第六章合成氨生产

第六章合成氨生产

煤气化生产技术

合成氨的工艺流程2工艺条件的选择3概述1第六章合成氨生产氨合成塔4氨合成塔的操作与控制管理5第一节概述12氨的物理性质与化学性质氨的用途34合成氨工业的发展概况合成氨生产的基本过程第一节概述氮是自然界里分布较广的一种元素。碳、氧、氢、氮、磷、钾六种元素是作物生长的主要养分，其中碳、氧、氢可由植物自身的光合作用或通过根部组织所吸收的水分获得，而氮元素则主要从土壤中吸收。可以说氮是植物生长的第一需要，从而也就成为动物生存所必需的。在高温、高压和有催化剂存在的条件下，氮气和氢气可以发生下列反应：N2+3H2=2NH3十Q一、氨的物理性质与化学性质1．物理性质在常温常压下，氨是一种具有特殊刺激性气味的无色气体，有强烈的毒性。空气中含有0.5%（体积分数）的氨，就能使人在几分钟内窒息而死。一、氨的物理性质与化学性质2．化学性质氨的化学性质较活泼，能与酸反应生成盐。如与磷酸反应生成磷酸铵；与硝酸反应生成硝酸铵；与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，脱水后成为尿素；与二氧化碳和水反应生成碳酸氢铵等。在有水的条件下，氨对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。二、氨的用途①制造化学肥料的原料。②化工原料。③应用于国防工业和尖端技术。④应用于医疗、食品行业中作为医疗食品行业中冷冻、冷藏系统的制冷剂。三、合成氨工业的发展概况1．合成氨工业化及其产量2．我国合成氨工业的发展四、合成氨生产的基本过程工序一：原料气的制取。工序二，原料气的净化。工序三，原料气的压缩与合成。第二节合成氨的工艺流程12氨合成基本工艺步骤典型的工艺流程一、氨合成基本工艺步骤1．气体的压缩和除油2．气体的预热和合成3．氨的分离4．未反应氢氮气的循环5.惰性气体的排放6．反应热的回收二、典型的工艺流程1．中、小型氨厂氨合成工艺流程二、典型的工艺流程2．大型氨厂氨合成工艺流程第三节工艺条件的选择12压力温度34空间速率进塔气组成一、压力能量消耗主要涉及到功的消耗，即原料气的压缩功耗、循环气的压缩功耗和冷冻系统的压缩功耗。图6-5为某日产900t氨合成功耗随压力的变化关系。二、温度表6-1国内外氨合成催化剂的组成和主要性能二、温度续上表三、空间速率表6-2所示，当气体中氢氮比为3：1、不含氨和惰性气体时，在压力为30.4MPa、500℃的等温反应器中反应，空间速度与出口氨含量和生产强度的关系。表6-2孔径速度与出口氨含量和生产强度的关系空速/h-11X1012X1013X1014X101出口氨含量/%生产强度/kg/(m3·h)21.70135019.02241717.33337016.074160四、进塔气组成1．氢氮比由前面讨论可知：当氢氮比r为3时，平衡氨含量最大；从化学动力学角度分析，最适宜氢氮比r随着反应的进行，将不断增大。四、进塔气组成2．惰性气体含量惰性气体（CH4、Ar）来自新鲜气，而新鲜气中惰性气体的含量随所用原料和气体净化方法的不同相差很大。惰性气体的存在，对氨合成反应，平衡氨含量和反应速率的影响都是不利的。四、进塔气组成3．入塔氨含量在其他条件一定时，入塔气体中氨含量越低，氨净值就越大，反应速率越快，生产能力就越高。目前一般采用冷凝法分离氨，入塔氮含量与系统压力和冷凝温度有关。要降低入合成塔混合气体中的氨含量，需消耗大量冷冻量，增加冷冻功耗。第四节氨合成塔12结构特点及基本要求几种典型冷管式内件的分析3冷激式氨合成塔—、结构特点及基本要求为了适应氨合成反应条件，合理解决高温和高压的矛盾，氨合成塔（图6-6）由内件与外筒两部分组成。二、几种典型冷管式内件的分析1．并流双套管式二、几种典型冷管式内件的分析2．并流三套管式二、几种典型冷管式内件的分析3．单管并流式二、几种典型冷管式内件的分析以上三种内件是单层轴向连续换热式内件的主要型式，特点见表6-3。三种内件的特点如下：表6-3连续换热式内件的特点冷管型式热点位置Tb-Ta床层温度分布生产强度操作稳定性冷却段上部冷却段下部并流双套管低小大较合理较低好并流三套管高大小合理较高好单管并流式高大小合理较高好三、冷激式氨合成塔60年代以后，随着合成氨规模的大型化，氨合成塔直径大大增加，为了简化结构，较多采用冷激式内件。冷激式氨合成塔有轴向塔和径向塔之分。三、冷激式氨合成塔径向流动氨合成塔有时称为托普索径向塔，从1964年开始在合成氨厂应用。三、冷激式氨合成塔第五节氨合成塔的操作与控制管理12温度的控制压力的控制34循环量的控制氢氮比和惰性气体含量的控制一、温度的控制（一）热点温度的控制对连续换热合成塔，不论是轴向还是径向塔，催化剂床层内总存在一个热点温度。表6-4国内A系列氨合成催化剂不同使用时期热点温度控制指标/0C阶段使用初期使用中期使用后期A106480～490490～500500～520A109470～485485～495495～515A110460～480480～490490～510A201460～475475～485485～500一、温度的控制（二）入口温度的控制催化剂床层入口温度必须达到催化剂的活性温度。对于A110-1型催化剂，一般将入口温度控制在400℃±20℃左右。这主要考虑在运行实际中，入口气体中的毒物不可能全部除去，所以催化剂实际起活温度要比实验室的起活温度高，但这个温度受到合成塔结构的限制。一、温度的控制（三）催化剂床层温度的调节方法

A、调节塔冷气副阀。B、调节循环量。二、压力的控制A、系统压力不能超过设备所允许的操作压力，这是保证安全生产的前提。B、在正常操作条件下，应尽量降低系统的压力，这样可以降低循环机的功耗，使合成塔操作稳定，不会因条件稍有恶化，压力就超过指标。二、压力的控制C、在催化剂使用后期，应将系统压力维持在指标上限，以获得最大的氨产量。D、有时新鲜气量大幅度减少，系统压力降得很低，氨合成反应较差，催化剂床层温度难以维持，这时可减少循环量，并适当提高氨冷器的温度，使压力不致过低。三、循环量的控制循环量系指合成塔单位时间进入的总气量。循环量的大小标志着合成塔负荷的大小和生产能力的高低。当合成塔能够自热平衡和系统压力降允许时，应尽可