合成氨工简介（精选五篇）

第一篇：合成氨工简介

化工原理课程论文

浅谈合成氨工艺

08化工2班

孙庆晨

08206040244 摘要：氮肥生产是高能耗的工业，其生产成本主要取决于系统的能耗，系统能耗除了与采用的工艺流程有关外，在很大程度上取决于系统控制的算法及稳定性，因此，化肥生产过程的控制系统对整个生产成本具有关键意义。本文比较详细的介绍了合成氨的工艺流程，并对化肥的生产做了介绍，并且从再生产的角度介绍了钢铁厂的副产业——硫酸铵的生产。最终对我国合成氨技术的发展做了展望。

关键词：合成氨

工艺流程

甲醇

尿素 发展趋势

前言：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。本次化工见习，我们参观了玉溪新兴钢铁有限公司和峨山化肥厂，对合成氨工艺，以及化肥生产工艺，有了质的认识。

一 合成氨工艺

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

在合成氨的所有流程中，核心围绕此方程式展开，用最低的能耗量，得到最高质量的产品。

1.1 概述

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。原料气制备，即将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。净化是对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。

详细的工业流程又可分为一下几步：

（1）以无烟煤为原料合成氨常见的工艺过程是： 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

（2）

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NH3

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1.2 合成氨工艺

合成氨系统是由一个个相对独立的单元（工段）组成的。各单元之间具有密切关系。上一单元的产品或输出，即为下一单元的原料或输入，各个单元相互紧密联系形成一个连续的生产过程。各个单元在地域上相互分散，但距离又不很远。现将整个生产过程分为造气、脱硫、压缩、变换、脱碳、合成、等主要单元（工段）进行合成氨工艺的简要介绍。上述各单元（工段）的操作在工艺上密切联系，但在地域上分散、在控制上相对独立。

1.2.1 造气

造气一般是以块煤为原料，采用间歇式固定层常压气化法，在高温和程控机油传动控制 下，交替与空气和过热蒸汽反应。反应方程式： 吹风

C+O2→CO2+Q CO2+C→2CO-Q 上、下吹

C+H2O(g)→CO+H2-Q A、吹风阶段

吹风阶段的主要作用是产生热量，提高燃料温度。B、上吹（加氮）阶段

上吹阶段的主要作用是置换炉底空气，吸收热量、制造半水煤气，同时加入部分氮气。C、下吹阶段

下吹阶段作用是制取半水煤气，吸收热量，使上吹后上移的气化层下移。D、二上吹阶段

二上吹的主要作用是将炉底及进风管道中煤气吹净并回收，确保生产安全。E、吹净阶段

吹净的主要作用是回收造气炉上层空间的煤气及补充适量的氮气，以满足合成氨生产对氮氢 比的要求。

在生产中，一般均是多个造气炉组成一组。在多台造气炉同时投入运行时，为了保证造气炉在吹风阶段的风量，必须对造气炉的吹风阶段进行顺序控制。对造气炉进行吹风排序，也就是要实现吹风时间自寻优及动态跟踪。

1.2.2 变换

经过压缩有一定压力的半水煤气先经过油水分离器，除去煤气中的油物。然后进入饱和塔的下

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部与热水进行交换后升至一定温度，经过气水分离器分离出煤气中的水份。去除水分的煤气进入预热交换器，与中变炉出口的高温煤气进行两次热交换后，进入中变炉，在触媒的催化作用下，煤气中的一氧化碳发生反应，生成二氧化碳，中变炉的炉体内有三层反应区，在正常的工艺状况下，第一层的反应温度控制在450℃左右，第二层反应温度控制在400℃左右，第三层的反应温度控制在380℃左右。反应后出中变炉的变换气进入与入口水煤气进行热交换的两级热交换器后，再进入低变炉使变换气中的一氧化碳进一步变换，经过两次变换的水煤气成为合格的变换气后，经热水塔，冷却塔之后送入下一工段进行后续处理。

变换工艺流程图

在变换工段中，比较典型的控制回路包括入变换气汽比调节，中变炉煤气副线流量调节，中变炉中段温度喷水控制，中变炉下段温度喷水控制，饱和塔液位控制，水分出口煤气温度的调节等几部分。入变换蒸汽流量与入变换半水煤气流量的比值调节采用先进控制器，对比值控制器的给定值进行修正，并设置煤气流量变化速率控制器来防止在系统加减量时，中变炉出口CO 超标，达到汽气比控制的目的。

1.2.3 脱碳

含有一定浓度（CO2）的变换气进入吸收塔内。气体中CO2被逆流流下的碳酸丙烯酯所吸收。净化CO2气脱至所要求的浓度由塔顶排出，成为可供用户使用的工艺气。吸收CO2后的碳酸丙烯酯富液经涡轮机回收能量后，在高压闪蒸槽内闪蒸。高压闪蒸液再到减压槽进行减压闪蒸。减压闪蒸汽相含浓度较高的CO2，可供用户使用。减压闪蒸液在气提塔内经空气气提再生，再生后的碳酸丙烯酯贫液经循环液泵送回吸收塔循环使用。气提空气由通风机从气提塔塔底送入。

高压闪蒸汽中含CO2及部分工艺气。高压闪蒸汽可全部或部分返回压缩与原料气汇合，以回收氮气和氢气。

脱碳过程中，入脱碳塔贫液的流量，将直接影响二氧化碳在脱碳塔中的溶解度。流量过小，原料气中的CO2不能被充分吸收；流量过大，能耗增加。闪蒸槽的液位和压力，对于原料气的回收再利用有重要作用，它不仅可以回收闪蒸汽里的氮气和氢气，还可以减少碳酸丙烯酯的损失。

脱碳后煤气送入下一个工段进行进一步处理。

1.2.4合成

目前国内大多数中小氮肥企业均采用中压法氨合成工艺，其合成压力为31.4MPa。合成塔的直径一般为Ф800～Ф1200mm。主要是将压缩送来的合格精炼气在适当的温度、压力和触媒存在的条件下合成为氨，所得气氨经冷却水及液氨冷却，冷凝为液氨，并将液氨从氢氮气中分离出来，未合成的氢氮气补充部分新鲜气继续在合成系统内循环合成。

氨合成工段中主要工艺参数的优化控制非常重要，直接影响合成氨的产量和消耗指标。控制方案以降低吨氨消耗为目标，控制参数为催化剂温度、惰性气体的含量、氨冷出口温度及氨冷器、冷交换路、氨分离器的三大液位。

1.2.4.1 氢氮比调节：

氢氮比自调是合成控制中的难点，从造气到合成的滞后时间，开满量时，一般小化肥厂为30分钟，开联醇为45分钟。正确认识从造气到合成整个流程中氢比演变规律是搞好调节的基础。规律主要为二点；从造气到合成塔入口基本为纯滞后，各点氢比测量曲线呈简单相似现象，并含有一定的容量滞后，合成塔塔前塔后氢比信号呈微积分关系。记录各测量点氢比偏差记录曲线，据此可发现

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演变规律，监视分析调节效果，计算开表数据，以此数据二维查表控制阀门输出能达到较好的控制效果。

1.2.4.2 合成塔内触媒层热点温度控制 合成塔各催化剂层热点温度的控制，是采用调节未反应的冷气体加入量的方法来控制各段温度，由于反应温度比较容易稳定，所以一般采用手动遥控。

1.2.4.3 循环气氨冷器出口温度和液位控制

为了更好地控制温度；采用串级控制方案，以温度回路为主回路，液位为副回路。为了保证液位，当液位超限时，切断串级回路，使回路的串级状态切换为副回路的自动状态；确

保液位在安全值内。

循环气氨冷器出口温度和液位控制原理框图

1.2.4.4 新鲜气氨冷器液位控制

在新鲜气氨冷器液位调节系统中，水位测量值与给定常数进行PID 运算，运算结果调节氨冷液位调节阀开度，从而维持氨冷液位恒定。

氨分离器的液位控制、冷交换器的液位控制、废热锅炉的液位控制，这几个回路采用单回路控制。

单回路调节框图

1.2.5 达到的技术指标：

(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%）

二

甲醇的生产

甲醇是重要的有机化工原料，又是优良的能源载体。近代工业甲醇生产主要以天然气、煤炭为原料转化和气化制得，我国目前年产5万吨和10万吨的生产装置大都是以煤炭为原料制得。因此，在合成氨的化肥厂，一般都会有甲醇的生产点。

甲醇的生产一般分为合成和精馏两个工段。

1、甲醇合成：脱碳岗位送来的净化气和循环机来的循环气在油分离器混合，经油水分离器分离油水，剩余的原料气分主副线进入合成塔合成生成粗甲醇气，借助于铜基催化剂的作用，CO、CO

2资源环境

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和H2进行化合反应生成甲醇，经冷凝到醇分离器分离得粗甲醇，减压后送中间槽，不凝气体一部分加压循环使用，一部分经高压水洗塔水洗掉夹带的甲醇经铜洗送入氨合成系统，粗甲醇送精馏。流程图如下：

2、甲醇精馏：甲醇的精馏工艺，多数采用两塔流程，少数生产规模较大的厂采用三塔流程，年产5-10万吨的装置一般都采用两塔流程。粗醇经预塔给料泵加压经粗醇预热器加热到65℃左右进初塔，同时初塔再沸器用蒸汽加热使塔内液体蒸发，甲醇及其他轻组分的蒸汽由塔顶蒸出，冷凝后打回流。控制出气温度40-45℃，塔釜温度75-85℃；塔顶温度60-65℃。经预塔底出来的预后甲醇给主塔，主塔再沸器加热使塔底温度控制在104-120℃，塔顶出气温度控制在65-70℃，在塔顶采出回流液即精醇；合格后送精醇储槽。

三 尿素的生产

尿素的生产原理是氨与二氧化碳的合成，生产方法有水溶液全循环法、气提法、中压联尿法，小氮企业大多采用水溶液全循环法。其反应方程式为：

2NH3（液）+CO2（气）CO（NH2）2（液）+H2O（液）+Q 二氧化碳（压力为20.69MPa，温度为125℃）经压缩机压缩进入合成塔，从一吸塔送来的90℃甲铵液经一甲泵加压至20.69MPa 送入合成塔，液氨在氨预热器中加热至60℃送入合成塔，在合成塔中进行合成反应。在反应的过程中，合成塔的操作压力为19.6 MPa，温度为186-191℃，整个反应过程CO2的转化率在63℅左右。出尿素合成塔的反应液含有尿素、甲铵、过剩氨和水，出来后经过压力调节阀减压至1.77MPa 进入预蒸馏塔上部，在此分离出闪蒸气体后，液体自流到中部蒸馏段，与从一分加热器出来的热气逆流换热，使液相中的部分甲铵分解与过剩氨蒸出、气化进入气相。预蒸馏后的尿液自蒸馏下部流入一分加热器，物料温度控制在155-160℃，在此甲铵的分解率达到80℅，总氨蒸出率达到90℅。从一分加热器出来的尿液进入预蒸馏塔下部的分离器进行气液分离，液相自塔底排出，经减压后送至二分塔。尿液在二分塔上部闪蒸后，液体经过液体分离器进入蒸馏段，与下分离段出来的气相逆流接触换热，出蒸馏段的尿液从底部进入加热段的列管内，物料温度控制在135-140℃，使甲铵基本分解，气液混合物进入下分离段进行气液分离，尿液经液位调节阀入闪蒸槽。在闪蒸槽中液相残余的氨和二氧化碳大部分逸入气相，尿液直接进入一段蒸发器或流入尿液槽。尿液经一段蒸发加热器下部热能回收段和上部蒸汽加热段加热到130℃，压力控制在0.033MPa（绝压），这时浓度提高至96℅。尿液经一段蒸发器分离段出来去二段蒸发器，在0.0033 MPa（绝压）、140℃的条件下被浓缩成99.7℅的熔融尿素，经分离段分离后，熔融

尿素由熔融泵送往造粒塔顶部的旋转喷头进行造粒。

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尿素生产控制回路比较多，包括温度、压力、流量、液位的控制，其中合成塔压力调节、中压压力调节、低压系统压力调节这几个调节回路尤为重要。主要调节回路一般都采用1：1 冗余方式。其它控制回路有：闪蒸下液温度调节、解吸塔温度调节、解析塔压力调节、解析加液流量调节、一分加液位槽液位调节、二分加液位槽液位调节、解吸塔液位调节、二分塔出料温度调节、一分塔底温度调节、一洗塔底温度调节、一段蒸发温度调节、二段蒸发温度调节、一分塔液位调节、二分塔液位调节、一吸塔液位调节等。这些调节回路一般采用单回路控制即可达到很好的控制效果。

四 我国合成氨工业的发展情况

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。

近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。

根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期，改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。

参考文献：

合成氨工艺，赵育详，化学工业出版社，1988-1-1 合成氨工艺, 吴玉萍, 第1版, 化学工业出版社 2008-6-1 化工原理（第三版），谭天恩，化学工业出版社，2001-5-1 合成氨成产工艺，林玉波，化学工业出版社，2006-2-1 海川化工论坛 合成氨技术交流区 bbs.hcbbs.com 鲁西化工第八化肥厂 www.xiexiebang.com

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第二篇：合成氨工艺简介

合成氨工艺控制方案总结

一 合成氨工艺简介

中小型氮肥厂是以煤为主要原料，采用固定层间歇气化法制造合成氨原料气。从原料气的制备、净化到氨的合成，经过造气、脱硫、变换、碳化、压缩、精炼、合成等工段。工艺流程简图如下所示：

该装置主要的控制回路有：（1）洗涤塔液位；

（2）洗涤气流量；（3）合成塔触媒温度；（4）中置锅炉液位；（5）中置锅炉压力；（6）冷凝塔液位；（7）分离器液位；（8）蒸发器液位。

其中触媒温度控制可采用全系数法自适应控制，其他回路采用PID控制。

二 主要控制方案

（一）造气工段控制

工艺简介：

固定床间歇气化法生产水煤气过程是以无烟煤为原料，周期循环操作，在每一循环时间里具体分为五个阶段；(1)吹风阶段约37s；(2)上吹阶段约39s；(3)下吹阶段约56s；(4)二上吹阶段约12s；(5)吹净阶段约6s.l、吹风阶段

此阶段是为了提高炉温为制气作准备的。这一阶段时间的长短决定炉温的高低，时间过长，炉温过高；时间过短，炉温偏低并且都影响发气量，炉温主要由这一阶段控制。般工艺要求此阶段的操作时间约为整个循环周期的18％左右。

2、上吹加氮制气阶段

在此阶段是将水蒸汽和空气同时加入。空气的加入增加了气体中的氮气含量，是调节 H2/N2的主要手段。但是为了保证造气炉的安全该段时间最多不超过整个循环周期的26％。

3、上吹制气阶段

该阶段与上吹加氯制气总时间为整个循环的32％，随着上吹制气的进行下部炉温逐渐下降，为了保证炉况和提高发气量，在此阶段蒸汽的流量最好能得以控制。

4、下吹制气阶段

为了充分地利用炉顶部高温、提高发气量，下吹制气也是很重要的一个阶段。这段时间 约占整个循环的40％左右。

5、二次上吹阶段

为了确保生产安全，造气炉再度进行吹风升温之前，须把下吹制气时留在炉底及下部管 道中的半水煤气吹净以防不测，故进行第二次上映。这段时间约占7％左右。

6、吹净阶段

这段时间主要是回收上行煤气管线及设备内的半水煤气。约占整个循环的3％。该阶段是由吹风管路送风，该段时间的长短直接影响H2/N2.该控制系统是一个较复杂的时变、间歇、非线性、大滞后控制系统。故将该系统设计为串级控制。

造气炉的工作方式分为开车、停车、正常造气、升温和制惰等五种方式。每台造气炉需要控制15个电磁阀，为了防止多台炉同时进入吹风阶段而引起争风抢汽观象，各台炉之间必须进行吹风排队顺序控制。

控制方案：

1、造气工段H2/N2控制方案

造气工段是通过加减氮操作来进行氢氮比控制的，而加减氮操作又是通过调节上下吹加氮时间和吹风回收时间来实现的，因此，该控制系统最终得到的控制量要转化为上下吹加氮时间或吹风回收时间。本系统的氢氮比控制采用调节吹风回收时间来实现。

在合成氨生产过程中，影响氢氮比的主要干扰来源是造气、脱硫两个环节，这部分仅有较小的滞后，所以对脱硫制氢采用PID闭环控制和较高的采样频率，这是控制的内环。然后将造气脱硫与变换、脱碳、精炼及合成组成一个广义外环，采用预测控制进行控制，这是控制的外环。可选作控制量的参数有：脱硫氢、变换氢、补充氢和循环氢，这四个氢值之间的波动有一个时间差，脱硫氢到变换氢大约有5min，变换氢到补充氢大约有15min,再由补充氢到循环氢又有20min，而且补充氢与循环氢之间存在积分关系，补充氢中氢氮比的微小变化就会造成循环氢中氢的增加与减小，即稳定的补充氢并不能保证循环氢的稳定。而循环氢是生产过程最终阶段的信号，所以采用循环氢作为主调节参数，并选择脱硫氢作为副调参数，以克服循环氢巨大的滞后。

2、H2/N2调节方法

采用改变加氮空气量的方法调节H2/N2，在上吹和下吹阶段设置用／否加氮软手动开关决定是否启用加氮空气，同时采用上／下加氮调节阀来改变加氮空气量，其次可以通过调整 吹净时间的方法来调整H2／N2，同时还采用打吹净软开关确定在吹风阶段是否提前关闭烟囱阀，以辅助调节H2/N2.（三）CO变换工段控制

工艺简介：工艺流程图如下：

中温变换护的正常操作应该是将各段催化剂的温度控制在适宜的范围内，以充分发挥催化剂的活性。同时用最低的蒸汽消耗实现最高的CO变换率。影响中变炉催化剂床层温度变化的因素很多，如蒸汽的加入量、蒸汽的温度、进入催化剂前反应气体的温度、反应气体的组成以及生产负荷等。

该工段主要的控制系统主要有：中变炉入口温度定值控制，入中变护蒸汽流量定值控制，入中变沪中段蒸汽流量定值控制，中变炉下段温度控制等。（1）中变炉人口温度定值控制系统

该系统是通过控制中变炉的入口温度来稳定上段催化剂的温度。选中变炉人口气体的温度作为被控变量，操作变量为中温换热器的半水煤气副线流量。

其主要干扰因素有：半水煤气流量，半水煤气温度，蒸汽流量，蒸汽温度，变换气温度等。

在这个系统中，中变炉人口温度是根据生产要求由人工设定，当受到干扰使该温度偏离没定值时，通过改变中温换热器副线流量来维持其入口温度的稳定。

（2）入炉蒸汽流量定值控制

控制流程图如下：

被控变量和操作变量均为与煤气混合的蒸汽流量。其主要干扰因素是蒸汽的温度和蒸汽管网的压力。求由人工设定，通过改变蒸汽流量调节阀的开度来维持蒸汽流量的稳定。当生产负荷变动或其它干扰因索引起中变炉上段催化剂温度发生变化而需要改变入炉的蒸汽量时，只能通过人工调整系统的设定值来实现，可见该系统不能自动跟踪生产负荷，亦不能按照上段催化剂温度的变化来自动控制所需的蒸汽量。

（3）

中变炉中段蒸汽流量定值控制

（六）氨合成工段控制

在合成氨生产中，合成塔人塔气体的氢气与氮气的比例是工艺上一个极为重要的控制指标。氢氯比合格率对于全厂生产系统的稳定、提高产量和降低原料及能源消耗起着重要作用，氢氮比的过高或过低，都会直接影响合成效率，导致合成系统超压放空，使合成氨产量减少，消耗增加。但合成氨氢氮比对象是一个纯滞后和容积滞后大，无自衡能力和时变的工艺过程，所以氢氮比控制是氨合成工段的主要控制对象。

方案一：

采用变比控制方案，对负荷变化和加氮空气量进行预测控制其工作框图如下：

原料气中各有效成分分析合成总的含H2量作为主物料信号，乘上一个比值系数K,就作为空气调节阀的输入信号，驱动调节阀以得到所需要的与总含H2成比例的N2量。如果由于某种因素使H2/N2比值偏离给定值，就通过调节器GC输出信号修正比值系数K,使H2/N2比回到给定值上来。对于空气流量的干扰，设置一个副环，构成串级控制，对空气的测量，采用压力和温度的补偿。

方案2 预测加PID控制方案

上述方案由两个回路组成：内回路是由造气到脱磕和可调控制器组成的线性反馈回 路；外回路由变换到精炼和通推参数估计器及校正器组成。

方案3 预测＋PID串级控制方案

氢氮比通过改变二段炉的空气量来调节，针对被控对象的特点，本文采用多步MAC 预测控制算法、PID算法及前馈调节相结合的控制规律构成氢氮比前馈中级控制系统。系统结构方块图如下所示：

由于负荷（原料气流量）变化是系统可测不可控的干扰，为此，采用前馈调节系统，以便及时克服负荷波动的干扰。由于空气流量波动大，必须采用闭环控制，空气流量调节回路采用YS－80单回路调节器实现。

由于系统滞后时间长，为了能及时克服转化、变化工段的干扰，引入变换氢副调回路，此回路纯滞后时间短，可采用PID调节；主被控对象氢氮比系统纯滞后时间长，惯性大，干扰多，因此主控器采用MAC预测控制

（八）精馏塔控制方案

工艺简介：

合成氨厂氨精馏塔是氨回收单元，以水为溶剂，吸收氨合成回路的放空气和液氨贮槽放空气中的氨，然后利用外部供热使氨水溶液解吸，水作为吸收剂循环使用。其工艺流程图如下：

由于本精馏工段受多种干扰因素如进料量、进料温度、冷凝器冷却水温度、环境温度变化等的影响，而且难以直接测量产品浓度作为被调参数，故选用间接参数温度、压力作为被调参数。

控制方案： 1．压力控制

针对压力设置了一套压力分程调节系统，由PRC-10001检测塔内压力，分别控制塔顶排出的情气量和塔顶冷却器的回水量。其调节过程为：

当PRC-10001测量值增加时，其输出值若在100%~50%内，则情气阀PV—10001A全关(F.C)，冷却水阀PV-10001B(F．0)逐渐开大，直至全开，以充分冷凝气体中的氨；若输出值小于50％，则PV—10001B全 开，PV—1000lA逐渐开大，从而使塔内压力降低，反之亦然。以此达到塔内压力恒定。

2、温度控制

由于成品氨的质量与温度有直接关系，液氨流量直接影响着温度，为保证精馏塔温度，设置一套以惰馏塔温度TICAH—10004和液氨流量FIC—10006组成的串级系统。其中流星为副参数，克服影响氨水流量波动的各种扰动因素；以温度为主参数，保证精馏塔温度，其工艺控制流程图如下：

首先，手动调整F—10006输出值，使得T—10004满足工艺要求。然后，调整T—10004的给定值等于测量值，调整F—10006的设定值等于测量值。在此过程中，要保证T—10004输出值等于F—10006，设定值。随后将由手动投入自动，等稳定后投入串级。系统稳定后将T—10004由手动投入自动。

至此，完成了串级调节系统的投运。

在投运过程中，一定要注意T—10004输出值等于F—10006设定值，投运之前，主、副回路均应置于手动状态。

第三篇：合成氨（范文）

合成氨生产技术综述

一.合成氨生产技术的发展过程及生产技术现状

1.传统型蒸汽转化制氨工艺阶段

从20世纪20年代世界第一套合成氨装置投产，到20世纪60年代中期，合成氨工业在欧洲、美国、日本等国家和地区已发展到了相当高的水平。美国Kellogg公司首先开发出以天然气为原料、日产1 000 t的大型合成氨技术，其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了42．o GJ的先进水平。Keuogg传统合成氨工艺首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机，并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来，实现了装置的单系列大型化(无并行装置)和系统能 量自我平衡(即无能量输入)，是传统型制氨工艺的最显著特征，成为合成氨工艺的“经典之作”。之后英国ICI、德国uhde、丹麦T0psoe、德国Br肌n公司等合成氨技术专利商也相继开发出与KeⅡogg工艺水平相当、各具特色的工艺技术，其中Topsoe、ICI公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。这是合成氨工业历史上第一次技术变革和飞跃。

2.低能耗制氨工艺阶段

2．1低能耗制氨工艺

具有代表性的低能耗制氨工艺有4种：Kellogg公司的KREP工艺、Braun公司的低能耗深冷净化工艺、uHDE—ICI—AMv工艺、Topsoe工艺。与上述4种代表性低能耗工艺同期开发成功的工艺还包括：①以换热式转化工艺为核心的IcI公司LCA工艺、俄罗斯GIAP公司的Tandem工艺、Kel．1099公司的KRES工艺、Uhde公司的CAR工艺；②基于“一段蒸汽转化+等温变换+PSA”制氢工艺单元和“低温制氮”工艺单元，再加上高效氨合成工艺单元等成熟技术结合而成的德国Linde公司IAC工艺；③以“钌基催化剂”为核心的Kellogg公司的KAPP工艺。低能耗制氨工艺技术主要以节能降耗为目的，立足于改进和发展工艺单元技术，其主要技术进展包括：

①温和转化。一段转化炉采用低水碳比、低出口温度、较高的出口cH4含量操作，将负荷转移至二段转化炉；同时二段转化炉引入过量空气，以提高转化系统能力。②燃气轮机。使用燃气轮机驱动空气压缩机，并与一段转化炉紧密结合。③低热耗脱碳。采用低热耗Be面eld或。一MDEA脱碳，以降低能量消耗。

④深冷净化。Braun公司采用深冷净化，在合成气进入氨合成回路之前脱除其中的cH4和部分Ar，并调节合成气中H2与N2摩尔比为3：1；uhde—IcI—AMV采用深冷净化，在氨合成回路之中回收弛放气中的H2。

⑤效率更高的合成回路。采用新型氨合成塔和低压高活性催化剂，以提高氨合成转化率、降低合成压力、减小回路压降、合理利用能量。Kellogg公司采用卧式径向合成塔和小颗粒、高活性催化剂；uhde公司和T0psoe公司均采用了立式径向流动合成塔 和小颗粒、高活性催化剂。

2．2 以部分氧化工艺为核心的重油或煤气化

(1)重油气化。以部分氧化工艺为核心的重油气化技术，主要有SheⅡ和Texaco两家公司的技术。自1956年开发出第一台渣油气化炉至今，世界上先后建成了140多套装置，用于合成氨、甲醇、纯氢和羰基合成等。由于国外以重油为原料的合成氨装置所占比例很小，且近年来受到石油危机和洁净煤气化技术的挑战，竞争力较差，其技术进展不大。主要 的进展包括：①结构多样化、气化压力提高、设备大型化；②改进气化炉烧嘴，以降低氧／油比、蒸汽／油比，从而降低氧耗、汽耗，改善经济性；③改进雾化喷嘴的结构和材质，以适应石油深加工带来的重油重度加重的问题；④炭黑回收部分开路，以适应石油深 加工带来的重油原料中重金属含量升高的问题。

(2)煤气化。20世纪80年代初到90年代末，煤气化技术再度引起人们重视，对洁净煤气化技术进行了大量的开发研究，取得了重大的进展，开发出众多的煤气化技术，包括：以Texaco公司和Destec公司为代表的水煤浆气化、以sheu公司和德国Prenno公司为代表的粉煤气化、以Lu蛹公司为代表的固定床煤气化等。并率先在IGcc领域进行了示范性大型化商业化装置的运转，Texaco工艺和Lu蛹工艺在合成氨生产中也得以应用，并取得了良好的效果。2．3 传统型制氨装置的节能增产改造 以节能降耗为目的的技术开发成果，在传统型合成氨装置的节能改造和增产改造中也得到了广泛的应用；同时针对传统型合成氨装置，也开发出了许多新的节能和增产技术。在20世纪80年代中期到90年代中期，传统型合成氨装置大多进行了2轮技术改造，基本实现了节能增产的目标，技术水平大大提高，缩小了与低能耗制氨工艺的差距。

(1)第一轮改造。主要采用节能降耗新技术，改造后，传统天然气合成氨装置每吨氨的能耗由41．87 GJ降至35．7 GJ左右，传统轻油合成氨装置每吨氨的能耗下降为37．16 GJ。其采用的技术主要包括：一段转化炉烟气余热回收预热燃烧空气；增设转化炉蒸汽过热烧嘴；脱碳改为低热Benfield；合成气压缩机前加氨冷器；采用casale或Topsoe轴径向内件对合成塔内件进行改造。

(2)第二轮改造。主要采用节能增产新技术，将产量扩充至日产l 200 t以上，传统天然气合成氨装置吨氨能耗进一步降至32．7 GJ，其采用的技术主要包括：空气压缩机、合成气压缩机汽轮转子扩能增效；一段转化炉管更新为大口径薄壁HP50管；一段转化炉对流段空气预热器盘管改造；二段转化炉更换新型烧嘴；高温变换炉和低温变换炉安装内件，成为轴径向炉；增设小低变炉；脱碳在四级闪蒸的基础上进一步改造。

3.装置单系列产量最大化阶段

近10年来，由于低能耗装置吨氨能耗已经降至28 GJ的水平，接近了理论能耗数值(22 GJ)，节能降耗的余地已经很小(预计合成氨装置吨氨能耗将难以降低到26 GJ以下)，而且即使能够降低，其对装置的经济性也将很小。基于此，为了进一步改善装置的经济性，技术专利商均开始转向以实现单系列合成氨装置产量最大化为首要目标的研究开发。与此同时，在高油价背景下，用煤等劣质原料制氨重新受到重视，以Texaco水煤浆气化和Shell粉煤气化为代表的煤气化技术在改造和新建装置中得到了使用。3.1装置单系列产量最大化

世界级合成氨装置的规模越来越大，以利用较大的产量带来规模经济效益。20世纪80年代投产的世界级合成氨装置的平均产量为1 120 t／d，而最近投产的世界级合成氨装置的产量大多已接近2 000 t／d，且主要按照现有技术进行放大。至今为止，uhde公司已经推出了日产3 300 t合成氨技术，KBR、Topsoe、Lu蛹公司均推出了日产2 000 t合成氨技术。(1)uhde技术

①加氢脱硫原料气在脱硫工段对加氢反应器和脱硫反应器的尺寸没有限制，很容易增加气体流量。必要时可以安装2台脱硫反应器，从而允许装置运行时更换反应器中的氧化锌。②工艺实践证明，离心式压缩机和整体齿轮式离心压缩机适用于产量高达3 000 t／d的装置。

③开发出具有内部绝热冷气出口管的顶烧式一段转化炉，易于应用任何产能的装置，而不需改变其基本结构。2台最大的一段转化炉为甲醇生产合成气装置，分别装有630根和920根管子。3 000 t／d合成氨装置所用的一段转化炉采用最新设计和材料，只用了460根管子。④二段转化炉也可用于产能增加的装置，其特点是通过安装在容器壁的喷嘴增加工艺空气。其优点是通过涡流形式注入空气，可以达到工艺空气与转化气的适当混合。充分的驻留时间允许在燃烧区完全反应，同时避免内件过热和火焰冲击。⑤为满足大型装置一氧化碳变换对催化剂容量的要求，可以设计用于高温和低温一氧化碳变换的反应器。

⑥二氧化碳脱除推荐使用BAsF公司的MDEA工艺，在能量和热量平衡方面最符合uhde公司的理念，并且将对大型装置没有限制。

⑦合成气压缩对于当前2 200 t／d装置，制约产能的主要因素是合成气压缩机。uhde公司正在开发一种新型合成气压缩机，这种压缩机适用于未来产能可高达3 000 t／d的装置。⑧氨合成回路设计基础是3层2个合成塔，废热锅炉位于各反应器下游。所有工艺和容器的设计参数都满足大规模装置的要求。

⑨uhde公司在sAFcO合成氨装置中，通过采用“双压氨合成工艺”，巧妙地突破和解决了合成气压缩机和合成回路对装置单系列产能为3 000 t／d的限制，应用于已在2 000 t／d合成氨装置中验证过的工艺过程和设备，率先实现了3 300 t／d合成氨的目标。BAsF公司在比利时采用uhde技术建成了2 060 t／d的合成氨装置。“双压氨合成工艺”在合成气压缩机2个压缩气缸之间设置新鲜合成气的低压氨合成系统，低压缸出口压力为11 MPa，与低压法氨合成相匹配，并在此系统中分离部分产品；之后在低温下进一步压缩至21 MPa，进入氨合成回路进行高压氨合成。这样不仅减少了合成气压缩的量，而且也减小了合成回路的设备尺寸。

减小了合成回路的设备尺寸。(2)Kellogg技术

①Kellogg公司和Bm帅&Root公司合并为KBR公司之后，在特立尼达采用KBR(KAAP)工艺建设了4套2 000 t／d的合成氨装置。

②KAAP工艺以钌基催化剂为核心，由于该催化剂具有低压、高活性的特点，与其他催化剂相比其用量较少；合成回路能够在较低压力下运行，且合成回路的氨转化率高。低压操作可以使用单系列合成气压缩机，并节省装置投资。KAAP催化剂的高活性使大产能成为可能，同时不需要较高的压力和多台合成塔。

③KBR公司也设计了4 000 t／d装置，除了一段转化炉和氨合成塔为并列设置外，其他设备均为单系列。(3)Topsoe技术

Topsoe公司合成氨技术的最新进展包括：改进的转化炉设计；用于二段转化炉的新型管式烧嘴；改进的S一200氨合成塔设计；中压蒸汽冷凝液汽提；改进的触媒结构。这些新技术在拉丁美洲的2个世界级规模的项目中得到应用。Pmfeni项目的特点是2 050 t／d合成氨装置与3250 t／d尿素装置单系列配套生产。该装置构成世界上最大的农用合成氨／尿素联合工厂，其最终产品是粒状尿素。其合成氨装置采用Topsoe公司低能耗合成氨工艺，包括脱硫、一段和二段转化、二步变换、MDEA法二氧化碳脱除、甲烷化、压缩、S一200氨合成回路、氢气回收装置和产品回收。转化炉使用现代转化炉管材，并对侧烧炉设计进行了改进，允许在更高的压力和热流下操作。转化炉设计紧凑，只用了264根管子。通过引入新的管口烧嘴，增加了整套装置的稳定性。改进的催化剂允许减小转化炉尺寸。当原料气中碳氢化合物比例较高时，Topsoe工艺包括1台预转化炉，将碳氢化合物转化为甲烷、碳氧化合物和氢气。如果把来自预转化炉的气体加热到650℃左右，那么一段转化炉的负荷可降低25％以上。这样，为3 000 t／d装置设计一段转化炉就不再困难了。二氧化碳脱除采用BASF公司的MDEA工艺，该部分装置的流体流速非常高，因此需要大型设备，低压容器的直径在6 m左右。氨合成系统以T0psoe s一200径流式氨合成塔为基础，回路压力19．12 MPa，以获得较高的单程氨转化率，氨合成塔的直径只有3 m。如果要求产量达到3 000 t／d，那么可以在s一200合成塔后再增加一个单层径流式S一50合成塔。(4)Lurgi技术

h蛹公司开发出以“自热转化ATR”为核心技术的Megammonia工艺。Megammonia工艺装置包括自热转化(6 MPa，ATR)、高温变换(5．5 MPa，HrI's)、气体净化(5．2 MPa，RNwu)、氨合成(20 MPa，Synth．)等工艺单元。3．2合成氨装置的结构调整

由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步，以“天然气、轻油、重油、煤”作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化。基于装置经济性考虑，“轻油”和“重油”型合成氨装置已经不具备市场竞争能力，绝大多数装置目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。其结构调整包括原料结构、产品结构调整。由于煤的储量约为天然气与石油储量总和的10倍，以煤为原料制氨等煤化工及其相关技术的开发再度成为世界技术开发的热点，煤有可能在未来的合成氨装置原料份额中再次占举足轻重的地位，形成与天然气共为原料主体的格局。

原料结构调整主要是“油改气”(利用部分氧化工艺将原料改为天然气)和“油改煤”(利用煤气化工艺将原料改为煤或石油焦)。原料结构调整方案中主要考虑的是资源条件及其地理位置，以经济效益(包括装置投资、操作费用、生产成本)为标准进行确定。天然气是合成氨装置最理想的原料，且改造时改动量最小、投资最省，应以优先考虑；但如果不具备以天然气为原料的基本条件(资源和地理位置)，则以“原料劣质化”为主，进行“煤代油”或“渣油劣质化”的技改。为了尽可能地增大投资效益，可以适当扩大气化部分的规模，通过“配气方案”实现氮肥一C，化工及其衍生物产品的联合生产，以实现产品结构的调整。这样不仅联合生产装置投资较低，而且能够实现合成气的有效合理利用，操作费用和生产成本将会大幅度降低，经济上将更加具有竞争力。目前上述结构调整工程已经开始实施，由于资源条件及其地理位置的原因，对轻油型合成氨装置进行了“油改煤”的技术改造，而重油型合成氨装置则进行了“油改气”技术改造，并取得了预期效果，有力地推动了天然气部分氧化工艺技术和煤气化工艺技术的进步。

4.现状

中国的氨气大多数产自煤气化,世界氨气主要由天然气生产.目前我国是世界上合成氨量最大的国家，拥有大型氮肥装置共计三十四套，有十七套以天燃气为原料，六套以轻油为原料，九套以重油为原料，还有两套以煤为原料。这三十四套大型氨肥装置每年可以生产大约一千万吨氨肥，其下游产品主要包括了硝酸磷肥和尿素。除此之外，我国还有五十五套中型合成氨装置，包括三十四套以煤和焦油为原料的装置，九套以渣油为原料和十二套以气为原料的装置。这五十五套中型合成氨装置年生产能力约为五百万吨，下游产品主要是尿素和硝酸铵，我国还有一百一十二套经过改造生产尿素，原料以煤，焦炭为主的氨合成装置。其中以煤，焦炭为原料的占 96％，以气为原料的仅占 4％。我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1000万t/a,只占我国合成氨总能力的1/4左右,因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。在此过程中,研究开发了许多工艺技术,促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高,包括:合成气制备、CO变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术。除上海吴泾化工厂为国产化装置外,其他均系从国外引进,按照专利技术分:以天然气和轻油为原料的有Kellogg传统工艺(10套)、Kellogg-TEC工艺(2套)、Topsoe工艺(3套),及20世纪90年代引进的节能型AMV工艺(2套)、Braun工艺(4套)、KBR工艺(1套);以渣油为原料的Texaco工艺(6套)和Shell工艺(3套);以煤为原料的Lurgi工艺(1套)和Texaco工艺(1套),荟萃了当今世界上主要的合成氨工艺技术。20世纪七八十年代引进的天然气合成氨装置均已对其进行了以节能降耗和扩能增产为目的的两轮与国外装置类似的技术改造,合成氨能耗由4187GJ/t降至3349GJ/t,生产能力提高了15%~22%;轻油型合成氨装置也进行了类似的增产节能技改,将能耗降至372GJ/t,生产能力提高了15%左右。20世纪80年代引进的渣油型合成氨装置也进行过增产10%的改造,主要改造内容是气化装置增设第3系列,空分工艺改为分子筛流程,目前已经具备了实现1100万t/a合成氨的条件。20世纪90年代,在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下,为了改善装置的经济性,多套装置开始进行以原料结构和产品结构调整为核心内容的技术改造,原料结构调整包括轻油型装置的油改煤(采用Shell或Texaco煤气化工艺,以煤替代轻油)、渣油型装置的油改气(采用天然气部分氧化工艺,以天然气替代渣油)或渣油劣质化(使用脱油沥青替代渣油);产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等。

中国科技大学及中国科学院大连化学物理研究所等科研机构在NsR催化技术领域催化剂性能和结构方面作了初步研究。目前，日本丰田汽车公司和美国福特(Ford)汽车公司在NsR催化技术领域的研究成果显著，前者占据了日本国内市场，正在开拓欧美市场；后者正向工业化迈进。瑞典、德国、意大利和英国的科研机构在催化剂性能、反应机理等方面做了许多卓有成效的工作。

二.比较不同原料生产合成氨的生产过程

不同的生产原料采用不同的生产工艺，比如以煤和天燃气为原料的氨合成，通常是采用原料气制备将原料制成含氢和氮的粗原料气。对以煤和焦炭等固体原料的氨合成，通常采用气化的方法制取合成气；对于以渣油为原料的氨合成一般采用非催化部分氧化的方法；对气态烃类和石脑油，工业中一般采用二段蒸汽转化法。合成氨原料气制备完成后一般要进行净化处理，净化处理的主要目的是除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程；

净化:首先包括进行一氧化碳变换，因为在合成氨的过程中不论采用哪种方式都会产生一氧化碳，这是合成氨中多余的成分.一氧化碳的变换:过程中要放出大量的热，因此对一氧化碳的清除必须分段进行。首先是通过高温变换将一氧化碳转变成二氧化碳和氢气，然后再通过低温变换将一氧化碳含量降低至 0.3%左右；

脱硫脱碳:因为各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，这些硫和碳的氧化物如果不清除就可能在合成氨生产过程中造成催化剂的中毒，因此在氨合成工序前必须对其进行脱除处理。首先是脱硫处理，脱硫的方法很多，最常用的是采用化学和物理吸收法，可以采用低温甲醇洗法，也可以采用聚乙二醇二甲醚法等。因为在一氧化碳的变换中会残留一些二氧化碳、一氧化碳等成分，粗原料气经 CO 变换以后，变换气中除 H2 外，还有 CO2、CO 和 CH4 等组分，这些成分尤其是二氧化碳会影响着氨合成催化剂，因此要注意对这些气体的排除。排除二氧化碳可以采用溶液吸收法脱除；

气体精制过程，精制过程是指在原料气在进入合成工序前，清除残留的二氧化碳和一氧化碳气体，进行原料气的最终净化，主要方法有甲烷化和液氮洗等。

1.以焦炭（无烟煤）为原料的流程

以焦炭为原料的吨氨能耗为88GJ，比理论能耗高4倍多。碳化工艺流程将加压水洗改用氨水脱除CO2得到的碳酸氢铵经结晶，分离后作 为产品。所以，流程的特点是气体净化与氨加工结合起来。三催化剂净化流程采用脱硫、低温变换及甲烷化三种催化剂来净化气体，以替 代传统的铜氨液洗涤工艺。

2.以天然气为原料的流程

天然气先要经过钴钼加氢催化剂将有机硫化物转化成无机硫，再用脱硫剂将硫含量脱除到0.1ppm以下，这样不仅保护了转化催化剂的正常使用，也为易受硫毒害的低温变换催化剂应用提供了条件

3.以重油为原料的流程

以重油作为制氨原料时，采用部分氧化法造气。从气化炉出来的原料气先清除炭黑，经CO耐硫变换，低温甲醇洗和氮洗，再压缩和合成而得氨。

4.以渣油为原料

采用非催化部分氧化的方法

第四篇：合成氨工艺流程

合成氨工艺流程

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。

第五篇：合成氨论文

论文写作与指导

姓 名: 学 号: 专业班级: 指导老师:

合成氨合成工艺的现状

The present status of synthetic ammonia process

Wang

西北民族大学化工学院，甘肃兰州 730124 Northwest university for nationalities institute of chemical, lanzhou, gansu，730124 摘要：合成氨是重要的化工原料, 在国民经济中占有重要地位，本文在文献调研的基础上综述了合成氨设备、催化剂、合成氨工艺三方面的现状和未来发展趋势。在设备方面，通过对冷管型合成塔和绝热型合成塔新技术的综述和两种设备的对比，阐述了国内外合成氨设备的不同之处，及国内外合成氨设备的优劣，提出了国内合成氨设备的发展建议。合成氨工艺方面，通过转化、变换、脱碳、合成四方面综合阐述了目前合成氨工艺技术的现状和发展趋势，介绍了近年来国内外合成氨工艺的新技术和工艺流程方面的新进展。

关键词：合成氨；新工艺；合成塔

Abstract：Ammonia is one of the most important chemical production，It has an important station in national economy.This article has summarized the ammonia synthesis by ammonia equipment, catalyze, and technology to describe the actuality and the future which based the literature disquisition.For the equipment through the difference of the cold tube compose tower and insulate compose tower, we can know which is better and it can also give some advice of the development for our country equipment.For the technology, through the transform, commutation, decarburization and compose which tell the technology at present and development in future.introduce the new technology and the new development in technology flow.Key words: ammonia synthesis;new technology;catalyst;reactor 1、合成氨的历史

过去制氢是在水煤气发生炉中加水蒸汽使其焦炭气化，氮则以空气形式通入，使氢氮维持正确比例。在本法中吹入蒸汽通过灼热焦炭层生成氢。当焦炭因吸热反应被充分冷却时，即停止通蒸汽而改通空气。通空气燃烧将焦炭层温度升高到下一次水煤气循环所需要的温度。水煤气的净化过程是采用变换，水洗和铜洗微量。直到二次大战末,在欧洲和美国均采用此种造气和净化法。

上个世纪三十年代中期，已发展了用烃的催化剂和非催化转化法制氢。而催化转化法完全以法本公司的镍催化剂为基础。是将蒸汽和烃的混合物在730-1000℃下，在一段转化炉中进行转化，催化剂装在外部加热的管内。在二段转化炉中，氮是以空气形式或富氧空气形式一起导入，这时，烃的残余组份同时转化。经还原的一种镍催化剂可在第一段及第二段车钊七炉中使用。蒸汽转化工艺过程适于转化从天然气到轻油范围内的烃类。烃的非催化裂解是在有外壳的反应器内进行，这时烃与氧在不同压力下气化。以后是净化氢和混合物的工艺过程，脱硫只能在裂解后进行。净化了的气体与氮一起混合而导入合成系统[1-5]。

2、合成氨的现状

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，也被称作直接合成法。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

目前中国主要是以煤为主，油气并存的局面。

3、合成氨发展前景

原料路线的变化方向。从世界燃料储量来看，煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后，从煤制氨路线重新受到重视，但是因为以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故，到20世纪末，世界大多数合成氨厂仍以气体燃料为主要原料。

节能和降耗。合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。现在已提出以天然气为原料的节能型合成氨新流程多种，每吨液氨的设计能耗可降低到约29.3GJ。

与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。中国开发的用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺，以及中国、意大利等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺，都有明显的优点[6]。

4、氨的性质 4.1氨的物理性质

氨气的主要物理性质见下表

表3-1 氨气的主要物理性质

中文名 分子式 沸点（℃）熔点（℃）燃烧性 溶解性 爆炸极限 外观及性状 主要用途

4.2氨的化学性质

NH3遇HCl气体或浓盐酸有白烟产生，可与氯气反应。

(1)氨水（混称氢氧化铵，NH4OH）可腐蚀许多金属，一般若用铁桶装氨水，铁桶应内涂沥青。

(2)氨的催化氧化是放热反应，产物是NO，是工业制硝酸的重要反应，NH3也可以被氧化成N2[7-8]。氨气 NH3 330.0 10.5 助燃 极易溶于水 15.8%-28%

英文名 相对分子量 饱和蒸气压（kPa）

相对密度 溶解度 危险特性 偶极距

ammonia 17.03 0.13（145.8℃）（水=1）0.82 89.9 g/100 mL

腐蚀性 1.42D

通常情况下是有刺激性气味的无色气体

做制冷剂及制作化肥

5、合成氨的生产工艺及主要方法 5.1原料气的制备

将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。

5.2 净化

对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

5.2.1一氧化碳变换过程

在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%～40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下：

CO+H2O→H2+CO2

由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是制造原料气的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

5.2.2脱硫脱碳过程

各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。

粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。

一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。

5.2.3 气体精制过程

目前在工业生产中，净化方法主要分为深冷分离法和甲烷化法[9]。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-100℃)条件下用液氮吸收分离少量CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合[10]。甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。甲烷化反应如下：

CO+3H2→CH4+H2O ΔH=-206.2kJ/mol CO2+4H2→CH4+2H2O ΔH=-165.1kJ/mol 5.3氨的合成

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[10]。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10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下[11]：

N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol

6、原料气精制的主要方法

原料气经一氧化碳变换和二氧化碳脱除后，尚含有少量一氧化碳和二氧化碳，在送往氨合成系统前，为使它们总的含量少于10ppm，必须进一步加以脱除。脱除少量一氧化碳和二氧化碳有三种方法；

6.1 铜氨液吸收法

铜氨液吸收法是最早采用的方法，在高压、低温下用铜盐的氨溶液吸收一氧化碳并生成络合物，然后将溶液在减压和加热条件下再生，由于吸收溶液中有游离氨，故可同时将气体中的二氧化碳脱除：

6.2 液氮洗涤法 液氮洗涤法是利用液态氮能溶解一氧化碳、甲烷等的物理性质，在深度冷冻的温度条件下把原料气中残留的少量一氧化碳和甲烷等彻底除去，该法适用于设有空气分离装置的重质油、煤加压部分氧分法制原料气的净化流程，也可用于焦炉气分离制氢的流程。

6.3 甲烷化法

甲烷化法是60年代开发的方法，在镍催化剂存在下使一氧化碳和二氧化碳加氢生成甲烷：

由于甲烷化反应为强放热反应，而镍催化剂不能承受很大的温升，因此，对气体中一氧化碳和二氧化碳含量有限制。该法流程简单，可将原料气中碳的氧化物脱除到10ppm以下，以天然气为原料的新建氨厂，大多采用此法。但甲烷化反应中需消耗氢气，且生成对合成氨无用的惰性组分──甲烷。

7、Topsoe氨合成塔

为提高合成塔的生产能力，降低造价，设计出一种称为“ 热壁” 型式的合成塔，已投入工业应用。该合成塔耐压壳体较薄，重量较轻，制造费用较少，顶盖直径也较小。

(1)投资费用较少

耐压壳体较薄顶盖较小底部结构简单内件设计也很简单。(2)容易运输和安装

内件重量小，可以用标准集装箱船运。(3)流体分布均匀，床层压降小

催化剂的装填对合成塔能否发挥正常性能很重要。传统的径向流合成塔装填催化剂时都需要振打，以确保催化剂均匀填满整个床层。这种装填方式较耗时，且不容易装填好，易产生很多空穴，使气体出现偏流，催化剂利用率低。Topsoe研究出了一种称为“ 毛毛雨式装填法”该法装填迅速，所需时间为振打法的一半，而装填密度为振打法的102%-104%，且催化剂密度均匀。该法已在工业生产中取得了良好的效果。致谢：感受颇深，受益匪浅。在论文的写作过程中，有很多困难，在理论学习阶段，得到孙初锋老师的悉心指导和帮助。借此机会我向孙初锋老师表示衷心的感谢!同时，我也要感谢我的同学给予我的帮助，他们为我撰写论文提供了不少建议和帮助。在此要特别感谢孙老师，他为人随和热情，治学严谨细心。在学习生活中他能像知心朋友一样鼓励你，在论文的写作和措辞等方面他也总会以“专业标准”严格要求你，再次谢谢孙初锋老师!

参考文献

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