合成氨工艺概述初稿.docx

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合成氨工艺概述初稿

云南广播电视大学

云南国防工业职业技术学院

毕业论文说明书

作者

王艺姣

学号

20091108224

学院

化学工程学院

专业

应用化工技术

题目

合成氨工艺概述

讲师

张正惠

指导者：

评阅者：

20112年7月

合成氨工艺概述

摘要：

合成氨工业诞生于本世纪初，其规模不断向大型化方向发展。

德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。

合成氨反应式如下：

N2+3H2≈2NH3

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。

别名：

氨气。

分子

式NH3英文名：

syntheticammonia。

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。

氨是化学工业中产量最大的产品之一，是化肥工业和其他化工产品的主要原料现约有80％的氨用于制造化学肥料，除氨本身可用作化肥外，可以加工成各种氮肥和含氮复合肥料，如尿素、硫酸铵、磷酸铵、氯化铵、硝酸铵等。

可以生产硝酸、纯碱、含氮无机盐等。

氨还被广泛用于有机化工、制药工业、、化纤和塑料工业以及国防工业中。

因此，氨在国民经济中占有重要地位。

关键字：

合成氨工艺流程氮肥原料气

目录

一引言........................................................................................................................4

（一）工艺流程概括...................................................................................................5

（二）氨合成...............................................................................................................5

1氨合成概述...................................................................................................6

2原料气的制备...............................................................................................7

3脱硫工段.......................................................................................................8

3.1基本原理................................................................................................8

3.2加氢转化................................................................................................8

3.3氧化锌脱硫............................................................................................8

3.4甲烷化处理............................................................................................9

3.5主要设备特点........................................................................................9

4碳化工段.....................................................................................................10

4.1碳化工段的基本流程及特点..............................................................10

4.2碳化工段流程图..................................................................................11

4.3碳化设备的主要特点..........................................................................12

5净化合成气的压缩与氨的合成.................................................................13

6碳化工艺.....................................................................................................13

6.1基本原理..............................................................................................14

6.2工艺流程图..........................................................................................14

6.3工艺流程..............................................................................................14

6.4干法脱碳简介......................................................................................15

6.5主要设备特点......................................................................................16

7合成氨工艺.................................................................................................16

7.1氨的主要特点......................................................................................17

7.2合成氨的工艺流程..............................................................................17

7.3合成氨的工艺流程图..........................................................................17

7.4合成氨的工艺条件..............................................................................18

7.5氨的净化与输送.................................................................................19

7.6主要设备特点......................................................................................20

8节能措施......................................................................................23

9世界合成氨工业近期进展及前景展望....................24

10参考文献.......................................................................................24

1引言

氨是一种无色气体，有强烈的刺激气味。

极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。

氨对地球上的生物相当重要，它是所有食物和肥料的重要成分。

氨也是所有药物直接或间接的组成。

氨有很广泛的用途，同时它还具有腐蚀性等危险性质。

由于氨有广泛的用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。

由于氨可以提供孤对电子，所以它也是一种路易斯碱。

20世纪初，工业上开发了氰化法和合成氨法生产氨，前者因能耗远大于后者而被淘汰。

目前,世界上的氨,除从焦炉气中回收一些外，绝大部分是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。

氮气主要来源于空气；氢气主要来于含氢和一氧化碳的合成气。

由氮气和氢气组成的混合气即为合成氨原料气。

从燃料化工来的原料气含有硫化合物和碳的氧化物，它们对于合成氨的催化剂是有毒物质，在氨合成前要经过净化处理。

德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。

反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。

合成氨反应式如下：

N2+3H2≈2NH3

（工艺概括）

尽管氨合成工艺流程各异，但合成基本原理相同，故有许多

相同之处。

由于氨合成率不高，大量氢气、氨气未反应，需循环使用，故氨合成是带循环的系统。

氨合成的平衡氨含量取决于反应温度、压力、氢氨比及惰性气体含量，当这些条件一定时，平衡氨含量就是一个定值，不论进口气体中有无氨存在，出口气体中氨含量总是一定值。

因此反应后的气体必须冷凝以分离所含的氨，使循环回合成塔入口的混合气体中氨含量尽量少，以提高氨净值。

当循环系统惰性气体积累达到一定浓度值时，会降低合成率和平衡氨含量。

因此，应定期或连续排放定量的循环气，使惰性气体含量保持在要求的范围内。

氨合成系统是在高压下进行的，必须用压缩机加压。

管道、设备及合成塔床层压力降以及氨冷凝等阻力的原因，使循环气与合成塔进口气间产生压力差，需采用循环压缩机弥补压力降的损失。

此外，还有反应气体的预热和反应后气体热能的回收等。

工艺流程是上述步骤的合理组合，下图是氨合成的原则工艺流程。

合理确定循环机、新鲜气体的补入及惰性气体排放位置以及氨分离的冷凝级数、冷热交换器的安排和热能回收方式，是流程组织与设计的关键。

五实习内容

（一）氨合成

1合成氨概述

合成氨工业诞生于本世纪初，其规模不断向大型化方向发展，目前大型氨厂的产量占世界合成氨总产量的80%以上。

氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。

除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。

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%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。

德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。

反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。

合成氨反应式如下：

N2+3H2≈2NH3

合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。

经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。

现代大型合成氨厂大多数以天然气为原料，生产过程中，天然气经脱硫、转化及变换等工序，制得合成氨的粗原料气，它的主要成分为H2,N2,CO2。

粗原料气经净化（包括脱碳和甲烷化工序），制得合成氨所需的H2,N2混合气体。

H2、N2混合气体经压缩后送入合成工序合成制得氨，后由冷冻工序提供冷源值得分离产品氨。

上述工艺过程大致可分为制气、净化和合成三个部分。

此外还有一套完整的蒸汽动力系统穿插于各个工序内。

其基本流程图如下：

2原料气的制备：

以天然气为原料和燃料，在铁锰脱硫剂和氧化锌脱硫剂的作用下，将天然气中的无机硫和有机硫脱除到0.5ppm以下，配入一定量的水蒸汽和空气分别在一、二段转化触媒和一定温度条件下将甲烷转化为氢气，制取合成氨所需的氢气和氮气，在一定的温度和变换触媒的催化作用下，使CO变换成CO2和H2，为尿素车间提供富余的中间蒸汽，同时净化碳化气体中残余的CO2和CO，为后工段输出合格的原料气和净化气（其中CO和CO2的含量<25ppm）。

由界区外供给合成氨装置用作原料和燃料的天然气，其压力为3.5kg/cm2G。

把天然气引入进料分离罐144-F中，把天然气夹带的液态烃分离掉，后气流流经过滤器102-LA或102-LB，除去悬浮的固体杂质，从过滤器出来的天然气分成两股，一股作为转化炉的原料天然气，另一股作为合成氨装置的燃料天然气。

经计量的原料天然气在原料气压缩机102-J的一段缸中压缩后，与一股来自合成气压缩机吸入罐104-F的富氢合成气循环气混合。

3脱硫工段：

3.1基本原理

从原料气压缩机一段缸出来的天然气在压缩机段间冷却器137-C与冷却水进行换热。

从原料气压缩机出口出来的混合气进入一段转化炉101-B的对流段，被预热约399

接着进入加氢器102D，在加氢器中有机硫化合物被氢化，生成硫化氢。

在加氢器中，基本上所有的有机硫都变成硫化氢。

接着气体再进入氧化锌脱硫槽108-DA/DB,每一个脱硫槽内装有21

的条状氧化锌脱硫剂，气体中的硫化氢与氧化锌反应而被氧化锌所吸附。

脱硫的最好方法是在过量氢气存在的情况下，将这硫化物催化转化成硫化氢然后再使硫化氢与氧化锌反应达到脱除的目的。

以焦炉煤气为原料,压缩至2.1MPa后进入精脱硫装置,将气体中的总硫脱至0.1ppm以下.焦炉气中甲烷含量达22.4％,采用纯氧催化部分氧化转化工艺,将气体中甲烷及少量多碳烃转化为合成甲醇用的一氧化碳和氢;经压缩进入甲醇合成装置.甲醇合成采用5.3MPa低压合成技术,精馏采用3塔流程

3.2加氢转化

天然气加氢转化处理就是在有钴、钼催化剂尊在的条件下，与加入的氢气进行转化反应，主要化学反应如下：

3.3氧化锌脱硫

这种方法用氧化锌做脱硫剂，在一定条件下，它能迅速脱硫，由于氧化锌脱硫剂使用后不能用简单方法再生，因此只运用于低浓度硫的脱除，并作为最后一级脱硫。

主要化学反应如下：

脱硫后的原料气在镍催化剂作用下进行反应以制取合成氨所用的原料气。

主要反应式如下：

转化工序分为两段进行，在一段转化炉里，烃类和水蒸气在反应管内的镍触媒上反应，由管外供给热量。

出口气体残余甲烷浓度约为8～13%，一段氧化后的气体进入二段转化炉，在那里加入空气燃烧放热，又继续进行转化反应。

二段炉出口温度在810～870℃之间，经二段转化后可使粗原料气达到反应标准。

氢氮比（分子比）：

2.8～3.1残余甲烷（干基）：

0.3～0.6%

转化气中的H2与空气中的O2发生燃烧反应：

H2+1/2O2=H2O+241.16KJ

在二段炉内除氢气外一氧化碳和甲烷也能燃烧，但H2燃烧反应的速度比其它可燃气体快3～4倍，所以在二段炉内催化剂上部的非催化剂空间里，首先是空气中的氧与一段转化气中的氢气进行燃烧，故大量的热用于转化气中的残余甲烷的继续转化

3．4甲烷化处理

出二段炉原料气中含有大量的CO，变换工序就是使CO在催化剂的作用下与水蒸气反应生成CO2和H2.既除去对后段工序有害的CO，又能制得尿素原料之一的CO2。

反应式为：

CO+H2O（g）→CO2+H2+9.8KJ/mol

这是一个等体积、可逆、放热反应，降低温度和提高蒸汽浓度均有利于变换反应的进行。

催化剂是铁铬系催化剂，还原后具有催化活性的是Fe3O4，低变采用铜锌系催化剂，还原后具有活性的是Cu。

中变在360℃～380℃，在催化剂的作用下，反应速度很快，中变炉出口CO≤3.0%，然后通过换热降温到180℃左右，在低变催化剂的作用下，工艺中的CO含量进一步降到≤0.3%，以满足甲烷化对CO含量的要求。

经过中、低变换和碳化、脱碳的气体尚含有少量的CO2和CO，这些气体会使合成氨触媒中毒丧失活性，所以在送往合成前必须对原料气作进一步净化处理。

即将碳化气中残余的CO2和CO与原料气中的H2，在一定温度和镍触媒催化作用下反应生成对合成氨无害的气体甲烷。

以上反应有以下特点：

1、反应是强放热反应，每0.1%CO、CO2、O2（体积含量）所造成的温升分别为：

CO7.4℃，CO26.1℃，O216.5℃；

2、反应是体积缩小的反应，因此，提高压力向正方向进行

3.5主要设备特点

（1）脱硫槽

玉龙化工厂使用中石油提供的天然气，四川地区的天然气含硫量比较高，合成氨原料气中的硫化物主要以硫化氢的形式存在，含量其次的是COS、CS2和有机硫化物等。

因为硫能使合成氨的铁基催化剂及变换和甲烷化的催化剂中毒，因而需要在变换和甲烷化工序之前设置脱硫工序将之除去。

玉龙化工厂采用了氧化锌，氧化锰及加氢来脱硫。

混合气体在有氢气的条件下在加氢转化器中转化为无机硫，加氢转化器直径约为2m，全高约14米，催化剂分为两层，每层高4m。

下层的下边和上层的上边各铺一层氧化铝球作为过滤和分布气流之用。

所有的无机硫在脱硫槽中与氧化锌脱硫剂反应生成硫化锌被除去。

氧化锌脱硫槽是立式圆筒形容器，脱硫剂分为两层，上下都有氧化铝球层，槽上部设有气体分布器，下部有集气器。

有机硫转化为无机硫时温度一般控制在340℃-400℃；一般氢气与有机硫化物摩尔比为250：

1-1000：

1；压力一般为0.6-3.8Mpa；空间速度一般选用空速范围为500-1500h-1.无机脱硫时升温对脱硫有利，但不能太高，温度一般控制在小于400℃；汽/气比应该小于0.3；较低空速，400h-1。

（2）甲烷化装置

甲烷化炉为圆筒形立式设备，由于甲烷化炉内气体氢的分压较高，而且有时会发生超温事故，故壳体采用低合金钢制成。

催化剂上下层都有氧化铝球层和钢丝网，以免气体将催化剂层吹翻，同时增大阻力利于气体分布。

为防止催化剂过热，准确掌握催化剂的温度变化，在催化剂层不同平面设有热电偶温度计套管。

（3）方箱炉

玉龙化工厂是中小型化工厂，所以转化炉和大型化工厂的转化炉有所不同，为双一段转化炉。

一段转化炉分为方箱炉和换转炉。

方箱炉内有56根转化管，在底部变径后引出。

因为方箱炉内温度很高，在停产时容易产生热胀冷缩，为了防止热胀冷缩带来的危害，变径后的转化管做成弯形并悬挂与方箱炉下方。

方箱炉通过燃烧天然气进行加热，加热后的废气进入换热设备放出余热对进入反应器的气体和软水预热，温度下降达到放空条件后放空。

经过脱硫后的反应气60%进入方箱炉40%进入换转炉。

换转炉利用二段出口高温气体余热（夹套加热）进行加热。

换转炉结构特点是炉拱填装镍触媒，在拱与触媒之间摆有耐火球，炉拱，篦子板和耐火球是为支撑触媒和是气体能在触媒层均匀分布而设计的。

触媒层有热电偶测温点三个（上层两个，下层一个），下部有压力表管一个。

二段转化炉的壳层为耐火砖，中间无有管道。

4碳化工段

4.1碳化工段的基本流程及特点

有造气车间转化岗位中低变工序送来的（压力≤0.85MPa，CO2含量为17%）低变气从碳化主塔底部进入塔内，气体由下而上与塔顶加入的副塔液逆流鼓泡吸收大部分CO2，含CO25%～10%的尾气从塔顶导出，经碳化副塔底部进入塔内，与塔顶加入的浓氨水进一步逆流吸收，使CO2含量降至≤1.6%，尾气由塔顶导出，有固定副塔底部进入塔内，与塔顶加入的浓氨水或回收塔稀氨水进一步逆流吸收，使CO2降至小于等于0.4%，NH3≤20g/m3气体从尾气管导出再从回收段底部进入回收清洗塔，与由清洗塔顶部加入或回收塔加入的软水再次逆流吸收，去除气体中所含的NH3和CO2使CO2含量≤0.2g/m3气体由清洗塔顶部尾气管导出，经汽水分离器出去后，然后送压缩机三段压缩。

由吸收送来的浓氨水经加压至1.0～1.2Mpa,由副塔顶部加入塔内，与碳化主塔出口气中的CO2反应生成碳酸铵溶液，再用泵从塔底抽出，加压至1.4～1.6Mpa,由碳化主塔顶部加入塔内，进一步吸收变换气中的而生成碳酸氢铵悬浮液，由塔底部取出送稠厚器供离心机分离。

由于反应时放出大量热量，碳化塔内设冷水箱，用河泵送来压力为0.05-0.10Mpa的冷水控制碳化温度。

由软水岗位送来的0.7-1.2Mpa软水，由顶部加入清洗塔内，清洗塔气体中的氨后，经回收塔顶部与清洗塔底部的溢流管由回收塔顶部进入回收塔内。

清洗回收固定副塔出口气中的NH3和CO2后，生成的稀氨水一部分由回收塔底部抽出，加压至0.8～1.2Mpa，由固定副塔顶部加入塔内吸收副塔出气中的NH3和CO2后，稀氨水压往吸收。

回收清洗塔另一部分稀氨水加压至0.8～0.9Mpa，送往洗氨塔吸收合成驰放气中的氨后，通过自动气动薄膜阀，压往吸收母液贮槽或稀氨水贮槽。

在碳化工段中，主塔与副塔是相对的。

因为在工作8小时后，主塔与副塔要对换一次，在主塔中，有大量的碳氨晶粒存在，容易在主塔壁上沉淀下来，时间过长后，容易造成堵塞。

而在副塔中，有浓氨水喷入，因而对换后，主塔变为副塔，在其中由浓氨水，可以清洗壁上的沉淀。

主塔和副塔结构上是一样的没有什么区别

4.2碳化工段流程图

4.3碳化主要设备特点

（1）碳化塔碳化塔是碳化工段最主要的设备。

工作原理是伴有化学反应的吸收过程，在塔内氨水吸收变换气中二氧化碳生成碳酸氢铵——氮肥。

冷却系统采用小水箱结构，拆装容易，便于清理堵管和换管；设备具有操作方便、控制容易、运行稳定的优点。

目前加压碳化系统所采用的均为钢制。

碳化塔顶部温度30℃左右，一般30-35℃较好，因为此温度下，能加速反应和吸收，减少晶核生成。

下部温度20-28℃较好：

利于碳化反应的平衡；提高氨转化率；利于结晶析出，提高产品的产量、质量；得到的碳化母液碳化度低，利于循环使用。

（2）回收清洗塔大多数厂的回收清洗塔均采用泡罩塔，泡罩塔将塔分成若干层，每层塔板保持不同的浓度（不像碳化塔会纵向返混）。

因而，可以用少量软水连续操作，自上至下，氨水渐浓，既有利于氨的吸收又可以保证原料气中二氧化碳含量合格。

同时泡罩塔操作弹性大（最大允许操作气速与最小允许操作气速之比称为操作弹性），特别在低负荷下操作时，泡罩塔也能保持较高的塔板效率。

达两点都很适合于碳化工段氨的回收。

（3）稠厚器主要起中间贮槽的作用。

它解决碳化塔取出与离心机分离之间的不平衡而起缓冲作用。

上部为圆筒形，下部为圆锥形。

稠厚器顶部有碳酸氢铵悬浮液入口。

筒体侧面上部有溢流口。

圆锥体下部有悬浮液出口与离心机连接。

（4）离心机利用离心力分离固体和液体或液体和液体的机械。

主要部分是一