合成氨生产工艺综述

1、摘 要 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，80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。 化水平，靠人工控制的也不少，普遍存在的问题是：能耗大、成本高、流程长，自动控制水 程优化控制是行之有效的方法。合成氨生产装置是我国化肥生产的基础，提高整个合成氨生产装置的自动化控制水平， 对目前我国化肥行业状况，只有进一步稳定生产降低能耗，才能降低成本 现合成氨装置的优化是投资少、见效快的有效措施之一。合成氨装置优化控制的意义是提高整个合成氨装置的自动化水平，在现有工艺条件下， 原材料消耗，降低能源消耗，提高产品的合格率，增强产品的市场竞争能力。

2、关键字合成氨 农业 化学肥料 意义 前言 原料之一，用途十分广泛。以氮和氢为原料合成氨，是目前世界上采用最广泛，也是最经济 液氨含氮 82.3%，一些国家已大规模直接施用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础， 对农业增产起着十分重要的作用。1949 年0.620097021.9引进了一批年产 30 万吨氮肥的大型化肥厂设备。中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。改革开放以来，我国合成氨工业发展很快，产量不断增加，在原料气制造方面，基本掌握了煤、油、气不同原料的气化技术。为

3、了满足我国社会主义建设发展的需要，在发展煤炭 业发达国家相比仍有较大差距。但是人均的化肥产量（吨/人年）和单位种植面积施肥量 仍然较低。合成氨的工业的迅速发展，也促进了高压、催化、特殊金属材料、固体燃料气化、低温 业已成为现代化学工业的一个重要部门。二 合成氨的生产工艺及影响因素原料气制备 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，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。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

4、%40%。合成氨需要的两种组分是H2N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下：CO+H2OH2+CO2 H=-41.2kJ/mol1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COCO 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。脱硫脱碳过程 硫的催化剂而确定脱硫的位置 常用的有低温甲醇洗(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。原料气经COH 外，还有COCOCH 等组分，其中以CO 含量2242最多。CO 既是氨合成催化剂的毒

5、物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变2换气中CO 的脱除必须兼顾这两方面的要求。2一般采用溶液吸收法脱除CO 。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸2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。气体精制过程CO 变换和CO 脱除后的原料气中尚含有少量残余的COCO22COCO10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成2工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。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

6、除甲烷和大部分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、COH2 反应生成CH 和HO242一种净化工艺，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+CO10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H ，并22且增加了惰性气体CH 的含量。甲烷化反应如下：4CO+3HCH+HO H=-206.2kJ/mol242CO2+4H2CH4+2H2O H=-165.1kJ/mol氨合成下进行，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

7、成反应式如下：N+3H2NH(g) H=-92.4kJ/mol223影响合成氨的因素温度对氨合成反应的影响 取较低的反应温度。增加分子有效结合的机率。2总之，温度低时，反应有利于向合成氨的方向进行，但是氨合成的反应速度较低决定于氨合成催化剂的性能。压力对氨合成反应的影响氨的合成反应是一个分子的氮与三个分子的氢结合生成两个分子的氨 应的速率。总之，增加压力对氨的合成反应是有利的，既能增大平衡转化率，又能加快反应速率。 国具体情况，目前在小型合成氨厂，设计压力一般为31.4MPa。3空速对氨合成反应的影响空速的物理意义是：在标准状况下，单位时间内在1m3 的催化剂上所通过的气体体积。其单位为m3(

8、标)气体/（m3 催化剂h）,或简写为h-1。在一定的合成条件下，空速增加，气体与催化剂接触时间减少，出合成塔气体氨含量降低。例如：在29.4MPa、475下反应，空速由10000h-120000h-1、40000h-1,出塔气体氨含量由 25%降至 21.5%、16.2%。这看来对生产不利，但由于空速的提高，单位时间内通过10000h-1 20000h-1、30000h-1、40000h-11950kgNH/(hm33340、4280、50403kgNH3/(hm3)。使循环气中氨不易冷凝。在小型合成氨中，一般将空速控制在15000-25000 h-1。氢氮比对氨合成反应的影响/N=1H/N

9、2=： 1 可以提高平衡氨含量。从氨合成反应速度可知，在非平衡的状态下，适当增加氮的分压对 条件下，氨产率只能达到平衡值的 50%70%，因此，在生产中应适当提高氮的比例，一般控2.22.8三 合成氨工艺流程图煤和天然气CO 低温变换粗原料气煤和天然气CO 低温变换粗原料气CO 高温变换湿法脱硫铜洗（除去残留的硫化物）气体精制（控制杂质气体含量）-化学吸收法CO2湿法脱硫铜洗（除去残留的硫化物）气体精制（控制杂质气体含量）-（CO2）去硫酸生产（硫化物应用）（液氮洗法）压缩氮氢混合气体-低温甲醇洗甲烷化法（降低（液氮洗法）压缩氮氢混合气体法碳的氧化物）氨的合成（ 800氨的合成（ 800高压催

10、化剂）（压缩法）（去深加工）四 研究现状1949 年0.620097021.9引进了一批年产 30 万吨氮肥的大型化肥厂设备。中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。 白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成2。铁蛋白主要起着电子传递输送的作 用，而含二个钼原子和二三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N2 或其他反应物（底物）分子，并进行反应的活性中心所在之处。关于活性中心的结构有多种看法，目前尚无定论。从各19731974氮酶的一系列性能，但其结构细节还有待根据新的实验结果

11、精确化。国际上有关的研究成果认为，温和条件下的固氮作用一般包含以下三个环节：络合过程。它是用某些过渡金属的有机络合物去络合N2，使它的化学键削弱；还原过程。它是用化学还原剂或其他还原方法输送电子给被络合的N2，来拆开N2 NN加氢过程。它是提供H+来和负价的N 结合，生成NH3。N2N ，从不稳定的双氮络合物还原制出的NH 的量相当微少。因此迫切需要从理论上深入23分析，以便找出突破的途径。固氮酶的生物化学和化学模拟工作已取得一定的进展究，特别是对寻找催化效率高的合成氨催化剂，将是一个有力的促进。五 研究合成氨的意义合成氨对农业的意义氨技术对农业生产具有重要的意义。提高粮食产量据联合国粮食组织

12、（FAO）1950-19702011060022；由于单位面积产量提高所增78。而在各项增产因素中，西方及日本科学家一致认为，增加化肥要起到4-6（1991952-1995年，粮食产量与化肥投入量同步增长，密切相关。2054200中如按 75投放于粮食作物，并按我国近期千克化肥养分平均增产粮食7.5kg 计，则由化肥2.36347.3。提高土壤肥力国内外 10 年以上的长期肥效试验结果证明，连续的、系统的施用化肥都将对土壤肥力加的趋势。这是土壤肥力（土壤生产力）持续提高的标志。4可以认为，所谓培肥土壤或提高土壤肥力，说到底是提高土壤在无肥条件下的生产力， 47 的含量为1.1（101.211）

13、和1.715。由中国农科院土肥所主持，10发挥良种潜力现代作物育种的一个基本目标是培育能吸收和利用更多肥料养分的作物新种 量，改善品质。因此，高产品种可以认为是对肥料具有高效益的品种。例如，以德国和印度100kg分吸收量是地方种的2.0-2.82.14-2.73.E.Borlaug 一广也与肥料投入量密切相关。据湖南农科院土肥所报告198，常规种晚稻随施肥量增加（威优 6 号则随施肥杂交晚稻较常规晚稻多吸收N21-54kg，P2O51.5-15kg、K2O19.5-67.5kg。因此，肥料投入水平成为良种良法栽培的一项核心措施。补偿耕地不足 效，每吨养分增产粮食7.5t 计，若每公顷耕地的平均粮食单产也是7.5t，则每增施化肥养1t1hm2。因此，那些人多地少的国家，无一不是借助增加投肥60-227。合成氨对工业生产的意义氨是一些工业部门的重要原料。工业用氨量已占合成氨产量的百分之十以上。基本化 为原料。食品工业中，氨广泛用作冷冻剂，冶金工业、石油加工工业、机械工业亦需使用氨 通速度，更加有利于经济的平稳发展。合成氨对其他行业的意义 纤维等多种炸药都要消耗大量的氨。生产导弹、火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。 压低温技术、催化和特殊金属材料的应用、固体燃料气