.1.2 热量衡算 (8)

3.1.3 确定换热器的材料和压力等级 (8)

3.1.4 流体通道的选择 (8)

3.1.5 计算传热温差 (8)

3.1.6 选K值，估算传热面积 (9)

3.1.7 初选换热器型号 (9)

3.2计算流体阻力 (10)

3.2.1 管程流体阻力 (10)

3.2.2 壳程流体阻力 (10)

3.3计算传热系数，校正传热面积 (11)

3.3.1 管程对流给热系数i (11)

(11)

3.3.2 壳程对流传热系数α

3.3.3 计算传热系数 (11)

3.3.4 计算传热面积 (12)

4节能措施 (14)

5世界合成氨工业近期进展及前景展望 (15)

6总结 (17)

参考文献 (18)

致谢 (19)

1绪论

1.1怎样固氮

氨（Ammonia），分子式NH

3

，1754 年由英国化学家普里斯特利（J.Joseph Priestley）加热氯化铵和石灰石时发现。1784 年，法国化学家贝托雷（C.L.Berthollet）确定了氨是由氮和氢组成的。从那以后很长一段时间，氨的主要来源是氮化物，而氮化物的主要来源是自然界中的硝石矿产。

19 世纪以来，人类步入了现代化的历程。随着农业的发展，氮肥的需求量在不断提高；同时随着工业的突飞猛进，炸药的需求量也在迅速增长。1809 年，在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地；但是面对人类不断膨胀的需求，自然界的生物和矿产资源毕竟有限。然而全世界无论何处，大气的五分之四都是氮，如果有人能学会大规模地、廉价地把单质的氮转化为化合物的形式，那么，氮是取之不尽、用之不竭的。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题，而合成氨，作为固氮的一种重要形式，也变成了19 至20 世纪化学家们所面临的突出问题之一。

1.2氨从实验室到工业生产

1.2.1艰难的探索

氨的合成反应式：N

2+3H

2

=2NH

3

合成氨的化学原理，写出来，不过这样一个方程式；但就是这样一个简单的化学方程式，从实验室研究到最终成功、实现工业生产，却经历了约150 年的艰难探索。在此期间，曾有不少著名的化学家踏上了合成氨的研究之路，但他们的最终结局却都是无功而返。

1795 年，曾有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在50 个大气压下试验，结果都失败了。19 世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向，提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。

1.2.2哈伯终成正果

在合成氨研究屡屡受挫的情况下，德国物理化学家F·哈伯（Fritz Haber）知难而

进，对合成氨进行了全面系统的研究和实验，攻克了这一令人生畏的难题。

由于哈伯和博施的突出贡献，他们分别获得1918、1931 年度诺贝尔化学奖金。其他国家根据德国发表的论文也进行了研究，并在哈伯-博施法的基础上作了一些改进，先后开发了合成压力从低压到高压的很多其他方法（表1-1）。

名称合成压力（MPa) 年份开发国家

哈伯-博施法20.3 1913 德国

克劳德法100.3 1917 法国

卡塞莱法70.9-80.1 1920 意大利

佛瑟法30.4 1921 意大利

蒙特·赛尼斯-伍德法10.1-15.2 1921 德国

氮气工程公司法30.4 1921 美国

表1-1 氨合成方法

到20世纪30年代初，合成氨已经成为世界上广泛采用的制氨方法。20 世纪70 年代以来，合成氨的生产不仅促进了如高压、低温、原料气制造、气体净化、特殊金属冶炼以及催化剂研制等方面的发展，还对一些化学合成工业，如尿素、甲醇和高级醇、石油加氢精制、高压聚合等起了巨大的推动作用。

表1-2 1931～1932年度世界氨产量（以N 计）

来源产量（kt）比例（%）

煤气副产氨水472 15.3

氰化法10 0.3

合成氨法2609 84.4

1.3氨工业化后的发展

自从合成氨工业化后，原料构成经历了重大的变化。

煤造气时期第一次世界大战结束，很多国家建立了合成氨厂，开始以焦炭为原料。

20 年代，随着钢铁工业的兴起，出现了用焦炉气深冷分离制氢的方法。焦炭、焦炉气都是煤的加工产物。为了扩大原料来源，曾对煤的直接气化进行了研究。1926 年，德国法本公司采用温克勒炉气化褐煤成功。第二次世界大战结束，以焦炭、煤为原料生产的氨约占一半以上。

烃类燃料造气时期早在20—30 年代，甲烷蒸汽转化制氢已研究成功。50 年代，天然气、石油资源得到大量开采，由于以甲烷为主要组分的天然气便于输送，适于加压操作，能降低氨厂投资和制氨成本，在性能较好的转化催化剂、耐高温的合金钢管相继

出现后，以天然气为原料的制氨方法得到广泛应用。接着，抗积炭的石脑油蒸汽转化催化剂研制成功，缺乏天然气的国家采用了石脑油为原料。60 年代以后，又开发了重质油部分氧化法制氢。到1965 年，焦、煤在世界合成氨原料中的比例仅占5.8％。从此，合成氨工业的原料构成由固体燃料转向以气、液态烃类燃料为主的时期。

由于高压设备尺寸的限制，50 年代以前，最大的氨合成塔能力不超过日产200t 氨，60年代初不超过日产400t 氨。随着由汽轮机驱动的大型、高压离心式压缩机研制成功，为合成氨装置大型化提供了条件，大型合成氨厂的数目也逐年增多。合成氨厂大型化通常指规模在日产540t 以上的单系列装置。1963 和1966 年美国凯洛格公司先后建成世界上第一座日产540t 和900t 氨的单系列装置，显示出大型装置具有投资省、成本低、占地少和劳动生产率高等显著优点。

2氨的合成

2.1原料气来源

2.1.1 煤气的生成

原料气主要有两部分：氮气、氢气。

氮气主要是从空气中提取。氢气是从半水煤气中提取的，以煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富养空气-水蒸气混合气，经过一系列反应生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、及甲烷等混合气体的过程。在气化过程中所使用的空气、水蒸气或富养空气-水蒸气混合气等称为汽化剂。这种生成的混合气称为煤气。

煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进行汽化的条件。根据所用汽化剂的不同，工业煤气可分为下列四种。

（1）空气煤气：以空气为汽化剂制取的煤气，又称为吹风气。

（2）水煤气：以水蒸气（或水蒸气与氧的混合气）为汽化剂制取的煤气。

（3）混合煤气：以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气，一般作燃料用。

（4）半水煤气：是混合煤气中组成符合（H

2+CO）/N

2

=3.1～3.2的一个特例。可用

蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得，也可用水煤气与吹风混合配制。

本设计采用半水煤气，半水煤气经过净化后得到纯净的氢气，再配制适量的氮气，成为合成氨的原料气。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.3氨合成反应的特点和催化剂

2.3.1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 N

2 + 3/2 H

2

= NH

3

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1.5个分子的氢和0.5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300-500℃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。

2.3.2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。

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 x N

N Fe

x +［H］吸→NH

Fe

x

NH

Fe

x

+［H］吸→Fe x NH2

Fe

x NH

2

＋［H］吸→Fe

x

NH

3

xFe+NH

3

铁系催化剂的主要成分是FeO和Fe

2O

3

并加入少量的其他金属氧化物A1

2

O

3

、K

2

O、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 ΔH＝149.9(kJ·mo1-1)

加入A12O3的作用：它能与氧化铁生成FeO?A1

2O

3

晶体，其晶体结构与FeO?Fe

2

O

3

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A1

2O

3

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A1

2O

3

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A1

2O

3

易于分散在FeO?Fe

2

O

3

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。

2.4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、

气体组成和催化剂等。

2.4.1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。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20-32MPa，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。

2.4.2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400-525℃之间。

2.4.3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20000-30000m3/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。

2.4.4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 2.9

2.5比较合适。

~

2.5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，

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2.5MPa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。

氨

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h kg 31010?,变换气进换热器温度为C ?245，压力为

MPa 9.0.热水流量为h kg 31052?，热水进换热器温度为C ?160，压力为MPa 95.0。要

求热水升温C ?8。设变换器出换热器时的压力为MPa 88.0。 3．1 估算传热面积 3.1.1查取物行数据

水的定性温度为C ?=+1642)168160(。MPa 89,02)88,09.0(=+=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

)(3

m kg 比热容)(C kg kJ Cp ??

粘度μ

).(s Pa ?(

导热系数λ

)(C m W ??

水 变换气 98

.28

.924 96

,0308.4

5

510717.11001.24--??

0783

.0686

.0 3.1.2 热量衡算

热负荷h kj t t C q Q C P c m 79.1)160168(266.41051)(312,,,=-??=-= (()h kj t t C q Q c p c m 6312,,1076.1160168266.41051)?=-??=-=

变换气出口温度 ()

C C q Q T T h p h m ?=???-=-=16996.110101079.124536..12 此2T 值与原设C T ?=1682相近，故不再试算，以上物行数据有效。 3.1.3 确定换热器的材料和压力等级

考虑到腐蚀性不大，合成氨厂该换热器一般采用碳钢材料，故本设计中也采用碳钢材料。本设计中压力稍大于MPa 5.0，为安全设计，采用MPa 0.1的公称压力等级。 3.1.4 流体通道的选择

合成氨厂此换热器中一般是热水走管程，变换气走壳程，这是因为变换气流量比水大得多，走壳程流道界面大且易于提高其α值的缘故。本设计亦采用此管、壳程流体的方案。

3.1.5 计算传热温差

首先计算逆流时平均温差：

考虑到管程可能是2、4程，但壳程数为1。

查图2-29得φ

Δt

=0.89〉0.8 所以两流体的平均温差为：

Δt m =φ

Δt

Δt m ′=0.89×24.68=21.96C ?

3.1.6 选K 值，估算传热面积

根据生产经验，取)(2002C m W k ??= ，则

3.1.7 初选换热器型号

由于两流体温差小于C ?50，故可采用固定管板式换热器。有附录初选G800VI-10-100型换热器，有关参数列表如下：

外壳直径 D 800

管子尺寸 mm φ25×2.5

公称压强 a MP 0.1 管子长度 l m 3 公称面积 m2 100

管数 N 444

管程数 Np 6 管心距t mm

32

管子排列方式

三角形

按上列数据核算管程、壳程的流速及Re ：

管程流通截面积：

管内水的流速：

C

t t t t t m ?=-----=???-?='?68.24160164168

245ln )160164()168245(ln )2

1

21094

.0160245160

1681112=--=--=t T t t P 12.10160

168164

2451221=--=--=

t t T T R 2

3

63.983600

96.21200101055.1m t k Q S m =????=?=2202324.06

444

02.044

m N N d S P i

i =??==ππ

s m S q u i c c

m i /665.002324

.08.9343600105236003

,=???==ρ4

5

1071.510

77.218

.934665.002.0Re ?=???=

=

-c

c

i i i u d μρ

壳程流通截面积：)o c d n D h S -=(0

取24=c n

取折流板间距:

()2

08.0025.0248.04.0400m mmS h =?-?==ο

壳内变换气流速：

当量直径：

3.2 计算流体阻力 3.2.1 管程流体阻力

()2

21

N N F p p

p p t i

?+?=?∑

设管壁粗糙度ε为mm 1.0，则005.0201.0==d ε

41099.4Re ?=i ,查得摩擦系数03.0=λ

()Pa

N N F p p

p p t i

13534164.11611221

=???=?+?=?∑符合一般要求。

3.2.2 壳程流体阻力

()

2

'

2'

1

N N F p p

p p t ?+?=?∑

因为 5001058.3Re 4??=i , 故

2

.234441.11.1===n n c ,

2

2

1i

c i u

d l p ρλ

=?3

,00101011.65/36003600 2.980.08

m h h q u m s

S ρ?===??m

d d t d

e 0202.0025

.0025.04032.0234423422002=????? ???-?=????

??-=

ππππ4

005

11.65 2.980.0202

Re 4.08101.71710

e h

h d u ρμ-??=

=

=??,

2

3

2

2i

c u p ρ=?Pa u

d l p p i c i 16112665.08.934302.03032.02322

21=?????

??+?=???? ??+=?+?ρλ,2)1(2

0010

u N n Ff p h B ρ+='

?,

2

)

/25.3(2

2u D h N p h B ρ-='

?458

.0)1058.3(0.5Re 0.5228.04228

.0

0=?==--o f

管子排列为正三角形排列，取F=0.5 当板数5.61)4.3(1)1(=-=-=h N B 取为7

取污垢校正系数Fs=1.0

()a

Mp o o p 2.6.11438

10.196.55.63420

?=??+=?∑ 故管、壳程压力损失均符合要求。

3.3 计算传热系数，校正传热面积 3.3.1 管程对流给热系数i α 41071.5Re ?=i

3.3.2 壳程对流传热系数α0

壳程采用弓形折流板，故

3.3.3 计算传热系数

取污垢热阻kw C m Rs C m Rs i ?

??=?=20250.0,03.0 以管外面积为基准

2

111.65

0.50.42624(71) 2.988270.26,

2

p Pa '?=???+??=2

20.411.65

7(3.52) 2.983539,

0.82

p Pa '?=?-???=51

.1686

.01001.2410308.4Pr 53=???==

-h

h

ph i C λμ)/(593851.1)1071.5(02

.0686

.0023.0Pr Re 023

.024.08.044

.08

.0C m W d i

i

i

i

i ??=????

==λα626

.00783

.010

5.2109

6.1Pr 5

3

=???==-c c pc C λμ)/(4510.1626.0)109.4(0202

.00783

.036.0Pr Re 36

.023/155.043

/10

55

.00

0C m W d w ??=?????

=???

? ??=μμλα

3.3.4 计算传热面积

所选换热器实际面积为

206.1043025.014.34441m d n S =???==π

2

367.64360096.21303101055.1m t K Q S m =????=?=计需61.17.646.104==需供S S )

/(303451

1

0005.05.2245250025.020250003.020*******

1

1

20

0000C m W Rs d bd d d Rs d d K m i i i i ??=+

+??+?+?=++++=

αλα计

0-I-10-60型换热器主要参数及计算结果

主要参数 计算结果

外壳直径mm 公称压强kg/cm 2 公称面积m 2 管程数 管子排列方式 管子尺寸mm 管长m 管数N 管中心距t mm 管程通道截面积m 2 折流板间距mm 壳程通道截面积mm

600 10 60 1 三角形排列 φ25×2.5

3 269 32 0.0845 600 0．0504

热负荷 kJ/h 传热温差C ? 管内液体流速m/s 管外气体流速m/s 管内液体雷诺数 管外气体雷诺数 管内液体压降 Pa 管外气体压降Pa 管内液体对流给热系数

()C m w ??2

管外气体对流给热系数

(

)

C m w ??2

传热系数计算值()

C m w ??2 传热面积需要值m 2·

1.55×104 36.8 0.160 16.24 1.37×104 5.69×104 140 9643 1.82×103 448

264 44.3

安全系数

以上计算表明，选用6010600---I G 固定管板式列管换热器可用于合成氨变换工

段的余热回收。

所以本次设计使用6010600---I G 固定管板式换热器。

60.0 1.3544.3

S S ==供需

4节能措施

以煤为原料的合成氨的特点是生产能力低，吨氨能耗较高。因此，如何合理、高效利用能源，做好节能降耗工作对合成氨的生产具有重要的意义[9]。

常压造气氨厂工艺的节能措施有：

1、造气炉采用微机液压控制系统。

2、造气用煤合理分配，大、中块造气用，小颗粒及炉渣作为锅炉用煤。

3、设置造气吹风气锅炉，吹除气夹带的可燃成份及本身的热量加以利用。

4、采用全低温变换，加入软水取代蒸汽，节省变换用工艺蒸汽，变换余热加热软水。

用物理吸收。

5、脱CO

2

6、合成选用适当压力的废热锅炉，产生的蒸汽在工艺中使用。

等作为燃料气。

7、合成吹除气用氢回收装置回收氢气，其余CH

4

8、全装置热能综合利用，如合成废热产饱和蒸汽供变换，变换、造气产低压蒸汽供造气，全装置做到蒸汽自给。

综合考虑，在我国已建成的合成氨厂中，大多以煤为原料，且各地根据需求还可能新建一批以煤为原料的装置，近年来合成氨技术发展很快，可供选择的技术很多，应实事求是地根据装置所在地的特点综合考虑，主要应考虑节能降耗、工艺流程，做到配套合理、投资省、操作稳定可靠。

5世界合成氨工业近期进展及前景展望

由于生态和环保的原因，今后发达国家化肥用量将减少，世界合成氨生产能力将缓慢增长。虽然使用“无机”氮的生物农业将会有所发展，但是，在以后的15—20年内，生物技，(如固定氮工艺)还不可能取代合成氨作为化学肥料的主要来源。现今所有的合成氨消费中，只有13％是用在化学和工业应用上，其他87％都用于生产化肥。因此，氮肥的供应还得继续依靠合成氨的生产。近几年来，世界合成氨工业的技术进展主要有以下几方面：

1．英国ICI公司采用LCA工艺流程，在英国的Severance氨厂建了两套并列的产量各为450吨／天，但只有一套公用工程系统的合成氨装置。这种生产规模较小的工厂从某些方面来说，仍是有吸引力和竞争力的，如建3个LCA流程的500吨／天工厂就比建一个日产1500吨的传统世界规模工厂的投资要低些。LCA流程与当今的大型装置流程不同，该法的吨氨能耗为30．1GJ，采用气热转化炉取代通用的转化炉，在隔热管式变换器中进行变换，反应热用于制备原料气与蒸汽的饱和气。变压吸附脱除二氧化碳。用含钴催化剂作氨合成触媒，合成压力为8MPa。

2．美国凯洛格公司对氨厂的某些工艺单元及设备的传统构型进行了改革，开发出了合成氨生产的4种新技术，即用于氨合成回路的KAAP工艺，用于工艺气转化换热的KRES系统，以计算机为基础的氨厂节能降耗动态控指KDAC技术和公用工程蒸汽系统的冷凝液汽提KICS技术。其中KAAP工艺将是未来一个很有前途的氨厂改造方案，其合成压力为7—9．1MPa，采用以石墨为载体，涂钉并用铷盐活化的氨合成催化剂，比通常的催化剂活性高20倍，合成转化率也随之显著提高，能增产40％左右。1992年，采用KAAP 工艺的氨合成塔已在加拿大Ocelot制氨公司的Kismet厂进行了工业化生产。

3．德国伍德公司经二十多年来对工艺效率、工厂安全、能量总消耗等方面连续研究结果，推出了低能耗工艺，并于1991年在德国BASF公司建立了一个日产1800吨的工厂。该厂采用了伍德公司开发的组合自热式转化炉，与传统的二段转炉不同之处在于：转化反应管安装于一个有内衬里的加压设备中，管内装有一段转化催化剂，管下端开口，原料工艺气温度升高到580℃，自上而下通过管内。燃料气经水冷喷嘴加氧并进入燃烧室中，通过调整喷嘴的位置和燃烧室的形状设计，使燃烧室内产生涡流，以保证转化反应稳定进行。转化产生的高温气又用于加热转化管，以节省能源和投资。目前，该新型转化炉的工业示范装置的生产能力已达1.3万h

m/3，加压设备内部装有19根转化管。

虽然合成氨生产技术的更远的改变时是可以预见的，但是，就目前来说，除对氨厂的个别传统工艺程序、催化剂和设备的较小改进外，至少在今后10~15年内，合成氨生产技术还不会发生根本的改变。世界许多合成氨专家对此意见是一致的，并对今后合成氨工业的发展前景作出如下展望：

1．生产规模不会再扩大 80年代世界共建成了110套合成氨装置，平均生产规模为1120吨／天。目前的装置规模多为1500吨／天，1800吨／天的生产也在日益增加。但考虑到规模过大，会造成设备制造和运输、开停车复杂化和长期可靠的原料保证等方面的问题，使整套生产装置的投资费用大幅度上升。今后世界合成氨产量的大部分都将由规模为日产1000~2000吨的工厂所生产。

2．天然气依然是合成氨生产的主要原科目前全世界合成氨的年产量约为1．45亿吨，其中采用原料重油3％，煤和焦13％，天然气84％。从长远来看，原料路线改为油或煤是可以考虑的，但据预测，在未来20年内，合成氨生产原料的情况会维持上述百分比例不变，天然气仍是能被利用的比较好的合成氨生产原料。

3．降低能耗的潜力已基本得到发挥以天然气为原料的合成氨能耗设计值为

27GJ，目前有些生产装置的最低能耗已达28GJ，只比理论值高出20％左右而与设计值相接近。其他几种生产方法，重油或渣油气化法吨氨能耗为35—36GJ，煤气化法的吨氨能耗为45.5GJ，吨氨能耗也都在日渐降低，但不可能再有进一步的显著减少。

4．降低投资和提高操作可靠性问题日益受到重视鉴于节能降耗已无太多的潜力可挖，今后的技术发展将通过减少费用的较小的集成化工艺部分、简化管道系统相仪器仪表、改进催化刑，提高设备的制造和维修质量以及安装先进的自动控制系统来进行，同时也将更加主重采用各种现代化的技术管理手段，来保证生产装置尽量减少停车损失，始终处于良好的运行状态。

6总结

氨的合成反应式：N

2+3H

2

=2NH

3

合成氨的化学原理，写出来，不过这样一个方程式；但就是这样一个简单的化学方程式，从实验室研究到最终成功、实现工业生产，却经历了约150 年的艰难探索。

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

氨合成是将纯净的氢、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%

20

~

%

10，故采用未反应氢氮气循环的流程。氮跟氢化合成氨是一个放热的可逆反应。

工业生产中常用的压强为Pa

105

6001

200?

-，温度为C?

-600

450，用金属铁作催化剂，转化率可提高到约%

8。在实验室里一般是在较低的温度和压强下进行的，只能了解氮气和氢气在催化剂作用下能生成氨气。

增加压力将使反应移向生成氨的方向，提高温度会将反应移向相反的方向，但温度过低又使反应速度过小。

参考文献

1．北京大学研究中心.世界文明百科全书.山西:太原出版社,1992.

2．刘俊兰. 以煤为原料的合成氨工艺选择[J]. 化学工业与工程技术,2000,21(4):16. 3．赵忠祥. 氮肥生产概论.北京:化学工业出版社.1995.

4．朱世勇. 环境与工业气体净化技术.北京.化学工业出版社.2001.

5．史克昕,任毕龙. 影响一氧化碳变换率因素的浅析[J].小氮肥设计技术,2006,27(3). 6．徐跃华. 化工装置节能技术与实例分析.北京:中国石化出版社.2009.

7．周旭美,姚飞编等.合成氨仿真实习教材.北京:化学工业出版社.2006.

8．龚绍英.工业化学.北京:中国轻工业出版社.1998.

9．王瑾.节能型合成氨工艺与技术[J].贵州化工,2008,33(1).

10．汪家铭.世界合成氨工业近期进展及前景展望[J].化工科技动态,1995(7).