工业合成氨简易流程图-ppt课件

1、制取制取原料原料气气净净化化紧紧缩缩合合成成分分别别液氨液氨N2和和H2(循循环环)(循环操作过程循环操作过程)冷冷凝凝除去杂质气体、粉除去杂质气体、粉尘等，防止催化剂尘等，防止催化剂“中毒中毒 第三章第三章 氨的合成氨的合成v氨的合成氨的合成v氨的合成是整个合成氨消费过程中的中心部分，氨的合成是整个合成氨消费过程中的中心部分，义务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的条义务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的条件下，将经过精制的件下，将经过精制的H2H2、N2N2组成约为组成约为3:13:1的原料气的原料气直接参与合成塔，催化剂作用下合成为氨。直接参与合成塔，催化剂作用下合成为氨。v学习目的：

2、学习目的：v 掌握氨合成反响的根本原理及氨的合成工艺条件掌握氨合成反响的根本原理及氨的合成工艺条件的选择及工艺流程分析；的选择及工艺流程分析；v 熟习氨合成塔构造特点，并流双套管氨合成塔的熟习氨合成塔构造特点，并流双套管氨合成塔的构造及其它塔型的分析构造及其它塔型的分析;v 了解氨合成反响机理、合成氨催化剂、动力学方了解氨合成反响机理、合成氨催化剂、动力学方程及二气回收的处置方法程及二气回收的处置方法;v 了解物料衡算和热量衡算及氨合成过程中的能量了解物料衡算和热量衡算及氨合成过程中的能量分析和余热回收分析和余热回收;v 第一节第一节 氨合成反响的根本原理氨合成反响的根本原理一、 氨合成反响的

3、热效应 氨合成反响为： N23H2 2NH3 H298=-92.4kJ/mol 不同温度、压力下，纯氢氮混合气完全转化为氨的反响热：不同温度、压力下，纯氢氮混合气完全转化为氨的反响热： HF=38338.9+22.5304+3474.4/T+1.89963 HF=38338.9+22.5304+3474.4/T+1.899631010/T3p1010/T3p +22.3864T+10.5717 +22.3864T+10.571710-4T2 -7.0828110-4T2 -7.0828110-6T3 10-6T3 HF HF纯氢氮混合气完全转化为氨的反响热，纯氢氮混合气完全转化为氨的反响热，

4、kJ/mol kJ/mol； p p压力，压力，MPa;MPa; T T温度，温度，K K。二、氨合成反响的化学平衡v 反响到达平衡时的平衡常数可表示为：反响到达平衡时的平衡常数可表示为：5.05.15.05.12232231NHNHNHNHyyyppppKp压力较低时，气体混合物视为理想气体。压力较低时，气体混合物视为理想气体。6842. 3108489. 1105193. 5lg6911. 2/6 .2001lg275TTTTKp当压力较高时，气体混合物视为非理想气体，当压力较高时，气体混合物视为非理想气体，KpKp不仅与温不仅与温度有关，还与压力、气体在组成有关，当压力在度有关，还与压力

5、、气体在组成有关，当压力在1.0-100MPa1.0-100MPa下，下，KpKp可用以下阅历公式计算：可用以下阅历公式计算：ITBTTTKp2710856. 1lg4943. 2/8 .2074lgKp值仅与温度值仅与温度有关有关 其中其中和和 I 为与压力有关的系数，见下表：为与压力有关的系数，见下表：p,MPa135103060100 10400.341.2561.2561.25610.85626.833I1.9332.0212.0902.1132.2063.0594.473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。不同温度、压力下H2/N23纯氢氮混合气体反

6、响的Kp值 三、平衡氨含量及其影响要素平平衡衡氨氨含含量量 氨合成反响到达化学平衡时，混合气体中氨的含量称为平衡氨含量，又可称为氨的平衡产率。 有了平衡常数有了平衡常数Kp，计算平衡氨含量就比较容易。，计算平衡氨含量就比较容易。设进口氢氮比为设进口氢氮比为r，平衡混合气中，平衡混合气中NH3的平衡含量为的平衡含量为yNH3，惰性气体组成为，惰性气体组成为yi，那么：，那么：11)1(32 ryyyNHiN1)1(32 rryyyNHiH5 . 1225 . 05 . 1)1()1(133223rpryyyyyypKpNHiNHNHNH 25 . 12)1()1(33 rrpKpyyyNHiNH

7、影响平衡氨含量的要素影响平衡氨含量的要素 温度越低，压力越高，平衡氨含量温度越低，压力越高，平衡氨含量yNH3yNH3越高越高a a压力和温度的影响压力和温度的影响T/压力/MPa10152032608036035.1043.3549.6260.4375.3281.8038429.0036.8443.0054.0069.9477.2442420.6327.3933.0043.6060.3568.6846414.4819.9424.7134.2450.6259.4250410.1514.3918.2430.9041.4450.135526.719.7512.6218.9931.8139.78 当

8、当r3时，时， yi =0时，不同温度、时，不同温度、压力下的平衡氨含量值如下表：压力下的平衡氨含量值如下表： b. 氢氮比r的影响假设不思索r对Kp的影响，知r=3时，yNH3为最大值；高压下，气体偏离理想形状，Kp将随r而变，具有最大yNH3时的r略小于3，约在2.682.90之间，如下图：c. c. 惰性气体含量的影响惰性气体含量的影响 惰性气体指不参与合成氨反响的甲烷和氩气 由图由图3-23-2知，惰性气体含量添加，平衡氨含量减小，由知，惰性气体含量添加，平衡氨含量减小，由于添加惰性气体含量相当于降低了反响物的分压，即惰性于添加惰性气体含量相当于降低了反响物的分压，即惰性气体对氨合成不

9、利。气体对氨合成不利。 另外，氨合成为不完全反响，未反响原料气体需求循环另外，氨合成为不完全反响，未反响原料气体需求循环利用，必然呵斥惰性气体的富集，最终采取部分放空的方利用，必然呵斥惰性气体的富集，最终采取部分放空的方法减少惰性气体，呵斥原料气的浪费。法减少惰性气体，呵斥原料气的浪费。 结论： 提高平衡氨含量升高压力、降低温度和减少惰气含量。升高压力、降低温度和减少惰气含量。四、氨合成反响速率四、氨合成反响速率2.2.影响反响速率的要素影响反响速率的要素 反响速度反响速度-是以单位时间内反响物质浓度的减少量或生成是以单位时间内反响物质浓度的减少量或生成物质浓度的添加量表示。物质浓度的添加量表

10、示。 影响氨合成反响速度要素：影响氨合成反响速度要素： 压力的影响压力的影响 当温度和气体组成一定时，提高压力，正反响速率增大，当温度和气体组成一定时，提高压力，正反响速率增大，逆反响速率减小。提高压力净反响速率提高。逆反响速率减小。提高压力净反响速率提高。 氢氮比的影响氢氮比的影响 反响初期的最正确氢氮比为反响初期的最正确氢氮比为1 1，随着反响的进展，氨含量，随着反响的进展，氨含量不断添加，欲使不断添加，欲使rNH3rNH3坚持最大值，最正确氢氮比应随之增坚持最大值，最正确氢氮比应随之增大。大。 惰性气体的影响惰性气体的影响 其它条件一定时，随着惰性气体含量的添加，反响速率下降。因此降其它

11、条件一定时，随着惰性气体含量的添加，反响速率下降。因此降低惰性气体含量，反响速率加快，平衡氨含量提高。低惰性气体含量，反响速率加快，平衡氨含量提高。 温度的影响温度的影响 氨合成反响是可逆放热反响，存在最正确温度，详细值由其组成、压氨合成反响是可逆放热反响，存在最正确温度，详细值由其组成、压力和催化剂的性质而定。力和催化剂的性质而定。 内分散的影响内分散的影响 实践消费中，由于气体流量大，气流与催化剂颗粒外外表传送速率足实践消费中，由于气体流量大，气流与催化剂颗粒外外表传送速率足够快，外分散影响可忽略，但内分散阻力不能忽视，内分散速率影响够快，外分散影响可忽略，但内分散阻力不能忽视，内分散速率

12、影响氨合成反响的速率。改动催化剂粒度，调理对反响速率的影响。氨合成反响的速率。改动催化剂粒度，调理对反响速率的影响。第二节第二节 氨合成催化剂氨合成催化剂 氨合成反响必需用催化剂，没有催化剂，即使氨合成反响必需用催化剂，没有催化剂，即使在很高压力下反响速度也很小，生成的氨浓度很低。在很高压力下反响速度也很小，生成的氨浓度很低。 可以作氨合成催化剂的物质很多，如锇可以作氨合成催化剂的物质很多，如锇Os、铁铁(Fe)、锰、锰(Mn)、钨、钨(W)和铀和铀(U)等。但由于以铁为等。但由于以铁为主体的催化剂具有原料来源广、价钱低廉、在低温主体的催化剂具有原料来源广、价钱低廉、在低温下有较好的活性、抗毒

13、才干强、运用寿命长等优点，下有较好的活性、抗毒才干强、运用寿命长等优点，广泛采用。广泛采用。 一、催化剂一、催化剂 氨合成反响常用的催化剂是铁基催化剂。催化剂的氨合成反响常用的催化剂是铁基催化剂。催化剂的制备组成如下，制形成制备组成如下，制形成2-3mm厚、厚、5-10mm外径的、黑外径的、黑色有金属光泽、有磁性的不规那么片状颗粒：色有金属光泽、有磁性的不规那么片状颗粒： 组成：组成： 主要成分：主要成分：Fe3O4(FeO Fe2O3，Fe2+/Fe3+0.5) 活性成分：活性成分：Fe 促进剂为：促进剂为：K2O, CaO, Al2O3，SiO2 1 1、催化剂中各组分和作用、催化剂中各组

14、分和作用 Al2O3：添加催化剂比外表积，防止复原后铁微晶长大：添加催化剂比外表积，防止复原后铁微晶长大聚集，提高催化剂活性和稳定性。聚集，提高催化剂活性和稳定性。 K2O：可使催化剂的金属电子逸出功降低，利于：可使催化剂的金属电子逸出功降低，利于N分子的分子的吸附和活化，加快氨的脱附。提高了催化剂活性。吸附和活化，加快氨的脱附。提高了催化剂活性。 CaO：有利于：有利于Al2O3和和Fe3O4固熔体的构成，降低固熔体固熔体的构成，降低固熔体的熔点和黏度，另外还能提高催化剂的热稳定性和抗毒才的熔点和黏度，另外还能提高催化剂的热稳定性和抗毒才干。干。 SiO2：磁铁矿的杂质，类似于：磁铁矿的杂质

15、，类似于Al2O3，可稳定，可稳定-Fe晶粒，晶粒，加强催化剂的耐热性和抗水才干。加强催化剂的耐热性和抗水才干。 2 2、催化剂的运用、催化剂的运用对合成氨反响有催化活性的成分是金属铁，所以运用对合成氨反响有催化活性的成分是金属铁，所以运用前要将催化剂复原。通常用氢气作复原剂：前要将催化剂复原。通常用氢气作复原剂：kJ/molO(g)HFe(s)(g)H(s)OFe9 .1494342243使四氧化三铁充分复原为-Fe，使复原生成的铁结晶不因重结晶而长大，以保证有最大的比外表积和更多的活性中心。 确定复原条件的原那么：确定复原条件的原那么： 3、影响复原质量的要素 装入氨合成塔的催化剂在运用前

16、需求进展装入氨合成塔的催化剂在运用前需求进展H2复原，使四氧化复原，使四氧化三铁变为三铁变为-Fe 微晶才有活性。复原条件应使铁充分被复原，复原微晶才有活性。复原条件应使铁充分被复原，复原后比外表积最大。后比外表积最大。 复原温度，复原为吸热反响，提高温度利于平衡右移，复原速复原温度，复原为吸热反响，提高温度利于平衡右移，复原速度快，但生成的度快，但生成的-Fe 微晶颗粒较大，比外表积降低；复原温度过微晶颗粒较大，比外表积降低；复原温度过低，复原速度慢，复原时间长，复原不彻底。复原温度略低于合低，复原速度慢，复原时间长，复原不彻底。复原温度略低于合成氨操作温度。成氨操作温度。 复原压力，提高复

17、原压力，相当于提高复原压力，提高复原压力，相当于提高H2分压，反响速度快，分压，反响速度快，同时可使氨合成反响进展，放出部分热量弥补电加热器。但也提同时可使氨合成反响进展，放出部分热量弥补电加热器。但也提高了高了H2O的分压，添加了催化剂反复氧化复原程度，普通选的分压，添加了催化剂反复氧化复原程度，普通选10-20MPa； 空速，在保证供热传热的条件下，空速大，气体分散快，降低气相空速，在保证供热传热的条件下，空速大，气体分散快，降低气相中水蒸气的分压，利于水蒸气的逸出，减少了水蒸气对催化剂的反复中水蒸气的分压，利于水蒸气的逸出，减少了水蒸气对催化剂的反复氧化；同时利于平衡床层温度。空速过大，

18、外界供热量大，电加热器氧化；同时利于平衡床层温度。空速过大，外界供热量大，电加热器功率受限。功率受限。 复原气成分，复原气成分，H2、水蒸气、惰性气体、水蒸气、惰性气体 加大氢含量，减少水蒸气含量，利于催化剂复原。惰性气体含量仅能加大氢含量，减少水蒸气含量，利于催化剂复原。惰性气体含量仅能够低够低 催化剂的钝化催化剂的钝化 复原后的活性铁遇到空气会发生剧烈的氧化反响，放出的热量能使催复原后的活性铁遇到空气会发生剧烈的氧化反响，放出的热量能使催化剂烧结失去活性。化剂烧结失去活性。钝化方法是将压力降到钝化方法是将压力降到0.5-1MPa，温度降到，温度降到50-80度，用氮气置换系度，用氮气置换系

19、统后逐渐导入空气使氮气中氧含量在统后逐渐导入空气使氮气中氧含量在0.2-0.5%. 催化剂的毒物催化剂的毒物CO、CO2、H2O砷及其化合物毒物暂时毒物永久毒物氧及含氧的化合物硫及其化合物氯及其化合物磷及其化合物 催化剂的改良： 降低活性温度改动外形降低催化剂床层阻 力，节省功耗。第三节第三节 氨合成的工艺条件氨合成的工艺条件v 前面讨论过氨合成的热力学、动力学及催化剂，实践消费前面讨论过氨合成的热力学、动力学及催化剂，实践消费过程中，反响不能够到达平衡，合成工艺参数的选择除了过程中，反响不能够到达平衡，合成工艺参数的选择除了思索平衡氨含量外，还要综合思索反响速率、催化剂运用思索平衡氨含量外，

20、还要综合思索反响速率、催化剂运用特性以及系统的消费才干、原料和能量耗费等，以期到达特性以及系统的消费才干、原料和能量耗费等，以期到达良好的技术经济目的。需求选择氨合成的工艺参数。良好的技术经济目的。需求选择氨合成的工艺参数。温度温度压力压力空速空速 惰性惰性 气体气体工艺条件工艺条件 氨合成氨合成 氢氮比氢氮比 一、压力1.1.从化学平衡和化学反响速率的角度看，提高操作压力有利从化学平衡和化学反响速率的角度看，提高操作压力有利, ,消费才干随消费才干随压力提高而添加。压力提高而添加。2.2.压力过大设备接受力大，对设备材质要求高、损耗大，高压下对应的压力过大设备接受力大，对设备材质要求高、损耗

21、大，高压下对应的反响温度高，催化剂寿命缩短。反响温度高，催化剂寿命缩短。3. 3. 选择操作压力的主要根据：能量耗费、消费才干、设备投资、催化剂选择操作压力的主要根据：能量耗费、消费才干、设备投资、催化剂运用寿命。运用寿命。 能量耗费：原料气紧缩功、循环气紧缩功和氨分别的冷冻功。能量耗费：原料气紧缩功、循环气紧缩功和氨分别的冷冻功。 操作压强40-100MPa高压法15-33MPa中压法5-15MPa低压法压力高、低：压力高、低： 经过调理经过调理新颖气的参与或是出塔气新颖气的参与或是出塔气的排放的排放二、温度二、温度和其它可逆放热反响一样，温度对平衡转化率和其它可逆放热反响一样，温度对平衡转

22、化率和反响速度都有影响，合成氨反响存在着最适和反响速度都有影响，合成氨反响存在着最适宜温度宜温度Tm(或称最正确反响温度或称最正确反响温度)，它取决于反，它取决于反响气体的组成、压力以及所用催化剂的活性。响气体的组成、压力以及所用催化剂的活性。 两点温度：两点温度：控制催化床温度：经过调理塔副阀或是循环气量控制催化床温度：经过调理塔副阀或是循环气量床层入口温度热点温度三、空间速度三、空间速度 提高空速氨合成塔消费强度增大，但反响后气体中净氨值有所降低。提高空速氨合成塔消费强度增大，但反响后气体中净氨值有所降低。净氨值降低，添加氨的分别难度，使冷冻功耗添加。净氨值降低，添加氨的分别难度，使冷冻功

23、耗添加。 空速过高，循环气量添加，循环功耗大；空速过高气体带出的反响热空速过高，循环气量添加，循环功耗大；空速过高气体带出的反响热较多，导致催化剂床层温度下降不能维持正常消费。较多，导致催化剂床层温度下降不能维持正常消费。 参照合成压力选择参照合成压力选择四、合成塔进口气体组成四、合成塔进口气体组成 合成塔进口气体组成包括氢氮比、情性气体含量与初始氨含量。 防止原料气中氢氮比失调，新颖原料气中氢氮比为3， 惰性气体的存在，从化学平衡和动力学角度对合成氨都不利。 当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，消费才干越低。初始氨含量的高低取决于氨分别的方法。 第四节第四节 氨的分别及合成工

24、艺流程氨的分别及合成工艺流程 一、氨的分一、氨的分别别 冷凝分别法冷凝分别法分别方法分别方法 溶剂吸收法溶剂吸收法 该法是用水冷却器和氨冷却器，冷却含氨该法是用水冷却器和氨冷却器，冷却含氨混合气，使其中大部分气氨冷凝以便与不混合气，使其中大部分气氨冷凝以便与不冷凝的氢氮分开。冷凝的氢氮分开。 液氨在氨分别器中与气体分开，减压送入液氨在氨分别器中与气体分开，减压送入贮槽。液氨冷凝过程中，部分氢氮气及惰贮槽。液氨冷凝过程中，部分氢氮气及惰性气体溶解其中，溶解气体大部分在液氨性气体溶解其中，溶解气体大部分在液氨贮槽中，当减压时释放出来，称之为贮槽中，当减压时释放出来，称之为“贮槽贮槽气或气或“驰放气

25、。驰放气。冷凝分别法二、氨合成工艺流程二、氨合成工艺流程v 氨合成工序不但有氨合成反响，还有氨分别及未反响气体氨合成工序不但有氨合成反响，还有氨分别及未反响气体循环等，流程复杂，影响要素多。循环等，流程复杂，影响要素多。v 合成氨工艺步骤合成氨工艺步骤v 1 1、气体的紧缩和除油、水、气体的紧缩和除油、水v 2 2、气体预热和合成、气体预热和合成v 3 3、氨分别氨出口量、氨分别氨出口量10%-20%10%-20%v 4 4、气体紧缩循环、气体紧缩循环v 5 5、惰性气体的排放、惰性气体的排放v 6 6、反响热回收利用、反响热回收利用v 氨合成流程设计在于合理配置上述几个步骤。其中主要氨合成流

26、程设计在于合理配置上述几个步骤。其中主要是合理确定循环紧缩机、新颖原料气补入及驰放气排放是合理确定循环紧缩机、新颖原料气补入及驰放气排放位置，以及确定氨分别的冷凝级数、冷热交换安排和热位置，以及确定氨分别的冷凝级数、冷热交换安排和热能回收的方式。以保证原料、产品损失小，热量回收充能回收的方式。以保证原料、产品损失小，热量回收充分，才干利用合理。分，才干利用合理。1 1、传统氨合成流程、传统氨合成流程v 优点：优点：v 1、放空气位置安放合理，惰性气体含量高，、放空气位置安放合理，惰性气体含量高，氨和氢氮含量相对低，减少氨和原料气的损失氨和氢氮含量相对低，减少氨和原料气的损失v 2、循环紧缩机位

27、于一、二氨分别器之间，气、循环紧缩机位于一、二氨分别器之间，气体量少，温度低利于紧缩体量少，温度低利于紧缩v 3、可以脱除新颖气中微量、可以脱除新颖气中微量CO2和和H2Ov 缺陷：缺陷：v 1、新颖原料气补充位置安放不合理、新颖原料气补充位置安放不合理v 2、热量回收利用不充分、热量回收利用不充分v 新颖气经新颖气氨冷器新颖气经新颖气氨冷器1010冷却，且在塔外换热器冷却，且在塔外换热器3 3二次入口处与循二次入口处与循环气混合然后进入冷交换器的下分别器，利用冷凝下来的液氨除去环气混合然后进入冷交换器的下分别器，利用冷凝下来的液氨除去新颖气中的水、油污、一氧化碳和二氧化碳等，保证了进入合成塔

28、气新颖气中的水、油污、一氧化碳和二氧化碳等，保证了进入合成塔气体的质量。体的质量。v 采用先进塔后预热的流程，既提高了进催化床层的气体温度，提采用先进塔后预热的流程，既提高了进催化床层的气体温度，提高了出塔气体的余热回收价值，又保证了合成塔外筒对气体温度的要高了出塔气体的余热回收价值，又保证了合成塔外筒对气体温度的要求。来自冷交换器的气体从合成塔求。来自冷交换器的气体从合成塔l l止部进入合成塔内件与外筒的环隙，止部进入合成塔内件与外筒的环隙，从塔底引出，送到塔外换热器从塔底引出，送到塔外换热器3 3，用低位热量预热二次进合成塔的循环，用低位热量预热二次进合成塔的循环气，气体温度升到气，气体温

29、度升到175175二次入塔。二次入塔。v 二次出合成塔的气体先进入废热锅炉二次出合成塔的气体先进入废热锅炉2 2回收热量，使之产生回收热量，使之产生1.2-1.2-2.5MPa2.5MPa的中压蒸汽，然后，送人塔外换热器的中压蒸汽，然后，送人塔外换热器3 3与未反响器换热，回收低与未反响器换热，回收低位热。位热。v 热量回收充分、水冷温度低节省氨冷耗费热量回收充分、水冷温度低节省氨冷耗费3 3、凯洛格大型氨厂合成工艺流程、凯洛格大型氨厂合成工艺流程凯洛格流程描画凯洛格流程描画 新颖气经几级紧缩后与循环气混合冷却、升温并分几股新颖气经几级紧缩后与循环气混合冷却、升温并分几股进入氨合成塔。进入氨合

30、成塔。 反响后气体温度较高，所以先经锅炉给水预热器后再向新反响后气体温度较高，所以先经锅炉给水预热器后再向新颖气供热。颖气供热。 只分别很少部分氨只分别很少部分氨(为维持浓度稳定分别需求排放部分惰为维持浓度稳定分别需求排放部分惰性气体性气体)后就进入循环紧缩，与新颖气混后再经复杂冷冻流程后就进入循环紧缩，与新颖气混后再经复杂冷冻流程逐渐冷却到逐渐冷却到-23，经高压氨分别器分别氨后再升温进入氨合，经高压氨分别器分别氨后再升温进入氨合成塔。低压氨分别器是为了分别要求设置的。成塔。低压氨分别器是为了分别要求设置的。 流程特点：流程特点： 先循环混合再冷却分别，冷冻功耗小但循先循环混合再冷却分别，冷

31、冻功耗小但循环功耗大，总能耗小；环功耗大，总能耗小； 循环线中放空，惰气、氨含量高，循环线中放空，惰气、氨含量高，但有氨回收，氨损耗不大；采用蒸汽透平驱动的带循环段但有氨回收，氨损耗不大；采用蒸汽透平驱动的带循环段的离心式紧缩机，气体中不含油污。的离心式紧缩机，气体中不含油污。4 4、布朗三塔三废锅炉氨合成工艺流程、布朗三塔三废锅炉氨合成工艺流程三段转化炉出口气中氨含量可达21%，还可以副产高压蒸汽5 5、伍德两塔两废热锅炉氨合成工艺流程、伍德两塔两废热锅炉氨合成工艺流程6 6、联醇氨合成工段工艺流程、联醇氨合成工段工艺流程三、排放气的回收处置三、排放气的回收处置v 在原料气的最终净化过程中，

32、除深冷分别法外，采用甲烷在原料气的最终净化过程中，除深冷分别法外，采用甲烷化或铜氨液吸收法，随新颖氮氢气进入循环系统的甲烷和化或铜氨液吸收法，随新颖氮氢气进入循环系统的甲烷和氩气，因不参与反响，在循环中不断累积，为了坚持这些氩气，因不参与反响，在循环中不断累积，为了坚持这些惰性气体的合理浓度，需求排放部分循环气惰性气体的合理浓度，需求排放部分循环气-放空气，放空气，另外还有一部分溶解在液氨中的氮氢气另外还有一部分溶解在液氨中的氮氢气驰放气，这两部驰放气，这两部分气体含有一定量氢气，需求回收。分气体含有一定量氢气，需求回收。v 回收方法：中空纤维膜分别、变压吸附、深冷分别回收方法：中空纤维膜分别

33、、变压吸附、深冷分别1、中空纤维膜分别法、中空纤维膜分别法v 1979年，美国孟山都公司开发了选择性浸透膜技术，并胜利运用于合成氨工业。如今中国也能制造中空纤维膜分别器，已在大、中小型氨厂推行运用。v 中空纤维膜是以聚砜、二甲基乙酰胺为原料加工成内腔中空的纤维丝，再涂以高浸透性聚合物，具有选择性浸透性。水蒸气、氢、氦、二氧化碳浸透较快，而甲烷、氮、氩、氧、一氧化碳浸透慢，从而到达分别目的。v氢回收率可氢回收率可达达95%95%，氢，氢气纯度气纯度90%90%以上。以上。2、变压吸附法、变压吸附法v 此法为利用沸石型或碳分子筛在不同压力下对各种气体组此法为利用沸石型或碳分子筛在不同压力下对各种气

34、体组分的吸附和解析。当排放气经过分子筛床层时，除分的吸附和解析。当排放气经过分子筛床层时，除H2H2以外以外的其他气体，如的其他气体，如N2N2、CH4CH4、ArAr、NH3NH3、COCO等都被吸附，而获等都被吸附，而获得纯度高达得纯度高达99.9%99.9%的氢气。的氢气。v 一个完好的变压吸附循环由吸附、减压、解吸和再加压四一个完好的变压吸附循环由吸附、减压、解吸和再加压四个步骤组成。个步骤组成。3、深冷分别法、深冷分别法v 此法为根据氢和排放气中其它组分的沸点相差较大，在深此法为根据氢和排放气中其它组分的沸点相差较大，在深冷温度下逐次部分冷凝，分别出甲烷、氩气、以及部分氮冷温度下逐次

35、部分冷凝，分别出甲烷、氩气、以及部分氮的冷凝液，而获得含氢的冷凝液，而获得含氢90%90%的回收气的回收气第五节第五节 氨合成塔氨合成塔v 氨合成塔，是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反响以进展氨合成塔，是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反响以进展氨合成的设备。氨合成塔是合成氨厂的心脏，是一种构造复杂的反响氨合成的设备。氨合成塔是合成氨厂的心脏，是一种构造复杂的反响器。器。v 一、构造特点及根本要求一、构造特点及根本要求v 根本要求：根本要求：v 维持自热、有利于升温复原、催化剂消费强度大；维持自热、有利于升温复原、催化剂消费强度大；v 催化剂床层分布合理、坚持催化剂活性；催化剂床

36、层分布合理、坚持催化剂活性；v 气流均匀、压降小；气流均匀、压降小；v 换热强度大、换热体积小、塔内空间利用率高；换热强度大、换热体积小、塔内空间利用率高；v 消费稳定、操作灵敏、操作弹性大；消费稳定、操作灵敏、操作弹性大；v 构造简单可靠、内件有自在余地。构造简单可靠、内件有自在余地。v 高温高压下，氢、氮对氨合成塔有腐蚀：高温高压下，氢、氮对氨合成塔有腐蚀：v 氢脆：氢溶解于金属晶格中，使钢材在缓侵变形时发生氢脆：氢溶解于金属晶格中，使钢材在缓侵变形时发生脆脆v 性破坏。性破坏。 v 氢腐蚀：氢腐蚀，即氢气浸透到钢材内部，使碳化物分氢腐蚀：氢腐蚀，即氢气浸透到钢材内部，使碳化物分解解v 并

37、生成甲烷，甲烷聚积于晶界微观孔隙中构成高压，导致并生成甲烷，甲烷聚积于晶界微观孔隙中构成高压，导致应应v 力集中，沿晶界出现破坏裂纹。力集中，沿晶界出现破坏裂纹。 v 在高温高压下，氮与钢中的铁及其他很多合金元素生成在高温高压下，氮与钢中的铁及其他很多合金元素生成硬硬v 而脆的氮化物导致金属机械性能降低。而脆的氮化物导致金属机械性能降低。 为了满足高温、高压的双为了满足高温、高压的双重要求，合成塔由内件重要求，合成塔由内件催化剂框、热交换器、催化剂框、热交换器、电加热器和外筒两部分电加热器和外筒两部分组成。内件用组成。内件用(Ni(Ni、Cr)Cr)不不锈钢制造，耐锈钢制造，耐500500高温

38、暖高温暖腐蚀，不接受高压力；外腐蚀，不接受高压力；外筒用低碳合金钢或优质碳筒用低碳合金钢或优质碳钢制成，接受高压。钢制成，接受高压。为了氨合成反响接近最适宜温度，塔内件换热方式为了氨合成反响接近最适宜温度，塔内件换热方式不同，出现几类合成塔：不同，出现几类合成塔： 冷管式延续换热式冷管式延续换热式- -内冷和段间催化剂分内冷和段间催化剂分3 35 5层，层，每层为绝热反响段，在催化剂层内设置冷却管，用反响每层为绝热反响段，在催化剂层内设置冷却管，用反响前的低温原料气移走反响热，降低反响温度，并预热原前的低温原料气移走反响热，降低反响温度，并预热原料气。料气。 冷激式多段冷激式冷激式多段冷激式

39、催化剂分催化剂分3 35 5层，每层为绝层，每层为绝热反响段，层间掺入冷原料气控制反响气温度。热反响段，层间掺入冷原料气控制反响气温度。 二、延续换热式合成塔二、延续换热式合成塔v 特点：在催化剂床层中设置冷管，利用在冷管中流动特点：在催化剂床层中设置冷管，利用在冷管中流动的未反响的气体移出反响热，使反响比较接近最适宜的未反响的气体移出反响热，使反响比较接近最适宜温度曲线下进展。温度曲线下进展。v 中国小型氨厂多采用冷管式内件，早期为双层套管并中国小型氨厂多采用冷管式内件，早期为双层套管并流冷管，流冷管，19601960年以后开场采用三套管并流冷管和单管年以后开场采用三套管并流冷管和单管并流冷

40、管。并流冷管。1 1、几种典型冷管式合成塔分析、几种典型冷管式合成塔分析v 双套管与三套管区别：双套管与三套管区别：v 内冷管内冷管-双套管为单层，三套管为双层。双套管为单层，三套管为双层。v 双层内冷管一端焊死，构成双层内冷管一端焊死，构成“滞气层，增大内外管滞气层，增大内外管件内阻，导致气体在内管升温小，使床层与内外间管环隙件内阻，导致气体在内管升温小，使床层与内外间管环隙气体温差增大，改善上部床层冷却效果。气体温差增大，改善上部床层冷却效果。并并流流双双套套管管式式v 由于内冷管中气体与环隙中气体换热，使进入环隙中由于内冷管中气体与环隙中气体换热，使进入环隙中气体的温度提高，减小了与催化

41、床层的传热温差，致使反气体的温度提高，减小了与催化床层的传热温差，致使反响初期冷却段上部排热量与放热量不顺应，床层温度继续响初期冷却段上部排热量与放热量不顺应，床层温度继续上升，热点位置下移。到反响后期，由于反响速率降低，上升，热点位置下移。到反响后期，由于反响速率降低，放热量相应减少，而环隙中气体温度较高，传热温差减小放热量相应减少，而环隙中气体温度较高，传热温差减小放热量与排热量相顺应，较接近最适宜温度曲线。放热量与排热量相顺应，较接近最适宜温度曲线。v 容积利用系数低，冷管环隙气体与内冷管气体的换热容积利用系数低，冷管环隙气体与内冷管气体的换热致使催化床进口温度难以提高，影响了绝热段催化

42、剂活性致使催化床进口温度难以提高，影响了绝热段催化剂活性的发扬。的发扬。 并并流流三三套套管管式式v 并流三套管：并流三套管：v 冷套管顶部催化床层与环隙气体的温度差很大，加冷套管顶部催化床层与环隙气体的温度差很大，加强了冷却效果，使反响前期冷管的排热量与反响放热量根强了冷却效果，使反响前期冷管的排热量与反响放热量根本顺应；反响后期放热量减少，但传热温差减小，床层温本顺应；反响后期放热量减少，但传热温差减小，床层温度缓慢下降。整个床层较好地遵照了最适宜温度曲线。同度缓慢下降。整个床层较好地遵照了最适宜温度曲线。同时，催化剂床层入口温度较高，能充分发扬催化剂的活性。时，催化剂床层入口温度较高，能

43、充分发扬催化剂的活性。与双套管并流式内件相比，消费强度提高与双套管并流式内件相比，消费强度提高5 5-10-10。但并。但并流三套管仍存在构造复杂，催化剂装填量小，底部催化剂流三套管仍存在构造复杂，催化剂装填量小，底部催化剂复原不彻底的缺陷。复原不彻底的缺陷。单单管管并并流流式式 单管并流式单管并流式 容积利用系数高，催化剂装填量添加，合成塔消费才干提高；容积利用系数高，催化剂装填量添加，合成塔消费才干提高； 可采用小管径、管数较多的冷管配置方案，冷管不受分气盒的限制比较可采用小管径、管数较多的冷管配置方案，冷管不受分气盒的限制比较均勺；均勺； 气流经过单管阻力降小：气流经过单管阻力降小： 构

44、造简单，资料耗费少。构造简单，资料耗费少。 此种内件也存在如下问题：此种内件也存在如下问题： 构造欠结实，升气管与热交换器中心管的焊缝处和冷管与上下集气环形构造欠结实，升气管与热交换器中心管的焊缝处和冷管与上下集气环形管的焊缝处受温差应力的影响较大，常易发生拉裂；管的焊缝处受温差应力的影响较大，常易发生拉裂； 催化剂装填不易均匀，且冷管周围存在冷区，同平面温差较大，对催化催化剂装填不易均匀，且冷管周围存在冷区，同平面温差较大，对催化剂的活性和寿命有一定的影响；剂的活性和寿命有一定的影响； 出于冷管的缘故，气体先进冷管后进中心管，升温、复缘由难，在复原出于冷管的缘故，气体先进冷管后进中心管，升温

45、、复缘由难，在复原末期，催化床底部温度提不上末期，催化床底部温度提不上来，复原不易彻底。来，复原不易彻底。 v 延续换热式合成塔要想获得良好的效果，必需从上述几个方面改良和提延续换热式合成塔要想获得良好的效果，必需从上述几个方面改良和提高国内内件开发商针对上述缺陷积极进展改良。高国内内件开发商针对上述缺陷积极进展改良。v 升温复原升温复原 为抑制冷气先经冷管而后入中心管导致底部复原不彻底的为抑制冷气先经冷管而后入中心管导致底部复原不彻底的问题，改冷气先入中心管经电热器加热后再入冷管，可改善底部复原不问题，改冷气先入中心管经电热器加热后再入冷管，可改善底部复原不彻底的问题。彻底的问题。v 温度调

46、理温度调理 采用分流原理，冷管和换热器并联采用分流原理，冷管和换热器并联v 阻力降阻力降 采用轴径向或径向合成塔，缩短流通途径提高流通面积，采用轴径向或径向合成塔，缩短流通途径提高流通面积，以降低阻力。以降低阻力。v 催化剂装填量催化剂装填量 简化冷管构造，充分利用高压空间，提高容积利用系简化冷管构造，充分利用高压空间，提高容积利用系数。数。v 温差应力温差应力 将冷管束设计成可部分自在伸缩的构造，并可改换，以处将冷管束设计成可部分自在伸缩的构造，并可改换，以处理由于热膨胀而遭到破坏的问题。理由于热膨胀而遭到破坏的问题。三、冷激式氨合成塔三、冷激式氨合成塔v 该塔优点：床层温度调理方便，省去许

47、多冷管，构造简单，该塔优点：床层温度调理方便，省去许多冷管，构造简单，内件可靠，催化剂装填方便。内件可靠，催化剂装填方便。v 缺陷：内件封死在塔内，致使塔体较重，运输和安装均较缺陷：内件封死在塔内，致使塔体较重，运输和安装均较困难，内件无法吊出，呵斥维修与改换零部件困难，塔阻困难，内件无法吊出，呵斥维修与改换零部件困难，塔阻力大。力大。第六节第六节 氨合成过程的能量分析及余热回收氨合成过程的能量分析及余热回收v一、能量分析一、能量分析v v 氨合成反响热氨合成反响热废热锅炉副产蒸汽和加热锅炉给水废热锅炉副产蒸汽和加热锅炉给水水冷器的水和氨冷器的氨带走水冷器的水和氨冷器的氨带走出塔气余热回收出塔

48、气余热回收 出塔气温度出塔气温度出塔气体温度越高，那么回收价值越大出塔气体温度越高，那么回收价值越大氨合成塔出口气体温度与进塔气温度和氨净值有关氨合成塔出口气体温度与进塔气温度和氨净值有关v 二、热能回收方法二、热能回收方法v 热能回收有两种方式：热能回收有两种方式：v 一种是利用余热副产蒸汽，另一种是用来加热锅炉给水。一种是利用余热副产蒸汽，另一种是用来加热锅炉给水。v v 用于副产蒸汽，按锅炉安装的位置又可分两类：塔内副产用于副产蒸汽，按锅炉安装的位置又可分两类：塔内副产蒸汽合成塔蒸汽合成塔(内置式内置式)和塔外副产蒸汽合成塔和塔外副产蒸汽合成塔(外置式外置式)，内置，内置式副产蒸汽合成塔

49、虽热能利用好，但因构造复杂且塔的存式副产蒸汽合成塔虽热能利用好，但因构造复杂且塔的存积利用系数低目前已很少采用。积利用系数低目前已很少采用。 外置式副产蒸汽合成塔外置式副产蒸汽合成塔 前置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在换热器之前反响气出催化床层即进入废热锅炉换热，然后回换热器。前置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在换热器之前反响气出催化床层即进入废热锅炉换热，然后回换热器。 中置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在中置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在I I、换热器之间。换热器之间。 后置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在换热器之后，由与气体温度较低。后置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在换热器之后，由与气体温度较低。 外置式

50、与内置式比较，具有构造简单、附属设备少、制造检修方外置式与内置式比较，具有构造简单、附属设备少、制造检修方便等优点。但外置式由于从塔内移出一部分热量，为了维持自热，塔便等优点。但外置式由于从塔内移出一部分热量，为了维持自热，塔内换热器传热面积大，空速不能提高，因此催化剂消费强度较低，而内换热器传热面积大，空速不能提高，因此催化剂消费强度较低，而且对材质耐高温、耐腐蚀性能要求较高。且对材质耐高温、耐腐蚀性能要求较高。 第七节 氨合成塔的操作控制要点-化工消费操作之三v 消费操作控制的最终目的，是在平安消费的前提下，强化消费操作控制的最终目的，是在平安消费的前提下，强化设备的消费才干，降低原料耗费

51、，使系统进展平安、继续、设备的消费才干，降低原料耗费，使系统进展平安、继续、平衡、稳定的消费。平衡、稳定的消费。v 氨合成塔的操作控制最终表如今催化床层温度的控制上，氨合成塔的操作控制最终表如今催化床层温度的控制上，在既定的反响温度下，应一直坚持温度的相对稳定。在既定的反响温度下，应一直坚持温度的相对稳定。 v 一、温度的控制一、温度的控制v 温度的控制关键是对催化床层热点温度和入口温度的控制。温度的控制关键是对催化床层热点温度和入口温度的控制。v 1 1、热点温度的控制、热点温度的控制v 对冷管式合成塔，不论是轴向还是径向，其热点温度是指对冷管式合成塔，不论是轴向还是径向，其热点温度是指催化

52、床层最高一点的温度。由前述冷管式催化床温度的分析催化床层最高一点的温度。由前述冷管式催化床温度的分析可知，催化床的理想温度分布是先高后低，即热点位置应在可知，催化床的理想温度分布是先高后低，即热点位置应在催化床的上部。对冷激式合成塔，每层催化剂有一热点温度，催化床的上部。对冷激式合成塔，每层催化剂有一热点温度，其位置在催化床的下部。其位置在催化床的下部。v 热点温度仅是催化床中一点的温度，但却能全面反映催热点温度仅是催化床中一点的温度，但却能全面反映催化床的情况。化床的情况。 v 正确控制热点温度：正确控制热点温度：v 首先，根据塔的负荷及催化剂的活性情况，应该在稳定的首先，根据塔的负荷及催化

53、剂的活性情况，应该在稳定的前提下，尽能够维持较低的热点温度。由于热点温度低不前提下，尽能够维持较低的热点温度。由于热点温度低不仅可提高氨的含量，还可延伸内件催化剂的运用寿命。消仅可提高氨的含量，还可延伸内件催化剂的运用寿命。消费中普通根据催化剂不同运用时期和消费负荷，规定热点费中普通根据催化剂不同运用时期和消费负荷，规定热点温度范围。温度范围。v 其次，热点温度应尽量维持稳定，由于热点温度稳定，可其次，热点温度应尽量维持稳定，由于热点温度稳定，可以控制反响在最适宜条件下进展。以控制反响在最适宜条件下进展。 v 2 2、入口温度的控制、入口温度的控制v 床层入口温度应高于催化剂的起始活性温度。床层入口温度应高于催化剂的起始活性温度。v 床层入口温度即会影响绝热层的温度，又会影响催化床床层入口温度即会影响绝热层的温度，又会影响催化床层的热点温度。这是由于床层顶部的反响速率随入口温度层的热点温度。这是由于床层顶部的反响速率随入口温度的变化而变化，这种变化会使不同深度床层反响速率相应的变化而变化，这种变化会使不同深度床层反响速率相应发生变化，伴随各部位的反响热也有变化，以致整个床层发生变化，伴随各部位的反响热也有变化，以致整个床层的温度要重新分布。的温度要重新分布。