氨合成的能量分析与操控要点分析

氨合成的能量分析与操控要点分析摘要：由于在氨的合成过程中，会产生大量的化学能量，这就需要采取相关的措施去控制和转换，才能保证氨生产合成的顺利进行。文章将就氨合成的能量与操控要点进行分析。关键词：氨的合成能量分析操控要点氨的合成是一个较为复杂的化学过程，是无机化工的一个方面。在实际的操作中，需要生产人员了解氨合成的具体过程，掌握氨合成的技术要点，特别是要掌握氨合成的能量分析要点以及合成塔的操控特点，这样才能保证生产的顺利进行。一、节氨合成过程的能量分析一般而言，氨合成反应的热效应可以表示为△HR=-46.22kJ/mol，但是如果产品是液态氨，那还需要加上氨的冷凝热，则公式可以表示为△HR=-66.06kJ/mol。通常情况下，上述热能是无法得到全部利用的。有相当部分的余热，需要通过废热锅炉副产蒸汽和加热锅炉给水，而剩下部分则由水冷器中的水和氨冷器中的氨带走。以并流三套管为例，在温-焓图上，简要说明氨合成系统气体能量变化的情况。如下图所示。此图以0℃为基准，压力为30.40MPa。同时规定0℃时含CH45.2％、Ar9.2％的氢氮混合气的焓值是零。在这个过程中，进塔气体一般是处于温度为20℃、氨含量为3.5％(图中1点)的状态进入合成塔，通过塔下部换热器及冷管换热后，其温度升将会至400℃，在整个预热的过程氨含量是不发生改变，在图上沿等氨含量线变化到2点。当气体开始进入催化床层后，就会在绝热段发生绝热反应，等焓变化至2’点。在进入冷却段之后，因为冷管的冷却作用，气体的焓值将会出现逐渐下降的想象，直到反应终了气体温度为493℃，氨含量为15．5％，如图中3点所示，此时气体会通过下部换热器降温至4点后出塔。氨合成塔属于稳流体系，根据热力学第一定律可知，△H=Q+W，很明显W=0，如果我们不计算塔的散热损失，则有Q=0，△H=H4-H=0，也就是合成塔进口气体的焓值等于出口气体的焓值，此时可以发现1，4两点位于平行于横轴的一条直线上。这也就意味这，如果能够确定进塔气体状态，那就可以确定出塔气体的焓为定值。4点的位置可以任意由其他的状态参数确定，不过其余状态参数都是不能为独立参变数的。出塔气体温度的高低决定出塔气体的余热回收价值。一般来说，如果出塔气体温度的高，那就代表其回收价值大，所产的蒸汽压力就高，数量也就比较大。通过温焓图分析表明，如果进塔气体的组成一定，那么进口气体的温度将会决定1点的焓值。如果进口气体温度提高，那1点焓值就会不断增加，当出塔氨含量一定时，出塔气体温度也就会提高；而在l点状态已经确定的情况下，如果继续提高出塔气体的温度，那就可以进一步提高出塔氨含量(或氨净值)。进塔氨含量的高低，也可以影响出塔气体温度，但一般来说进塔气体的氨含量变化不会太大。综上所述，我们可以确定氨合成塔的出口气体温度，主要与进塔气体温度和氨净值有关。加设换热器是提高合成塔进气温度最简便的措施，其主要是利用合成塔出口气体的余热预热合成塔进口气体。这个原理一方面考虑了合成塔外筒对温度的要求，也考虑到了提高进塔气体的温度，这样就可以有效的提高出塔气体温度。当然，为保持合成塔塔壁温度能够控制在一定范围内，而不过于太高，合成塔一进气体的温度将会经内外筒之间的环隙自上而下，不会进入塔内换热器，而是引出塔外进提温型预热器，从而提高二进合成塔气体温度，保证二次出塔气体温度得到相应提高。提高氨净值的方法主要有两种，一是通过选择优质合成塔内件来实现，二是在保证合成塔内件一定的前提下，进一步严格操作条件，确保催化剂的活性，最终实现较高的氨净值。当然，在这个过程中，我们需要注意的是，氨净值的提高，一方面会提高出塔气体温度，另一方面会增加余热回收量。这主要是因为在气体离开余热回收器温度相同的情况下，其焙值会随氨净值的增大而减小。造成余热回收量的增大。二、热能回收的方法回收热能的方法主要有两种方式，一种是利用余热副产蒸汽，一种是用来加热锅炉给水。如果选择使用于副产蒸汽，那从锅炉安装的位置，又可分两中，即塔内副产蒸汽合成塔和塔外副产蒸汽合成塔。内置式副产蒸汽合成塔的主要优点是热能利用好，但因结构复杂且塔的容积利用系数低，所以当前并不常使用。根据反应气抽出位置的不同，外置式副产蒸汽合成塔可以分为三种：①前置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在换热器之前，反应气出催化床层即进入废热锅炉换热，然后回换热器。②中置式副产蒸汽合成塔。这种方法对材料的要求并不高。③后置式副产蒸汽合成塔。因为抽气位置在换热器之后，所以气体温度一般较低，只能产生0．4MPa左右的低压蒸汽，那就意味着其使用价值比较低。三、氨合成塔的操作控制要点在安全生产的前提下，提高设备的生产能力，进一步降低原料消耗，确保系统进行安全、持续、均衡、稳定的生产，是生产操作控制的最终目的。生产操作中控制的各个指标是相互作用的，也就是说在生产过程中是互相影响又互为条件的关系，这就意味着怎样保证工艺指标相对稳定，不产生或者很少产生波动，确保系统处于安全、稳定的状态，其实是一件复杂的工作。这就要求操作人员，必须要熟悉系统的工艺情况，同时还需要掌握生产条件之间的内在联系。这样，当一个条件发生变化时，就能够快速地进行预见性调节。除了通过观看仪表进行操作控制外，还应通过系统中某些现象的变化，正确果断地进行处理，避免操作中事故的发生和扩大。氨合成塔的操作控制应以氨产量高、消耗低和操作稳定为目的，而操作稳定是实现高产量、低消耗的必要条件。氨合成塔的操作控制最终表现在催化床层温度的控制上，在既定的反应温度下，应始终保持温度的相对稳定。影响温度的主要因素有压力、循环气量、进塔气体成分等。1.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。热点温度的控制对冷管式合成塔，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。显然，就其中一层催化剂而言，温度分布并不理想，但多层催化剂组合起来，则显示温度的合理性。虽然，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。床层其他部位的温度随热点温度的改变而相应变化。因此，控制好热点温度，在一定程度上就相当于控制好了床层温度。但是，热点温度的大小及位置不是固定不变的，它随着负荷、空速、和催化剂使用的时间而有所改变。正确控制热点温度，有以下几点要求：首先，根据塔的负荷及催化剂的活性情况，应该在稳定的前提下，尽可能维持较低的热点温度。因为热点温度低不仅可提高氨的含量，还可延长内件催化剂的使用寿命。生产中一般根据催化剂不同使用时期和生产负荷，规定热点温度范围，控制10℃的温差，如470℃±5℃等。这一方面考虑操作中可能会引起的温度波动；另一方面在操作中应根据系统的实际情况来确定温度的高低。当压力高、空速大和进口氨含量低的情况下，因为反应不易接近平衡，所以将热点温度维持在指标的上限以提高反应速率。相反，应将热点温度维持在指标的下限，以提高平衡氨含量。其次，热点温度应尽量维持稳定，虽然规定波动幅度为10℃，但当系统生产条件稳定和勤于调节时，能经常在2~4℃范围内波动为好，波动速率要小于5℃/15min。因为热点温度稳定，可以控制反应在最适宜条件下进行。但需指出，在控制热点温度的同时，对床层的其他温度点也应密切注意。特别是床层的入口温度。2.入口温度的控制床层入口温度应高于催化剂的起始活性温度。床层入口温度既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应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应速率相应发生变化，伴随各部位的反应热也有变化，以致整个床层的温度要重新分布。因此，在其他条件不变的情况下，人床层的温度控制了整个床层的反应情况。所以调节热点温度时，应特别注意床层入口温度的变化进行预见性的调节。在催化剂活性好、气体成分正常和压力高的情况下，入口温度可以维持低一些。反之，入口温度必须维持较高。四、结语氨合成的能量分析需要一定的技术支持，也需要按照相关的操作细则进行，这需要操作人员对整个操作流程和技术有充分的认识，此外还需要对操