合成氨Word格式.docx

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任务名称

氨合成工段生产线路的选择论证

任务时间

第17、18教学周

任务内容

查询：

1.氨合成方法的选择及理由？

2．氨合成工段的生产原理？

3.氨合成工段的工艺条件及工艺指标？

4.氨合成工段的工艺流程及设备作用？

5.氨合成工段的操作要点？

知识目标

1、理解气固相催化反应的特点、气相冷凝及气相分离的的原理和方法。

2、掌握氨合成的方法及其基本原理、工艺条件的选择及工艺流程的分析。

3、学会分析氨合成操作操作的要点。

技能目标

1、具有编制氨合成工段方案的初步能力；

2、具有识读和绘制氨合成生产工艺流程图的初步能力（要求叙述流程和说出设备作用）。

；

3、具有分析选择氨合成工艺条件的初步能力；

4、具有操作氨合成工段生产的能力

素质目标

具有科学的思维方法和实事求是的工作作风；

具有开拓创新、团队协作精神和团队协助能力

任务实施

学生个人完成

任务课时

课外查阅，课内讨论（2课时），课内汇报

任务结果

1.打印稿，要求按照封面、目录、任务书、前言、主体内容、参考文献顺序装订。

）；

2.提交4号工程图纸绘制的工艺流程图（完成时间：

第18教学周）

学生：

柯长坤；

3311128133

　氨的合成

氨合成的任务是将精制的氢氮气合成为氨，提供液氨产品。

它是合成氨生产的核心部分。

氨合成反应是在较高温度和较高压力及催化剂存在的条件下进行的。

因反应后气体中的氨含量一般只有l0％一20％，所以，氨合成工艺通常采用循环流程

氨合成反应的基本原理

一、氨合成反应的热效应

氨合成反应为

1/2N2＋3/2H2==NH3ΔHӨ298=－46.22kJ/mol（3-1）

合成氨的反应热不仅与温度有关，还与压力和组成有关。

不同温度、压力下，纯氢氯混合气完全转化为氨的反应热可由下式计算：

ΔHF=38338.9+[22.5304+3474.4/T+1.89963×

1010/T3]p

+22.3864T+10.5717×

10-4T2-7.08281×

10-6T3

中ΔHF——纯氢氮混合气完全转化为氨的反应热，kJ/mol

P——压力，MPa；

T——温度．K。

合成氨反应特点：

（1）可逆反应。

即在氢气和氮气反应生成氨的同时，氨也分解成氢气和氮气。

（2）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）体积缩小的反应。

（4）反应需要有催化剂才能较快的进行。

二、氨合成反应的化学平衡

式（3—1）氨合成反应的化学平衡常数Kp可表示为

加压下的化学平衡常数不仅与温度有关，而且与压力和气体组成有关。

当压力在101．33MPa下，化学平衡常数可由下式求得：

合成氨时，当原料组成一定时，平衡常数Kp值随温度降低、压力升高而增大。

三、平衡氨含量及影响因素

已知原始氮氢比为r，总压为p，反应平衡时氨、惰性气体的平衡含量分别为yNH3和yi，则氨、氢、氮等组分的平衡分压分别为：

由上式看出，平衡氨含量是温度、压力、氢氮比和情性气体含量的函数。

1．温度和压力的影响

当r＝3、yi＝0时，式（3—8）可简化为

由上式可知，提高压力，降低温度，Kp数值增大，yNH3随之增大。

2．氮氢比的影响

图3-1给出了500℃时平衡氨含量与氮氢比的关系。

如不考虑组成对化学平衡的影响，氢氮比为3时平衡氨含量具有最大值。

若考虑组成的影响，其值约在2.68—2.90之间。

3．惰性气体的影响

当氢氮混合气含有惰性气体时．就会使平衡氨含量降低。

综上所述，提高压力，降低温度和情性气体含量，适宜的氢氮比，平衡氨含量随之增加。

四、氨合成反应速率

1、反应机理

在催化剂的作用下，氢与氮生成氨的反应是一多相气体催化反应。

由以下几个步骤所组成：

（1）气体反应物扩散到催化剂外表面；

（外扩散过程）

（2）反应物自催化剂外表面扩散到毛细孔内表面；

（内扩散过程）

（3）气体被催化剂表面（主要是内表面）活性吸附（与普通吸附的区别在于有化学力参与在内，并放出热量）；

（化学动力学的过程）

（4）吸附状态的气体在催化剂表面上起化学反应，生成产物；

（5）产物自催化剂表面解吸；

（6）解吸后的产物从催化剂毛细孔向外表面扩散；

（7）产物由催化剂外表面扩散至气相主流。

2、影响反应速率的因素

反应速度--是以单位时间内反应物质浓度的减少量或生成物质浓度的增加量表示。

影响氨合成反应速度因素：

①压力的影响

当温度和气体组成一定时，提高压力，正反应速率增大，逆反应速率减小。

提高压力净反应速率提高。

②氢氮比的影响

反应初期的最佳氢氮比为1，随着反应的进行，氨含量不断增加，欲使rNH3保持最大值，最佳氢氮比应随之增大。

③惰性气体的影响

其它条件一定时，随着惰性气体含量的增加，反应速率下降。

因此惰性气体含量减少，反应速率加快，平衡氨含量提高

④温度的影响

氨合成反应是可逆放热反应，存在最佳温度，具体值由其组成、压力和催化剂的性质而定。

⑤内扩散的影响

实际生产中，由于气体流量大，气流与催化剂颗粒外表面传递速率足够快，外扩散影响可忽略，但内扩散阻力不能忽视，内扩散速率影

响氨合成反应的速率。

氨合成工艺条件

一、压力

提高操作压入有利于提高平衡氨含量和氨合成速率，增加装置的生产能力，有利于简化氨分离流程。

但是，压力高时对设备材料及加工制造的技术要求较高。

同时，高压下反应温度一般较高，催化剂使用寿命缩短。

生产上选择操作压力主要涉及到功的消耗，即氢氨气的压缩功耗、循环气的压缩功耗和冷冻系统的压缩功耗。

实际生产中采用往复式压缩机时，氨合成的操作压力在30MPa左右；

采用蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机,操作压力降至15-20MPa。

二、温度

氨合成反应为可逆放热反应，在最适宜温度下，氨合成反应速率最快，氨合成率最高。

工业生产中，应严格控制两点温度，即床层人口温度（或零米温度）和热点温度。

三、空间速度

空间速率表示单位时间内、单位体积催化别处理的气量。

提高空速虽然增加了合成塔的生产强度，但氨净值降低。

氨净值的降低，增加了氨的分离难度，使冷冻功耗增加。

另外，内于空速提高，循环气量增加，系统压力降增加，循环机功耗增加。

若空速过大使气体带出的热量大于反应放出的热量，会导致催化剂床层温度下降，以致不能维持正常生产。

因此，采用提高空速强化生产的方法不再被推荐。

—般而言，氨合成操作压力高，反应速率侠，空速可高一些；

反之可低一些。

例如30MPa的中压法氨合成塔．空运可控制在20000-30000h-1，315MPa的轴向冷激式合成塔，其空速为10000h-1。

四、合成塔进口气体组成

分成塔进口气体组成包括氢氯比、惰性气体含量和初始氨含量。

最适宜的氢氮比与反应偏离平衡的状况有关。

当接近平衡时，氢氯比为3；

当远离平衡时氢氯比为1最适宜。

生产实践表明，进塔气中的适宜氢氮比在2．8—2．9之间，而对含钴催化剂其适宜氢氮比在2．2左右。

因氨合成反应氢与氮总是技3：

1的比例消耗，所以新鲜气中的氢氮比应控制为3，否则，循环气中多余的氢或氮会逐渐积累．造成氢氮比失调，使操作条件恶化。

惰性气体的存在，无论从化学平衡、反应动力学还是动力消耗的角度分析，都是不利的。

但要维持较低的惰性气体含量需要大量地排放循环气，导致原料气消耗增高。

生产中必须根据新鲜气中惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等综合考虑。

在其他条件一定时，降低入塔氨含量，反应速率加快，氨净值增加，生产能力提高。

但进塔含量的高低，需综合考虑冷冻功耗以及循环机的功耗。

氨合成工段的工艺流程及设备作用

工艺流程：

高压合成气从冷却器5出来后，分两路继续冷却。

一路约50％的气体通过两级串联的氨冷却器6和7．另一路气体与高压氨分离器12来的-23℃气体在冷热交换器9中换热。

两路气体混合后，再经过第三级氨冷器8，利用在—明℃下蒸发的液氨将气体进一步冷却到-23℃，然后送住高压氨分离器。

分离液氨后的气体经冷热换热器和塔前预热器10预热进入冷激式氨合成塔13。

合成塔出口气体，首先进人锅炉给水预热器14塔前预热器降温后。

大部分气体回到压缩机15。

另一部分气体在放空气氛冷却器17中被氨冷却。

经氨分离器18分离液氨后去氢回收系统。

高压氨分离器中的液氨经减压后进入冷冻系统，弛放气与放空气一起送往氢回收系统。

设备作用：

1.甲烷化换热器、水冷器、氨冷器：

降温，冷却。

2.冷凝液分离器：

具有气液分离彻底效果，避免水份的二次蒸发。

3.氨合成塔：

主要作用为催化剂的升温还原,生产不正常时调节炉温

4.离心压缩机：

将气体压力增大或者将气体从一个设备送往另一个设备，使气体的体积缩小，压力增高

5.冷热交换器：

通过换热器达到不同介质的使用温度，无论在任何位置安装只要保证设备可以使用，是没有限制的

6.锅炉：

回收反应的余热

7.高压氨分离器：

经过高压液氨分离气氨

8.放空气氨冷器：

可降温使反应向氨合成方向进行，同时用于是氨液化分离出，使生成物减少，反应右移

9.蒸汽轮机：

沿汽流间隙的叶片间槽道截面相同，蒸汽不再膨胀，而经过排汽管离开汽轮机

10.放空气分离器：

将气体在分离器中被液氨冷却

五．氨合成工段的操作要点

生产操作控制的最终目的：

在安全生产的前提下，强化设备的生产能力，降低原料消耗，使系统安全、稳定、持续、均衡的生产。

氨合成塔的生产操作控制中，各个指标相互影响又互为条件，如何使工艺指标相对稳定、波动小，使系统处于安全、稳定的状态，是一件复杂而细致的工作。

操作人员应首先熟悉系统的工艺情况，并熟知工艺条件之间的内在联系，当一个工艺条件变化时，能迅速准确地进行预见性调节。

氨合成塔的操作应以氨产量高、消耗低和操作稳定为目的，其最终表现在催化床层温度的稳定控制上。

影响温度的主要因素有压力、循环气量、进塔气成分等。

⑴热点温度的控制

对冷激式合成塔，每层催化床都有一热点温度，其位置在催化床的下部，其中以第一催化床的热点温度为最高，其它依次降低？

热点温度能全面反映催化床的情况？

其大小及位置并不是一成不变，它随着负荷、空速和催化剂使用时间的长短而有所改变。

A106型催化剂热点温度：

初期、中期、末期：

480~490℃490~500℃500~520℃

如何正确控制热点温度？

首先要根据合成塔负荷大小和催化剂活性情况，要尽可能维持较低的热点温度？

其次，热点温度要应量维持稳定，其波动范围最好能控制在2~4℃内。

⑵零米温度

催化床层入口温度又称零米温度，是催化剂床层中温度变化最灵敏的点，要略高于催化剂的起始活性温度。

零米温度直接影响催化床层热点温度和整个床层温度分布。

在调节热点温度时，应特别注意零米温度的变化进行预见性的调节。

在催化剂活性好、气体成分正常、压力高的情况下，零米温度可以维持低一些；

反之，零米温度必须维持较高。

⑶催化床层温度调节方法

①调节塔副线

开大副线将增加不经下部换热器预热的气量，降低进入催化床气体的温度，催化床热点温度和整体温度下降。

②调节循环量

关小循环机副线，增加循环量，即增大入塔空速，将使催化床温度下降；

反之，催化床温度将上升。

2.压力的控制

⑴安全生产的前提——严格控制系统操作压力不超压。

当系统超压时，应迅速减少新鲜气的补入量以降低负荷，必要时可打开放空阀，卸掉部分压力。

⑵夏季维持较高的操作压力下运行，以节省冷冻量。

⑶新鲜气量大幅度减少——采取减少循环气量，并适当提高氨冷器温度，使压力不至于过低，以维持合成塔温度的稳定。

⑷调节压力的速率——0.2~0.4MPa/min。

3.进塔气体成分的控制

⑴进塔气体中氨含量越低，对氨合成反应越有利。

进塔气体中氨含量——氨冷器中液氨蒸发温度。

⑵新鲜气中氢氮比的波动会对床层温度、系统压力及循环气量等产生一系列影响。

一般进塔气体中氢氮比控制在2.8~2.9。

当进塔气体中氢氮比偏高时，使反应条件恶化——温度下降、压力增高、生产强度下降。

调整措施——采取减小循环气量或加大放空气量的办法。

⑶循环气中惰性气体含量——放空气量。