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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),#,合成氨,生產(chǎn),工藝希爾,周瑞,氨的合成,氨的合成,是最后,一道工序，任務(wù)是在 適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力和有催化劑存在的條件下，將經(jīng)過精制的氨氮混合氣直接合成為氨。然后將所生成的氣體氨從末合成為氨的混合氣體中冷凝分離出來，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的白白氫氮?dú)怏w循環(huán)使用。凝分離出來，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的氫氮?dú)怏w循環(huán)使用。,一、氨合成反應(yīng)的特點(diǎn),3H,2,+N,2,=2NH,3,+Q,(1),是可逆反應(yīng)。即在氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)狻?(2),是放熱反應(yīng)。在生成氨的同時(shí)放出熱量，反應(yīng)熱與溫度、

2、壓力有關(guān)。,(3),是體積縮小的反應(yīng)。,(4),反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。,第一節(jié) 氨合成的基本理論,1.,平衡常數(shù),:,降溫、加壓平衡常數(shù)增大,2.,平衡氨含量,反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)氨在混合氣體中的百分含量，稱為平衡氨含量，或氨的平衡 產(chǎn)率。,氫氮混合氣體中所含的甲烷和氬等不參加氨合成反應(yīng)的氣體成分，稱為惰性氣體。,提高平衡氨含量的措施為降低溫度，提高壓力，保持氫氮比等于,3,，并少惰性氣體含量。,二、氨合成反應(yīng)的化學(xué)平衡,(,一,),反應(yīng)機(jī)理,在催化劑的作用下，氫與氮生成氨的反應(yīng)是一多相氣體催化反應(yīng)。由以下幾個(gè)步驟所組成：,(1),氣體反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑外表面；,(2),反應(yīng)物自催化劑外表

3、面擴(kuò)散到毛細(xì)孔內(nèi)表面；,(3),氣體被催化劑表面,(,主要是內(nèi)表面,),活性吸附,(,與普通吸附的區(qū)別在于有化學(xué)力參與在內(nèi)，并放出熱量,),；,(4),吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學(xué)反應(yīng)，生成 產(chǎn)物；,(5),產(chǎn)物自催化劑表面解吸；,(6),解吸后的產(chǎn)物從催化劑毛細(xì)孔向外表面擴(kuò)散；,(7),產(chǎn)物由催化劑外表面擴(kuò)散至氣相主流。,以上七個(gè)步驟中，,(1),、,(7),為外擴(kuò)散過程；,(2),、,(6),為內(nèi)擴(kuò)散過程；,(3),、,(4),和（,5,）總稱為化學(xué)動(dòng)力學(xué)的過程。,三、氨合成動(dòng)力學(xué),反應(yīng)速度是以單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)濃度的減少量或生成物質(zhì)濃度的增加量表示。,影響氨合成反應(yīng)速度因素：,1.

4、,壓力,提高壓力可加快氨的生成速度使氣體中氨含量迅速增加。,2.,溫度,反應(yīng)速度隨著溫度升高顯著加快。,二、反應(yīng)速度,可以作氨合成催化劑的物質(zhì)很多，如鐵、鉑、錳、鎢和鈾等。但由于以鐵為主體的催化劑具有原料來原廣，價(jià)格低廉，在低溫下有較好的活性抗毒能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)、廣泛采用。,第二節(jié) 氨合成催化劑,1,催化劑在還原前的化學(xué)組成及其作用,鐵催化劑在還原之前，以鐵的氧化物狀態(tài)存在。其主要成分是三氧化二鐵,(Fe,2,O,3,）和氧化亞鐵,(FeO),。此外，催化劑中還加入各種促進(jìn)劑。,(1),氧化鐵的組成,(2),促進(jìn)劑的組成及作用,促進(jìn)劑又稱助催化劑，它本身沒有催化活性，但加入催化劑 中，

5、可改善催化劑的物理結(jié)構(gòu)，從而提高催化劑的活性。合成氨鐵催化劑中，普遍采用的促,進(jìn)劑有三氧化二鋁,(A1,2,O,3,),、氧化鉀,(K,2,O),和氧化鈣,(CaO),等。,一、催化劑的組成及性能,1.,催化劑的還原,（,1,）催化劑還原反應(yīng)的原理,催化劑中氧化鐵不能加速氨合成反應(yīng)速度，必需將其還原成活潑的鐵，才具有催化活性，常用還原方法是將制成的催化劑裝在合成塔內(nèi)通入氫氮混合氣，使催化劑中的氧化鐵被氫氣還原成金屬鐵。,FeO+H2+Fe+H2O-Q,Fe2O3+3H2=2Fe+2H2O-Q,催化劑的還原程度用還原前催化劑中鐵的氧化物被還原的百分率表示稱還原度。,二、催化劑的還原與鈍化,（,3

6、,）,.,催化劑的預(yù)還原為了使合成氨系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)投入生產(chǎn)，將鐵催化劑在合成塔外預(yù)先進(jìn)行還原，即所謂催化劑的預(yù)還原。,2,催化劑的鈍化 還原后的活性鐵遇到空氣會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，放出的熱量能使催化劑燒結(jié)失去活性。鈍化方法是將壓力降到,0.51MPa,，溫度降到,5080,度，用氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)后逐漸導(dǎo)入空氣使氮?dú)庵醒鹾吭?0.20.5%.,1,催化劑的中毒,進(jìn)入合成塔的新鮮混合氣，雖然經(jīng)過了凈化，但仍然含有微量的有毒氣體，使催化劑緩慢中毒，活性降低。,2,催化劑的衰老,催化劑經(jīng)長(zhǎng)期使用后，活性會(huì)逐漸下降，生產(chǎn)能力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為催化劑的衰老。,催化劑的中毒和衰老幾乎是無法避免的，但是選用

7、耐熱性能較好的催化劑，改善氣體質(zhì)量和穩(wěn)定操作，能大大延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。,三、催化劑的中毒與衰老,氨合成的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高、消耗定額低、工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便及安全可靠等要求。,決定生產(chǎn)條件最主要的因素是壓力、溫度、空間速度、氣體組成和催化劑等。,第三節(jié) 氨合成操作條件的選擇,在一定的空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值,(,合成塔出入口氨含量之差,),越高，合成塔的生產(chǎn)能力也就越 大。,氨合成系統(tǒng)的能量消耗主要包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。,生產(chǎn)實(shí)踐證明，操作壓力在,20,35MPa,時(shí)總能量消耗比較低。,一、壓力,將某種催化劑在一定成產(chǎn)條件下

8、具有最高氨生成率的溫度稱為最適宜的溫度。,最適宜溫度還和空間速度、壓力等有關(guān),經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐得出氨合成操作溫度控制在,470520,度較為適宜。,三、空間速度,當(dāng)操作壓力、溫度及進(jìn)塔氣組成一定時(shí)，空速增加，氨凈值降低。由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)少，所以空間速度增加時(shí)氨合成生產(chǎn)強(qiáng)度有所提高及氨產(chǎn)量有所增加。,二、溫度,合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。,在生產(chǎn)中，進(jìn)塔循環(huán)氣的氫氮比控制在,2.52.9,合適。由于氨合成時(shí)氫氮比是按,3,：,1,消耗的，因此補(bǔ)充的新鮮氣的氫氮比應(yīng)控制在,3,，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會(huì)積累起來，造成循環(huán)氣氫氮比失調(diào)。,四、合成塔

9、進(jìn)口氣體組成,一、氨合成基本工藝步驟,（一）氣體的壓縮和除油,（二）氣體的預(yù)熱和合成,（三）氨的分離,合成塔出口氣體氨含量一般為,1020%,因此將氨分離出來。,1.,水吸收法,2.,冷凝 該法是將合成氣體降溫，使其的氣氨冷凝成液氨，后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。目前主要采用冷卻法分離循環(huán)氣中的氨。,在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中，當(dāng)液氨在“貯罐氣”。,第四節(jié)、氨合成工藝流程,氫氮混合氣經(jīng)過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨以后，剩余的氫氮?dú)猓秊榻档投栊詺怏w含量而少量放空以外，大部分與新鮮原料氣匯合后，重新返回合成塔，在進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。

10、,（四）、氣體的循環(huán),氨合成循環(huán)系統(tǒng)惰性氣體通過三個(gè)途徑帶出：,1.,一小部分從系統(tǒng)中漏損；,2.,一小部分溶解在液氨中被帶走；,3.,大部分采用放空的方法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。,放空的位置應(yīng)該在氨已大部分分離之后，而又在新鮮氣加入之前。,（五）、惰性氣體的排除,回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種,1.,預(yù)熱反應(yīng)前的前氫氮混合氣。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前氫氮混合氣達(dá)到催化劑的活性溫度。此方法回收不完全。,2.,預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸氣,既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸氣。,3.,預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水,反應(yīng)后的高溫

11、氣體先通過塔內(nèi)的換熱器預(yù)熱反應(yīng)前氫氮混合氣，后在通過塔外換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。,（六）、反應(yīng)前的回收利用,由于壓縮機(jī)型式、操作壓力、氨分離折 冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，氨合成工藝流程也水相同。操作壓力在,600100MPa,稱高壓法，在,2040MPa,稱中壓法。大,10MPa,左右稱低壓法。中壓法氨合成的工藝流程，在技術(shù)和涇濟(jì)上都比較優(yōu)越，因此目前國(guó)內(nèi)外普遍采用中壓法。,二、氨合成工藝流程,我國(guó)中型及大部分小型合成氨廠，采用中壓法氨合成流程，操作壓力在,32MPa,左右，設(shè)置水冷器和氨冷氣兩次分離產(chǎn)品液氨，新鮮氣和循環(huán)氣均由往復(fù)式壓縮機(jī)加壓。,（,一）、中、小型氨廠合成系統(tǒng)工藝流程,