关于合成氨工业技术现状及节能技术研究论文[优秀范文五篇]

第一篇：关于合成氨工业技术现状及节能技术研究论文

随着科学技术的不断进步以及市场对于化工产品需求量的不断增加，化工行业正处于迅猛发展阶段。氨合成产品作为重要的化工产品，可以用于氮肥、硝酸以及铵态化肥的生产加工制造。随着市场对于合成氨产品要求的不断提高以及国家对于化工行业节能减排的要求，改善合成氨生产技术，加大节能技术开发，应经成为合成氨等相关化工行业迫切需要解决的主要问题。

一、现阶段合成氨工业主要生产原料

合成氨的反应公式为3H2+N2=2NH3+Q，合成氨的反应特点主要为：可逆反应，氢气与氮气反应生成氨，同时氨在一定条件下也可以分解成氢气和氮气；此外，合成氨的反应为放热过程，反应过程中反应热与温度以及压力有关；而且需要催化剂的催化方能迅速进行合成氨反应。现阶段用硬合成氨生产的原料主要有天然气、重质油以及煤或焦炭，具体生产工艺如下所示：

1.天然气

采用天然气生产合成氨主要工序为脱硫、二次转换、一氧化碳转换以及去除二氧化碳等工序，在上述工序完成后即可得到氮氢混合气，再利用甲烷化技术去除少量残余的一氧化碳以及二氧化碳，并经压缩机进行压缩处理，即可得到合成氨产品。

2.重质油

重质油主要是指常压或者减压蒸馏后的渣油以及利用原油深度加工后的燃料油。利用重质油生产合成氨的工艺为首先重油与水蒸气反应值得含氢气体。通过将部分重油燃烧以为反应转化吸热提供足够的热量以及足够的反应温度，进而通过重油制氢为合成氨的生产提供基础原料。

3.煤

以煤作为原料制取氢气的工艺流程主要包括煤的高温干馏焦化以及煤的气化两种，煤的焦化主要是将煤处于空气隔绝的高温条件下制取焦炉煤气，通常情况下焦炉煤气中含有60%左右的氢气，作为合成氨生产的原料。而煤的气化，将煤在高温条件下，通过常压或者加压的方式与水蒸气或者氧气反应，得到含氢的气体产物，以此为制作合成氨的原料。

二、合成氨生产工艺指标

1.合成氨生产压力

通常情况下将压力控制在3～4MPa左右，这主要是由于采取加压的条件可以降低能耗，保证能量的合理利用，而且采取加压的方式还可以提高反应余热的利用。

2.生产温度

对于一段炉的温度，一般控制在760～800℃左右，这主要是由于一段炉设备价值高，而且主要为合金钢管，合金钢管的特点在于温度过高容易造成使用寿命大幅度降低。对于二段炉温度，主要根据甲烷控制指标来确定。在合成氨的生产压力以及水碳比得出后，应该根据平衡甲烷的浓度来确定合成氨的生产温度。通常情况下要求yCH4<0.005，出口温度应为1000°C左右。实际生产中，转化炉出口温度比达到出口气体浓度指标对应的平衡温度高

3.水碳比

由于水碳比高的条件下，残余甲烷含量降低，且可防止析碳。因此一般采用较高的水碳比，约3.5～4.0。

三、合成氨生产节能措施研究

合成氨的生产作为需要大量能好的工业，对于合成氨生产工艺进行节能技术改造已经成为合成氨工业提高经济效益，实现健康可持续发展的关键。降低合成氨生产过程中的能耗，可以采取以下措施：

1.实现合成氨生产规模的大型化

生产规模的大型化在于可以综合利用能量，并且可以采用离心压缩机，在降低成本投入的同时，实现生产过程的节能。大型化的合成氨生产可以建立完善的热回收系统，进而降低能量的消耗，提高技术经济指标。此外，大型化的合成氨生产工艺由于采用了高速离心压缩机，减少了合成氨的设备，并实现了合成氨生产工艺的优化。

2.实现制气系统的节能优化

合成氨的生产主要集中在制气环节，制气环节的能耗达到成产工艺的70%以上，因此实现合成氨的节能，必须提高转化率降低燃料消耗。

对于利用天然气生产合成氨的工艺，可以采取以下几种措施：结合用于生产合成氨的天然气的密度以及其他信息，判断天然气碳含量，并及时调整蒸汽，并通过适当降低水碳比来实现生产工艺的节能；严格控制合成氨过程中的烟气氧含量，并尽可能的减少其波动，将其控制在较低的数值；在生产过程中除满足氢气与氮气比、二段炉出口的甲烷含量以及温度的条件外，应尽可能降低一段炉负荷；对于类似于Kelogg型的合成氨生产转化炉，应该尽可能地均衡控制各个支路间温度，并减少各炉管间温度偏差，进而大幅提高加热效率，这样不仅延长设备使用寿命，同时实现能耗的降低。

对于采用重油以及煤粉气化炉的合成氨生产工艺，实现节能技术改造可以采取以下措施：根据原料的基本属性如密度、热值等探寻反应的最佳配比，及时调整氧气量、蒸汽量，减少能耗；根据炉型及工艺设计不同控制方案，通过平稳操作和优化参数，提高转化率，降低能耗；由于这类气化控制的特殊性，如原料性质难以定性、监测点少、自动化程度低等，尚无开发出理想的优化控制系统。

3.从驰放气中回收氢

从驰放气体中回收含氢气体。从驰放气体中回收有氢气体主要有以下几种方式：第一，将驰放气体低温液化，进而通过蒸馏进行进一步的分离，通过这种方式不仅可以回收有氢气体，同时可以回收部分稀有气体。第二，采取分子筛在高压条件下吸附的方式，进而在减压下进行解吸的方法分离得到有氢气体。第三，采用多极膜分离方法，由于氢气透过膜的速率相比其他气体较高，并通过多极膜进行分离而获得纯度较高的氢气。

四、结语

随着资源的不断匮乏以及能源危机的制约，在合成氨生产工艺中采取各种节能措施，并进行技术改造以便于降低能源消耗，提高合成氨的生产效益已经成为合成氨生产技术改造的重点，这对于提高合成氨装置的设备可靠性，改善合成氨的技术经济指标也具有重要的意义。

参考文献

[1]何欢.方巨生.胡洪英.陈志方.胡振军.张新岭热联合在塔西南化肥厂节能降耗的应用[期刊论文]-油气田环境保护2011（5）.[2]余云松.朱建立.李青.李云.莫沅.张早校变负荷条件下的大型合成氨装置特性研究[期刊论文]-西安交通大学学报2009（10）.[3]胡子曼.张莹.毛雪峰.唐猷成.张伟东.杨景昌低温余热驱动的合成氨吸附分离流程的模拟及比较[期刊论文]-现代化工2010（4）.

第二篇：合成氨工业现状及节能技术(DOC)

化工工艺论文 合成氨工业现状和节能技术

化工工艺论文

题 目 名 称： 合成氨的工业现状

和节能技术

系 别：

化学与化工学院 专 业： 应 用 化 学 班 级： 学 生：

学 号：

指 导 教 师：

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摘 要

本论文介绍了合成氨的一些生产方法,分别为煤制气合成法、固定床气化法、流化床气化法、气流床气化法、溶浴床气化法以及对现代典型合成氨工业生产流程详细介绍；节能技术分别从工艺改造和护手各项余热和余能进行研究。

关键字：合成氨，煤制气，固定床，节能，回收

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abstract

This paper introduces some methods of production of synthetic ammonia,for coal gas synthesis method, fixed bed gasification, fluidized bed gasification, entrained flow gasification method, melting bath bed gasification method and typical of modern synthetic ammonia industry production process in detail.Energy-saving technology from process improvement and hand the residual heat and energy research.key words: synthetic ammonia coal gas energy conservation reclaim

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目录

第一章 合成氨工艺现状..............................................................1

1.1 国外传统型蒸汽转化制氨工艺阶段..............................................1 1.2 我国目前合成氨技术的基本状况................................................2 第二章 几种典型的合成氨工艺介绍....................................................3

2.1 煤制气合成氨工艺............................................................3 2.2 固定床气化法................................................................3 2.3 流化床气化..................................................................4 2.4 气流床气化..................................................................4 2.5 熔浴床气化..................................................................5 第三章 合成氨典型工业生产工艺流程..................................................6

3.1 造气工段....................................................................6 3.2 脱硫工段....................................................................6 3.3 变换工段....................................................................7 3.4 变换气脱硫与脱碳............................................................8 3.5 碳化工段....................................................................8 3.5.1 气体流程...........................................................................8 3.5.2 液体流程...........................................................................9

3.6 甲醇合成工段................................................................9 3.7 精炼工段...................................................................10 3.8 压缩工段...................................................................10 3.9 氨合成工段.................................................................11 3.10 冷冻工段..................................................................12 第四章 合成氨的节能技术...........................................................13 4.1 选择先进的节能工艺.........................................................13 4.2 回收各项余热和余能进行热能综合利用.........................................14 参考文献..........................................................................16

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第一章 合成氨工艺现状

合成氨工业在整个国民经济中占有重要的地位。它的发展速度、产品产量在一定程度上说明了一个国家工业的发展水平。这主要是因为俺的用途非常广泛。氨是一种重要的化工原料和化工中间产品，其产量居各种化工产品的首位，世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。它既可以用来制造尿素、碳铵、硝铵等氨类肥料，也可以用来做制药、高分子化学、有机化学等工业中的氨基原料。此外，氨还应用于国防和尖端科学技术部门。如制造各种硝基炸药、火药与导弹的推进剂等。工业上合成氨的方法，根据原料的不同分为三大类：固体燃料气化、重油分解及气体烃裂解制取。一下分别介绍国内外合成氨工艺的情况。

1.1 国外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臵投产,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1000t的大型合成氨技术,其装臵在美国投产后每吨氨能耗达到了4210GJ的先进水平。Kellogg传统合成氨工艺首次在合成氨装臵中应用了离心式压缩机,并将装臵中工艺系统与动力系统有机结合起来,实现了装臵的单系列大型化(无并行装臵)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Topsoe、德国Braun公司等合成氨技术专利商也相继开发出与Kellogg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。

传统型合成氨工艺以Kellogg工艺为代表,其以两段天然气蒸汽转化为基础,包括如下工艺单元:合成气制备(有机硫转化和ZnO脱硫+两段天然气蒸汽转化)、合成气净化(高温变换和低温变换+湿法脱碳+甲烷化)、氨合成(合成气压缩+氨合成+冷冻分离)。

传统型两段天然气蒸汽转化工艺的主要特点是:1)采用离心式压机,用蒸汽轮机驱动,首次实现了工艺过程与动力系统的有机结合；2)副产高压蒸汽,并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水；3)用一段转化炉烟道气预热二段空气,提高一段转化压力,将部分转

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化负荷转移至二段转化；4)采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷,逐级将气体降温至-23℃,冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。在传统型两段蒸汽转化制氨工艺中,Kellogg工艺技术应用最为广泛,约有160套装臵,其能耗为3717-41.8GJ/t。经过节能改造后平均能耗已经降至3517GJ/t左右。

1.2 我国目前合成氨技术的基本状况

我国的氮肥工业自20世纪50年代以来,不断发展壮大,目前合成氨产量已跃居世界第一位,现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术,形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力为4500万t/a左右,氮肥工业已基本满足了国内需求,在与国际接轨后,具备与国际合成氨产品竞争的能力,今后发展重点是调整原料和产品结构,进一步改善经济性。

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第二章 几种典型的合成氨工艺介绍

2.1 煤制气合成氨工艺

煤制气合成氨工艺中，以煤为原料的固定层煤气发生炉制得的半水煤气，经压缩机三级压缩后，被送去净化工序进行脱硫；然后经变换炉将水蒸气和一氧化碳进行变换，变换气经过脱除二氧化碳后，重新回压缩机四、五段提升压力，然后经过甲醇合成塔进行合成甲醇的反应，以便脱除部分一氧化碳和少量二氧化碳；出甲醇塔的气体经过冷却分离甲醇后送入精炼工序，经过水洗、铜氨液、氨水洗涤塔后得到满足合成氨需要的氢气和氨气；气体再次进入压缩机六段提升压力，压力达到20-30MPa，送去氨合成塔，借助合成触媒作用进行氨气的合成。生成的液氨经减压后送往液氨库存储备用。

图2-1 煤制气合成氨工艺图

2.2 固定床气化法

煤的固定床气化是以块煤为原料。煤由气化炉顶部间歇加入，气化剂由炉底送入，气化剂与煤

逆流接触，气化过程进行得很完全，灰渣中残碳少，产物气体的显热中的相当部分供给煤气化前的干燥和干馏，煤气出口温度低，而且灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因此气化剂效率高。这是一种理想的完全气化方式。

（1）固定床常压气化

此方法比较简单，但对煤的类型有一定要求，即要求用块煤，低灰熔点的煤难以使用常压方法用空气或空气-水蒸汽作为气化剂，制得低热值煤气。

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（2）固定床加压气化

固定床加压气化最成熟的炉型是鲁奇炉。它和常压移动床一样，也是自热式逆流反应床。所不同的是采用氧气-水蒸汽或空气-水蒸汽为气化剂，在2.0-3.0Mpa和900-1100℃的湿度条件下连续气化方法。

2.3 流化床气化

流化床气化又称沸腾床气化，它是以小颗粒煤为原料，将气化剂（蒸汽和富氧或氧气）送入炉内，是煤颗粒的炉内呈沸腾状态进行气化反应。它是一种介于逆流操作和顺流操作这两种情况之间的操作。

（1）温克勒法

温克勒法是最早开发的流化方法，在常压下，把煤粒度为0-8mm的褐煤、弱粘结性烟煤或焦碳经给煤机加入到气化炉内。在炉底部通入空气或氧气作介质，没与经过预热的气化剂发生反应。

（2）高温温克勒法

将含水分85-12%的褐煤输入到充压至0.98Mpa的密闭料锁系统后，经给煤机加入气化炉内。白云石、石灰石或石灰经给料机输入炉内。没与白云石类添加物在炉内与经过预热的气化剂（氧气/蒸汽或空气/蒸汽）发生气化反应。粗煤气由气化炉上方逸出进入第一旋风分离器，在此分离出的较粗颗粒、灰粒循环返回气化炉。粗煤气再进入第二旋风分离器，在此分离出的细颗粒通过密闭的灰锁系统将灰渣排出，除去煤尘。

（3）灰团聚气化法

它是在流化床中导入氧化性高速气流，使煤灰在软化而未熔融的状态下在锥形床层中相互熔聚而粘结成含碳量低的球状灰渣，有选择性地排出炉内。它与固态排渣相比，降低了灰渣的碳损失。

（4）加氢气化法

所谓的流化床气化就是煤气化过程中汽化剂（蒸汽和氧）将煤或煤浆带入气化炉进行气的方

2.4 气流床气化

所谓加氢气化就是在煤气化过程中直接用氢或富含H2的气体作为气化剂，生成富含CH4的煤气化方法，其总反应方程式可表示为：煤＋H2→CH4＋焦

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（1）K—T法

此法是最早工业化的气流床气化方法，它采用干法进料技术，因在常压下操作，存在问题较多。它是1948年德国海因里希-柯柏斯和托切克博士提出的一种气流床气化粉煤的方法。

（2）德士平古法

它是一种湿法（水煤浆）进料的加压气化工艺。气化炉是由美国德平古石油公司所属德平古开发公司开发的气流床气化炉。

2.5 熔浴床气化

50年代熔浴床煤气气化方法开始得到开发。熔浴床有熔渣床、熔盐床和熔铁床3类。下面分别介绍这3类床的某些制气方法。

（1）罗米方法

此法为常压粉煤熔渣浴气法，此法有单简式和双简式两种炉型。此方法的特点是：（1）适用于各种固体或液体燃料；（2）气体温度高；（3）气体强度高。

（2）觊洛格法

此法为—加压熔浴气化法。它是在熔融的Na2CO2盐浴内进行，熔融的Na2CO2对煤与蒸汽的反应具有强烈的催化作用，在较低温度下就可获得很快的反应速度。此法目前尚处于开发研究阶段，实验能否成功，关键在于气化炉。

（3）ATGAS熔铁床气化法

ATGAS法的实质是把煤粉与石灰石、蒸汽氧（或空气）一起吹到熔铁内，使煤的挥发份逸出，残留的碳溶解在熔铁中被气化。此法效率高，有害物质少，气化反应在常压下进行。煤种适用范围广，且气化炉结构简单。因此，此工艺被认为有可能放大到工业化生产。

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第三章 合成氨典型工业生产工艺流程

合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的制备、净化和压缩、合成。整个生产流程总共分为十个工段：1）造气工段；2）脱硫工段；3）变换工段；4）变换气脱硫与脱碳；5)碳化工段；6）甲醇合成工段；7）精炼工段；8)压缩工段；9）氨合成工段；10）冷冻工段。以下就详细的介绍整个生产流程。

3.1 造气工段

造气实质上是碳与氧气和蒸汽的反应，主要过程为吹风和制气。具体分为吹风、上吹、下吹、二次上吹和空气吹净五个阶段。原料煤间歇送入固定层煤气发生炉内，先鼓入空气，提高炉温，然后加入水蒸气与加氮空气进行制气。所制的半水煤气进入洗涤塔进行除尘降温，最后送入半水煤气气柜。

图3-1造气工艺流程示意图

3.2 脱硫工段

煤中的硫在造气过程中大多以H2S的形式进入气相，它不仅会腐蚀工艺管道和设备，而且会使变换催化剂和合成催化剂中毒，因此脱硫工段的主要目的就是利用DDS脱硫剂脱出气体中的硫。气柜中的半水煤气经过静电除焦、罗茨风机增压冷却降温后进入半水煤气脱硫塔，脱除硫化氢后经过二次除焦、清洗降温送往压缩机一段入口。脱硫液再生后循环使用。

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图3-2脱硫工艺流程图

3.3 变换工段

变换工段的主要任务是将半水煤气中的CO在催化剂的作用下与水蒸气发生放热反应，生成CO2和H2。河南中科化工有限责任公司采用的是中变串低变工艺流程。经过两段压缩后的半水煤气进入饱和塔升温增湿，并补充蒸汽后，经水分离器、预腐蚀器、热交换器升温后进入中变炉回收热量并降温后，进入低变炉，反应后的工艺气体经回收热量和冷却降温后作为变换气送往压缩机三段入口。

图3-3变换工艺流程图

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3.4 变换气脱硫与脱碳

经变换后，气体中的有机硫转化为H2S，需要进行二次脱硫，使气体中的硫含量在25mg/m3。脱碳的主要任务是将变换气中的CO2脱除，对气体进行净化，河南中科化工有限责任公司采用变压吸附脱碳工艺。来自变换工段压力约为1.3MPa左右的变换气，进入水分离器，分离出来的水排到地沟。变换气进入吸附塔进行吸附，吸附后送往精脱硫工段。

被吸附剂吸附的杂质和少量氢氮气在减压和抽真空的状态下，将从吸附塔下端释放出来，这部分气体称为解析气，解析气分两步减压脱附，其中压力较高的部分在顺放阶段经管道进入气柜回收，低于常压的解吸气经阻火器排入大气。

图3-4变换与脱硫工艺流程图

3.5 碳化工段

3.5.1 气体流程

来自变换工段的变换气，依次由塔底进入碳化主塔、碳化付塔，变换气中的二氧化碳分别在主塔和付塔内与碳化液和浓氨水进行反应而被吸收。反应热由冷却水箱内的冷却水移走。气体从付塔顶出来，进入尾气洗涤塔下部回收段，气体中的少量二氧化碳和微量的硫化氢被无硫氨水继续吸收，再进入上部清洗段。气体中微量二氧化碳被软水进一步吸收，最后达到工艺指标经水分离后，送往精脱硫塔进一步脱硫后，送往压缩机三段进口。

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3.5.2 液体流程

浓氨水由浓氨水泵从吸氨岗位浓氨水槽打入付塔，一方面溶解塔内的结疤，另一方面吸收主塔尾气中的剩余二氧化碳，逐步提高浓氨水的碳化度。然后，付塔的溶液由碳化泵从底部抽出，打入主塔，在主塔内进一步吸收变换气中的二氧化碳，生成含碳酸氢铵结晶的悬浮液，再由底部取出管压入分离岗位进行分离。

回收塔回收段中的无硫氨水来自合成或铜洗工段使用过的无硫氨水和回收段的稀氨水压入稀氨水压入吸氨岗位母液槽和稀氨水槽或送脱硫岗位使用，从回收段出来的水直接排污水沟。

图3-5碳化工艺流程图

3.6 甲醇合成工段

联醇是将经变换、脱碳后的净化气中的CO：1-5%、CO2＜0.5%（其含量可根据生产所要求的醇氨比调节）与气体中的H2经压缩机加压到15MP后，依次经过洗氨塔、油分、预热器、废热锅炉进入合成塔，在催化剂的作用下合成为甲醇，同时起到气体净化的作用。醇后气中CO＜0.5%、CO2＜0.2%。出塔气体经水冷却到40℃左右，将气体中的甲醇冷凝，使气体中的甲醇含量小于0.5%，经醇分离器分离出甲醇后，一部分气体经甲醇循环机返回甲醇合成塔，大部分气体进入精炼工段。

图3-6粗醇生产工艺流程示意图

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3.7 精炼工段

醇后工艺气中还含有少量的CO和CO2。但即使微量的CO和CO2也能使氨催化剂中毒，因此在去氨合成工序前，必须进一步将CO和CO2脱除。我们公司是采用醋酸铜氨液洗涤法，铜洗后的工艺气体中的含量将至25ppm以下。醇后气体由铜洗塔底部进入，与塔顶喷淋的醋酸铜氨液逆流接触，将工艺气中的CO和CO2脱除到25ppm以下，经分离器将吸收液分离后送往压缩机六段进口。铜氨液从铜洗塔经减压还原、加热、再生后，补充总铜、水冷却、过滤、氨冷后经铜氨液循环泵加压循环使用。

图3-7精炼工段流程图

3.8 压缩工段

压缩工段的压缩机为六段压缩。由于合成氨生产过程中，变换、脱碳、粗醇与氨合成分别在0.87MPa、3.7MPa、15MPa、27MPa条件下进行，压缩工段的任务就是提高工艺气体压力，为各个生产工段提供其所需的压力条件。

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图3-8压缩工段示意图

3.9 氨合成工段

氨合成工段的主要任务是将铜洗后制得的合格N2、H2、混合气，在催化剂的存在下合成为氨。压缩机六段来的压力为27MPa的新鲜补充气，与循环气混合后进入氨冷器、氨分离器、冷交换器，经循环机升压并经过油分离器除油后进入氨合成塔的内件与外筒的环隙，冷却塔壁，出来后经预热器升温后进入氨合成塔内件，完成反应后离开反应器，分别进入废热锅炉、预热器、软水加热器回收热量，最后经水冷器、冷交换器、氨冷器降温冷却，将合成的氨液化分离出系统，未反应的氮氢气循环使用。

图3-9氨合成工段示意图

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3.10 冷冻工段

由于氨合成工段需要通过液氨气化来产生低温生产条件，因此冷冻工段的任务就是把气态的氨重新液化。由氨蒸发器蒸发的气氨经气氨总管进入冰机前分离器，分离出液氨后进入氨压缩机加压，加压后的气氨经油分离器后进入水冷器，在此气氨冷凝为液氨并回到冰机液氨贮槽，由支出阀送给氨蒸发器循环使用或氨库。

图3-10冷冻工段示意图

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第四章 合成氨的节能技术

从合成氨行业发展历史来看,技术创新与进步是发展的主要推动力。多年来经合成氨企业与设计、科研、高等院校及设备制造单位共同努力,研究开发出很多的新工艺、新设备、新催化剂等节能先进技术和产品,以及行之有效的小改小革节能技术措施,在合成氨行业节能降耗中发挥了很大作用。下面就以无烟煤为原料生产合成氨的主要节能途径作归纳简述。

4.1 选择先进的节能工艺

根据合成氨生产的不同产品方案(尿素、碳酸氢铵、联醇等)选择不同工艺路线及组合是否合理,是最终能耗的关键。目前主要采用与推广的有如下几项。

(1)提升型固定床气化工艺。在传统固定床气化工艺基础进行了多项系统改造与创新,主要内容有造气炉改造、不停炉加煤与下灰、DCS系统优化控制、集中式余热回收与洗气塔、吹风气与炉渣回收利用等。其主要效果有:①气化强度可达1200-1300m3/(m2.h)。②蒸汽分解率达55%-60%。③炉渣残碳达15%以下(质量分数)。④1000m(标态)CO+H2原料

3煤消耗达550-590kg。⑤余热回收率可实现蒸汽自给。

(2)节能型的全低变与中低低变换工艺。在采用宽温钴钼低变催化剂的前提下,根据企业生产条件的不同情况,可选择节能型全低变或中低低变换工艺。这两种工艺变换率高、流程简单、系统阻力低、蒸汽消耗少,在0.8MPa压力与出系统气体中CO体积分数1.5%左右时,吨氨蒸汽消耗分别为250kg和350kg。同时结合企业产品结构调整与改造,可将变换压力从0.8MPa提升到1.5-2.1MPa(视整个生产工艺不同而确定),从而减少每吨氨870-940m3(标态)原料气体压力从0.8MPa压缩到1.5-2.1MPa的压缩功,吨氨节电约30-40kW/h。

(3)节能环保型的醇烷化(称双甲)或醇烃化气体精制工艺:该项技术是属清洁生产工艺,主要取代传统的铜洗工艺,铜洗工艺既消耗多种化学品,又耗电,操作不易稳定,易带液,是合成氨生产不稳定的环节,泄漏铜氨液及回收下来的稀氨水,影响到环境保护。醇烷化或醇烃化的工艺具有流程短、净化度高、操作安全稳定等优点,它既可节能节约原材料(吨氨节约蒸汽、电力等折标准煤40kg左右),又有很好的环保效果,而且有很好的经济效益。

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(4)经运行的节能合成工艺:在采用低温活性好、宽温高强度氨合成催化剂与相匹配的高效节能合成塔基础上,结合塔外提温与二级余热回收工艺,实行低空速、低阻力、低压力的经济运行,使操作压力降至22-24MPa(低时还可降2MPa左右),吨氨节电50-60kW/h,并减少放空量,节约原料煤耗30-40kg(折标煤)。

（5）使用高效节能单元设备、催化剂及新材料在工艺流程确定后,如何使用高效节能的催化剂和单元操作设备对节能也起到重要作用。①新型催化剂:如宽温钴钼低变催化剂、低温高活性氨合成催化剂、高效的888脱硫剂、常温精脱硫剂等。②各种高效塔器:如规整填料塔、格栅填料塔、垂直筛板塔等多种塔器在合成氨各生产工序都有应用,并都取得一定的效果。以变脱塔为例,采用QYD型气液传质组合塔板内件取代传统填料塔,经实际使用证明,使传质效率大大提高、塔高可降低1/

3、溶液循环量减少30%-50%,吨氨节电5-6kW/h,并解决了填料堵塞问题。③各种高效换热器:如折流杆异形管换热器、波纹管热交换器(冷凝器)、板式换热器、热管式换热器、蒸发式冷凝器等多种换热器在合成氨工序都有应用,并都取得一定的效果。以冷冻系统使用蒸发式冷凝器为例,该设备应用热力学、传热学等工程学的先进技术,使用了高效传热元件加以优化组合,大大提高了换热效果和冷却冷凝效果,达到节电与节约冷却水用量的节能效果,是取代传统立式水冷冷凝器的有效节能设备。④各种分离过滤设备:如高效双级旋风除尘器、静电除焦油器、组合式高效氨分离器、高效油分离器、LH系列高效溶液过滤器,新型硫泡沫过滤器等。在合成氨生产过程中,这些设备对确保气体与溶液的净化度、提高运行的稳定性及节能降耗都起到相当有效作用。

4.2 回收各项余热和余能进行热能综合利用

(1)充分回收合成氨各工艺过程中的余热和余能:如造气系统的造气炉夹套、炉渣、飞屑的余热,上、下行煤气的显热,吹风气的显热与潜热,脱碳系统脱碳富液和铜洗系统铜液的能量,变换系统的变换气和合成系统合成塔出口合成气的余热等。

(2)回收合成两气中氨和氢,提高有效资源利用率:在合成氨生产过程中,由于生产负荷的变化,为保持氨合成系统的适宜操作压力,造成合成系统中的放空气和氨槽弛放气量增加,而这部分气体中均含有大量氢与氨随之放空,导致合成氨各项消耗增多,成本升高。根据这两种气源的不同组分和弹性,可分别采用膜分离技术回收放空气中氢气和采用无动力氨回收技术回收氨槽弛放气中的氨。

(3)实施系统热能综合利用、提高能量回收利用率:从化工过程系统工程与热力学相

化工工艺论文 合成氨工业现状和节能技术

结合的角度出发,把节能推上一个新的高度,将合成氨生产过程所有的余热、余能按能位的高低加以优化组合与合理利用,使能量获得多级利用,提高能量回收利用率。根据企业不同生产规模与不同氨加工产品等不同情况进行不同的热能综合利用的设计方案。如采取热电联产(余热发电)或热功联产(汽轮机驱动),还可利用低位能余热,通过溴化锂吸收制取低温冷水,用于冷却氮氢压缩机一级、三级、六级、七级入口煤气、脱碳吸收液和合成循环气等,提高压缩机打气量,减少脱碳液循环量,降低氨冷和冰机负荷,达到增产节电的明显效果,尤其是夏季高温时,其效果更为突出。对于热电联产或热功联产,可根据各企业条件加以分别选择,此部分节能效果十分明显,以100kt/a合成氨规模为例,利用吹风气、合成放空气、弛放气、造气炉渣、飞屑等余热资源可副产3.82MPa,450℃过热蒸汽约25t/h,入背压发电机组可每小时发电约2250kW/h,折吨氨副产发电180kW/h左右。全年节约外供电达1800万kW/h。

(4)其它有关节能技术措施:如DCS系统控制调优技术、机泵电机采用变额调速技术、企业电网系统节电技术、蒸汽管道系统节能、冷凝水回收利用等,以及各项行之有效的改革措施。

(5)充分利用资源、提升产品价值,降低万元产值能耗水平,提高企业经济效益。合成氨生产过程排放的各种废气如何加以充分利用是值得研究并加以发展。以回收合成放空气中的氢气和回收脱碳放空气中的CO2为例,按生产80kt/a合成氨规模计算,回收放空气中氢气可生产40kt/a双氧水,并用其回收的脱碳放空气中的CO2生产液体CO2(工业级)30kt/a,则其年销售产值可从2.00亿元提高至2.69亿元,而年消耗标准煤从128.00kt增至130.85kt,万元产值能耗(折标煤)从6.400t降低到4.864t,下降了24%,年增加经济效益(利税)约2500万元,其节能与经济效果十分明显。

化工工艺论文 合成氨工业现状和节能技术

参考文献

[1] 蒋德军.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势.现代化工，2005,年8月.[2] 韩明山.合成氨生产技术探讨.化学工程设备，2011年5月.[3] 於子方.合成氨行业能耗现状与主要节能途径.上海达门化工工程技术，2009年2月.[4] 张辉，赵红柳，冯树波.合成氨生产中含尾气回收工艺进展.河北阶级大学化学与制药工程学院，2009年8月.[5] 曹仑，张卫峰，高力.中国合成氨生产能源消耗状况及其节能潜力.华中农业大学资源与环境学院，2008年4月.[6] 韩铁飞.大型合成氨生产节能分析.中国神华煤制油化工，2010年2月.[7] 陈实，袁令，高林.合成氨工艺系统的分析及节能研究.北京理工大学化工与环境学院，2009年11月.[8] 王士荣.合成氨节能降耗改造.武汉大学，2012年5月.

第三篇：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

[1 ] 蒋德军.现代化工，[J ].2002，22(6):39 – 48.[2 ] 蒋德军，合成氨工艺技术的未来发展趋势 [J] 现代化工，2005.[3 ] 刘增胜.大型氨合成塔的发展动态.化肥工业，1994

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第四篇：合成氨论文

合成氨

王俊丽

一、氨合成（一）氨合成概述

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≈2NH

3目前中国主要是以煤为主，油气并存的局面，晋开公司就是采用晋城的煤来合成氨，其基本流程图如下：无烟煤、蒸汽、空气→造气→脱硫→变换→脱二氧化碳→压缩→合成氨

（二）原料气的制备

现在我国主要采用三种工艺进行制气：固定床、流化床和气流床。晋开公司使用的是间歇固定床式工艺法来制造原料气。固体燃料油加料机从煤气发生炉顶部间歇加入炉内。吹风时，空气经鼓风机加压自上而下经过煤气发生炉，出风气经过燃料室及废热锅炉回收热量后放空。蒸汽上吹制气时，煤气经过燃料室及废热锅炉回收余热后，再经洗气箱及洗涤塔进入气柜。二次上吹时，气体流向和上吹相同。空气吹净时，气体经燃料室、废热锅炉、洗气箱和洗涤塔进入气柜。此法发生的化学反应为C + O2 →

CO2

C + H2O →

CO + H2

（三）脱硫工段

1、工艺流程

从造气系统来的半水煤气进入气柜，从气柜出口水封进入除尘塔降温除尘，然后送入罗茨风机。从罗茨风机出来的半水煤气经脱硫前冷却塔降温后进入脱硫塔，与脱硫喷淋而下的脱硫溶液逆向接触，除去半水煤气的硫化氢。脱除了硫化氢的半水煤气进入清洗塔，进行清洗、降温后分别进入三个并联的静电除焦塔，除焦除尘后煤气汇入煤气总管，送往压缩机，经压缩机加压后，从压缩机三段出口进入变换。吸收硫化氢后的栲胶溶液经塔底自调阀调节，保持一定液位，靠塔内压力和位差进入再生泵，由再生泵加压后打入再生槽，完成脱硫溶液的再生和析硫过程，再生后的贫液通过再生槽的液位调节器进入循环槽，经脱硫泵打入脱硫塔循环使用。

2、栲胶脱硫

这种方法用栲胶溶液在脱硫塔内与半水煤气逆流接触脱除气体中的硫化氢，吸收硫化氢后的富液经再生泵送往喷射再生槽，再生槽自吸空气喷射再生。

3、反应原理

主要反应：

Na2CO3 + H2S = NaHS + NaHCO3

2NaHS + 4NaVO3 +H2O =4NaOH +2S +Na2V4O9

（四）变换工段

1、变换工段的基本原理

压缩三段送来的半水煤气，在一定温度下CO和水蒸气在催化剂的作用下，发生变换反应生成二氧化碳和氢气，使一氧化碳满足生产要求后送往后序工序

2、变换工段工艺流程

来自压缩三段的半水煤气经丝网除油器分离油水后，经净化炉进一步除油，出油后的半水煤气进入潜热交换器的壳程与管程的变换气换热，温度升高后，此时向半水煤气中添加蒸汽，调节合适的汽气比后进入后换热器的管程与壳程的变换器换热，适当调节冷煤气复线阀的开度，使进变换炉气体温度符合要求后进入变换炉的一段，经过变换炉的一段上部抗毒剂除去对触媒有害的成分，然后进入下部的触媒进行反应，经过一段反应温度升高后，进入后换热器的壳程换热后温度下降，接着进入增湿器的一段，利用喷水气化法对一段进一步降温增加水蒸气含量后进入变换器二段，经过二段抗毒剂及触媒层反应后，进入二段增湿器，经过降温增加水蒸气含量后，进入变换炉三段进一步反应，使一氧化碳满足要求后，离开变换炉。完成一氧化碳变换反应后的变换气经过前热交换的管程后进入软水交换器，与软水换热后，用循环水进一步降温，然后经变换器分离器降冷却下来的蒸汽分离出来后，变换气离开变换系统进入下个工序。

3、反应原理

CO + H2O → CO2 +H2

（五）变压吸附脱碳

1、基本原理

利用固体吸附剂吸收变换气中的硫化氢、二氧化碳，完成变换气的初步净化，使净化气中的二氧化碳含量在百分之0.4-1.3之间。吸收二氧化碳、硫化氢的固体吸附剂经过水环真空泵得到解吸再生。

本装置采用的是变压吸附技术来脱除和提纯二氧化碳。变压吸附是以吸附剂内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点成分，不易吸附低沸点成分；高压下被吸附组分吸附总量增加而低压下被吸附组分总量减少的特点来实现分离。

2、工艺流程

原料气在压力1.5-1.8mpa下进入系统，经流量计计量后进入20台吸附器I及一组程控阀组成的变压吸附PSA-I系统。由吸附塔入口通入原料气，在出口获得8%-14%的半产品气。半产品气进入半产品气缓冲罐稳压后，进入20台吸附器II及一组程控阀组成的PSA-II系统，然后送出界外。PSA-II系统逆放初期解吸气经过一程控阀进入一系统

进入升压缓冲罐稳压后，通过程控阀进入一系统进行与升压；逆放后期通过程控阀就地高空排放。一系统采用20-7-10/V工艺，7塔同时进料，10次均压、逆放、抽真空解吸流程。原料气进入7台正在处于吸附状态的吸附器中，大部分CO2被吸附，其余大部分组分通过吸附剂，在吸附器顶部得到半产品气。其余13台吸附器分别进行其他步骤的操作。20台吸附器依次循环工作，时间上相互交错，以此达到原料气不断输入，半产品气不断输出的目的。二系统采用20-7-9/V工艺，20塔操作，7塔同时进料，9次均压，抽真空解吸流程。半产品气从底部进入7台正在吸附的吸附器中，二氧化碳几乎全部被吸附，其余组分穿过吸附剂，在吸附器顶部得到净化气。其余13台吸附器分别进行其他步骤的操作。20台吸附器依次循环工作，时间上相互交错，以此达到原料气不断输入，半产品气不断输出的目的。

（六）精脱硫工艺

1、基本原理

从变压吸附出来的净化气中含有一定量的硫化氢和有机硫，在一定条件下，在精脱塔里固体精脱硫剂的作用下，将大部分硫化氢及有机硫脱去在工艺指标范围内。

2、工艺流程

来自脱碳工序的净化气先经过第一精脱槽，再进第二精脱槽。一二精脱塔之间有切换复线，可实现两个精脱塔的串并及单独使用。

（七）气体的压缩

1、工作原理

在合成氨生产中，原料气的净化和合成是在一定的压力下进行的，因此需要对气体进行压缩，以达到所需的压力，同时完成气体的输送。晋开主要使用的是王府压缩机，它的压力范围十分广泛，效率较高。

2、工艺流程

来自净化工段的半水煤气，经过分离器分离水分后，进入压缩机一段加压。加压后的气体经冷却器冷却后和油水分离器分离油水后，再送入压缩机二段加压。加压后的气体经二段冷却器及油水分离器分离油水后，送变换工段。从变换气脱硫岗位来的变换气经三段汽水总分离器分离水分后，进入压缩机三段加压，加压后的气体经三段冷却器及油水分离器分离油水后送入变压吸附脱碳工序从脱碳来的净化气经四段总分离器分离油水后，依次进入四五段，然后逐段加压，每段加压、冷却的气体依次冷却、分离，送入下一段加压，由五段分离油水后进入下个工序。

(八）合成氨工艺

1、氨的主要特点

氨在标准状态下是无色气体，比空气密度小，具有刺激性气味。会灼伤皮肤、眼睛，刺激呼吸器官粘膜。空气个氨质量分数在0.5％-1.0%时，就能使人在几分钟内窒息。

氨的相对分子质量为17.3沸点(0.1013MPa)-33.5C冰点一77．7C,临界温度132.4C，临界压力ll．28MPa．液氨的密度0.1013MPa、-334C为0.6813kg?L‘。标准状态下气氨的密度7．714×10E4 kg-L 摩尔体积22．08L?mol-1液氨挥发性很强。气化热较大。氨基易挥发，可生产含氨15%~30%(质量)的商品氨水，氨溶解时放出大量的热。氨水溶液呈弱碱性，易挥发。液氨和干燥的气氨对大部分材料没有腐蚀性，但是在有水存在的条件下。对铜、银、锌等金属有腐蚀性。

氨是一种可燃性物质，自然点为630C，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸，常压，室温下的爆炸范围分别为15.5%~28%和13.5%~82% 氨的化学性质较活泼，能与碱反应生成盐。

2、合成氨工艺的流程

（1）分流进塔：反应气分成两部分进塔，一部分经塔外换热器预热，依次进入塔内换热管、中心管，送到催化剂第一床层，另一部分经环隙直接进入冷管束，两部分气体在菱形分布器内汇合，继续反应，这样使低温未反应气直接竟如冷管束，稍加热后，作为一、二段间的冷激气，从而减少冷管面积和占用空间，提高了催化剂筐的有效容积，并强化了床层温度的可调性。同时仅有65~70%的冷气进入塔内换热器和中心管，减轻了换热器负荷，因而减少了换热面积，相对增加了有效的高压容积，也使出塔反应气温度提高（310~340℃），即回收热品位提高。气体分流进塔还使塔阻力和系统阻力比传流程小。

（2）进塔外换热器的冷气不经环隙，这样温度更低，使进水冷器的合成气温度更低（约75℃左右），提高了合成反应热的利用率，降低了水冷器的负荷和冷却水的消耗。

（3）水冷后的合成气直接进入冷交管间，由上而下边冷凝边分离，液氨在重力和离心力的作用下分离，既提高了分离效果，又减小了阻力。

（4）塔后放空置于水冷、冷交后，气体经连续冷却，冷凝量多，因此气体中氨含量低，惰气含量高，故放空量少，降低了原料气消耗。

（5）塔前补压：循环机设于冷交之后，气体直接进塔，使合成反应处于系统压力最高点，有利于反应，同时循环机压缩的温升不消耗冷量，降低了冷冻能耗。

（6）设备选用结构合理，使消耗低，运行平稳，检修量减少，工艺趋于完善。

（7）选用先进的自控手段，如两级放氨，氨冷加氨，废锅加水，系统近路的控制，均用了DCS计算机集散系统自动化控制，冷交、氨分用液位检测采用国内近几年问世的电容式液位传感器等新技术使操作更加灵活、平稳、可靠，降低了操作强度。

3、氨的净化和输送

由合成车间液氨仓库经液氨升压泵加压后的原料液氨，压力大于2 /20cmkg（表压），温度约<20C°直接送入尿素生产车间27米楼面的液氨过滤器，进入液氨缓冲槽原料室。

来自一段循环系统冷凝器回收的液氨，自氨冷凝器A、B流入液氨缓冲槽的回流室，其中一部分液氨正常为60%，作为一段吸收塔回流液氨用，而其余液氨经过液氨缓冲槽的中部溢流隔板，进入原料室与新鲜原料液氨混合后一起至高压氨泵，这样可使液氨保 持较低的温度以减少高压氨泵进口氨气化。氨缓冲槽压力维持在2/17cmkg左右，设置 在高为23米平面上，是为了具有足够的压头，使液氨回流进入一段吸收塔，同时也为了保证高压氨泵所需要的吸入压头。氨缓冲槽原料室的液氨，进入高压氨泵（单动卧式三联柱塞泵、打液能力为每台 hrM/243，反复次数180次/分、电动机250KW、三台高压氨泵一台备用）将液氨加压。

参考文献

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第五篇：合成氨论文

合成氨反应过程

专

业：化学工程与技术

学

号：220092212

姓

名：周诗健

合成氨反应过程

摘要

本文概括介绍了合成氨反应过程，介绍了合成氨催化剂、合成氨工艺、合成氨工艺流程以及合成氨反应发展前景。催化剂由最初的铁基催化剂，发展到现在的钌基催化剂和纳米催化剂的发展过程。目前国内外合成氨的方法比较多，合成工艺流程虽然不同，但是许多基本步骤是具有相同的地方。但想要进一步完善合成氨过程，也需要研究者进一步努力，困难是存在的，但前景是广阔的。

关键词 合成氨 催化剂 发展

一、合成氨催化剂

1、铁基合成氨催化剂

传统的合成氨催化剂于20世纪初由德国BASF公司研制开发出来的[1]。它是由磁铁矿制备的，加入少量不可还原氧化物作为促进剂，特别是K、Ca、Al。磁铁矿作为不可缺少的催化剂前驱体早已被人们所熟知，并予以接受。由于它允许Al3+和Fe3+进行简单的阳离子取代并均匀分布其中，这样磁铁矿还原成金属铁后，铁粒子要么被分散均匀的铝氧化物包覆[2]。要么包含于次晶铁铝酸盐物种中，这两种情况都能使铁避免烧结，因而延长了催化剂的寿命。当Fe2+/Fe3+高于或低于0.5时，其活性都会降低[3]，正因为这个原因，人们认为这种催化剂的组成是固定不变的，并且人们并不期望这种催化剂的催化性能再有多大的提高。也正是因为这个原因，另外一种完全不同的低压合成氨催化剂——Ru/C催化剂被开发出来了[4,5]。关于合成氨熔铁催化剂，人们一直都认为R值(即Fe2+/Fe3+)为0.5时其催化活性达到最佳状态，这一经典理论沿袭了80多年，直到刘化章等人找到了性能更佳的新的熔铁催化体系———维氏体Fe1-XO体系[6,7]才突破了这一经典结论，标志着合成氨催化剂进入了一个新的发展时期。

2、钌基催化剂

钌基催化剂的开发成功是合成氨工艺的一个重大进步，它对合成氨工业降低生产成本，降低能耗有着十分重要的现实意义。近年来，以Ba为促进剂，BN为载体的钌催化剂得以成功开发，它具有前所未有的活性和稳定性。BN具有与

石墨相似的结构，在所有的加氢反应中都很稳定，是一种高温电阻绝缘材料。在特定的反应条件下(温度、压力、H2/N2比、氨浓度等)可选择合适的BN表面积、钌负载量、助剂及浓度、颗粒大小与密度，以获得最佳的Ba-Ru/BN催化活性;而且采用类似处理Ba-Ru/MgO催化剂的处理方法来回收Ba-Ru/BN催化剂，这无疑大大降低了使用这种催化剂的成本，为它的工业化应用打下了基础。

3、纳米合成氨催化剂

纳米催化剂的选择性要比普通催化剂平均高5～10倍，活性高2～7倍，在实验室研究中，人们[8-11]利用各种方法已经研制出了纳米Fe3O4、纳米Fe2O3、纳米CuO、纳米NiO、纳米ZnO、纳米MoO3等纳米微粒催化剂，它们是合成氨过程中制气、脱硫、变换、精炼、合成等几道工序需要用到的催化剂。虽然它们具有良好的催化活性，但是大部分还只停留在实验室阶段，离实际应用还有相当一段距离，要想使它们在实际的生产中得以应用，还需要科研工作者付出巨大的努力。

4、其它合成氨催化剂

丹麦哈尔多托普索研究实验室的研究人员[12]研制成功可替代传统铁催化剂的系列产品。研究表明，在工业条件下，三元氮化物如Fe3Mo3N、Co3Mo3N和Ni2Mo3N用作合成氨催化剂时活性高稳定性好。另有研究发现，若在Co3Mo3N催化剂中加入Cs，其活性高于目前所使用的熔铁催化剂。据报道，在相同操作条件下，其活性为传统铁催化剂活性的2倍。

二、制氨工艺

1、传统型蒸汽转化制氨工艺阶段[13]

传统型合成氨工艺以Kellogg工艺为代表，其以两段天然气蒸汽转化为基础，包括如下工艺单元:合成气制备(有机硫转化和ZnO脱硫+两段天然气蒸汽转化)、合成气净化(高温变换和低温变换+湿法脱碳+甲烷化)、氨合成(合成气压缩+氨合成+冷冻分离)。

传统型两段天然气蒸汽转化工艺的主要特点是: ①采用离心式压缩机，用蒸汽轮机驱动，首次实现了工艺过程与动力系统的有机结合。

②副产高压蒸汽，并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水。

③用一段转化炉烟道气预热二段空气，提高一段转化压力，将部分转化负荷转移至二段转化。

④采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷，逐级将气体降温至-23℃，冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。

在传统型两段蒸汽转化制氨工艺中，Kellogg工艺技术应用最为广泛，约有160套装置，其能耗为37.7~41.8 GJ/t。经过节能改造后平均能耗已经降至35.7 GJ/t左右。

2、节能型制氨工艺阶段[14](1)凯洛格(Kellogg)工艺

美国凯洛格公司与英国石油公司(BP)合作开发的更先进的合成氨工艺———KAAP和KRES组合技术，将吨氨能耗降到25.96~27.21GJ，这是对合成氨工艺的重大突破。KAAP技术采用低温低压下高活性的氨合成Fe系催化剂。KRES技术为自热式转化技术，设备由换热式一段转化炉和绝热式二段转化炉组成，从二段炉出来的热转化气通过换热向一段炉提供所需全部热量，使能耗大为降低。

(2)布朗(Braun)工艺

美国布朗公司的节能措施主要是减少燃料天然气用量，即减少一段转化炉负荷(出口CH4含量从原10%提高至30%左右)，增大二段转化炉负荷并在此加入过量空气(产生大量反应热，提供残余CH4转化所需热量)，从而使一段炉温降低，燃料天然气用量减少。同时，采用深冷净化脱除过量的氮，并用燃气透平驱动空气压缩机，吨氨能耗为28.4GJ。

我国对引进的布朗装置的一段转化炉采用了低水碳比节能技术，氨合成采用了三塔三废热锅炉回路流程，利用余热产生高压蒸汽，进一步降低了能耗。

(3)ICI工艺

英国ICI公司的AM-V流程，除了采用布朗工艺的一些节能措施外，最主要的特点是开发、应用了在低温低压下活性好的氨合成Fe-Co催化剂。1988年，ICI公司又开发了流程简化、规模缩小的LCA工艺，建成2套日产450t氨的装置，吨氨能耗为29.31GJ，证明了中型合成氨装置也可达到与大型合成氨装置相当的节能水平。

(4)KPK工艺

KPK工艺是KRES/PURIFIER/KAAP的简称，该工艺包含了Kellogg、Braun先进技术，主要有用换热式转化器替代传统的一段转化炉，采用钌系催化剂和深冷净化技术等，是新型的合成氨节能工艺。

(5)其它合成氨技术进展

Uhde公司的CAR工艺：CAR工艺可节省35%转化所需的氧气，可节省15%的原料气。该工艺特别适合于生产能力为150~900t/d的合成氨生产装置。

GIAP的联合转化工艺：GIAP联合转化工艺不但可以降低能耗，而且也没有液体和气体的排放。该系统与常规合成氨转化系统相比，投资可节省一半。采用联合转化工艺，氨合成回路压力为8.0MPa，天然气的消耗为吨氨778m，动力消耗为吨氨408kwh，吨氨外供高压蒸汽0.037t，装置的总能耗可达到吨氨27.7GJ。

三、合成氨的工艺流程[15]

1、原料气制备

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。

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。

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+CO2-41.2kJ/mol 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变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

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。

③ 气体精制过程

经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。

目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法[16]和甲烷化法。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。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

-206.2kJ/mol

CO2+4H2→CH4+2H2O-165.1kJ/mol

3、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。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：

N2+3H2→2NH3(g)-92.4kJ/mol

四、合成氨催化剂的进展

衡量合成氨工业技术水平的标准不是产品氨的产量，而是其能耗的高低。而合成氨催化剂是影响合成氨工业产率和效率的最重要的因素。从1913年的铁催化剂到1994年的A202催化剂,历时80多年,催化剂母体无一例外都是Fe3O4,而其活性从20世纪50年代的A106到20世纪90年代的A202催化剂,历时40多年,仅提高2~3个百分点。新型的钌基合成氨催化剂可在低温、低压下操作，而且寿命很长，可节省大量能耗，必将成为替代铁基催化剂成为21世纪合成氨催化剂的主流。然而，由于钌的稀有和昂贵，必须综合考虑由于钌的价格因素所带来的成本与节省能耗的关系，开发出新一代高效节能型合成氨催化剂。而纳米催化剂具有普通催化剂不能相比的高催化性，而且价格也不是很昂贵，很适合工业生产，但现阶段纳米催化剂还只能运用于实验室内，并不能够适应于大规模工业生产。因此，需要研究者们进一步努力，能够开发出具有高催化性、廉价的催化剂。

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