【正文】 氨的用途氨是一種基本的化工產(chǎn)品，用途廣泛。各種含氮復(fù)合肥料也可以將氨加工來制取。如今合成氨產(chǎn)量已達(dá)世界第一，我國已熟練使用以焦炭、焦?fàn)t氣、無煙煤、油田伴生氣和油天然氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨和尿素的工藝技術(shù)，構(gòu)成了獨(dú)特的煤、天然氣和石油原料并存以及小、中、大生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)局面。經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率靠科學(xué)技術(shù)的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)，這將是未來發(fā)展合成氨氮肥工業(yè)新趨勢。 在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出簡便可行, 還可就地取材來獲得合成氣的潔凈煤氣化技術(shù),。其中氣體原料包括天然氣及焦?fàn)t氣；而液體原料包括重質(zhì)油和石腦油；而固體原料包括煤及其加工品碳化煤球、焦炭以及水煤漿[3]。它的生產(chǎn)成本低、建設(shè)花費(fèi)低，所以是全球已合成氨廠的主要生產(chǎn)方法。采用這種原料的技術(shù)與天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化重要區(qū)別在于轉(zhuǎn)化反應(yīng)中采用耐烯烴的特用催化劑。使用焦炭獲取合成氨原料氣，用空氣與水蒸氣為氣化劑經(jīng)過間歇交替吹入氣化爐中的固定炭層進(jìn)行反應(yīng)，而獲得合成氨生產(chǎn)用的原料氣。它和固定床間歇造氣區(qū)別在于沸騰床或氣流床都要連續(xù)作業(yè)且要用到氧氣或富氧空氣。該工藝一開始就試用加壓技術(shù)，經(jīng)歷了三次自我改造，迄今生命力強(qiáng)大。這是一個放熱、可逆、體積縮小的反應(yīng)。 以下列舉影響氨合成反應(yīng)的幾個因素:所以，從反應(yīng)平衡來看，提高氨的平衡產(chǎn)率就要要保持低溫。綜上所述，低溫使反應(yīng)向合成氨方向移動，但反應(yīng)速度比較低；高溫會阻礙反應(yīng)往氨合成方向進(jìn)行，而反應(yīng)速度加快。所以增加反應(yīng)的壓力，反應(yīng)會往生成氨的方向移動。但是，如果壓力過高不但使動力消耗增加，還設(shè)要求更高的設(shè)備和材料，所以壓力也不應(yīng)太高。物理意義：標(biāo)況下，單位時間內(nèi)在1立方米的催化劑上所經(jīng)過的氣體的體積?？账賹铣砂钡暮铣煞磻?yīng)有一定的影響。特別是空間速度太大，會增大合成塔出來的氣體帶出的熱量，無法控制催化劑床層的溫度，不易冷凝循環(huán)氣中的氨，所以空速不宜太大。氨有較低的轉(zhuǎn)化率，一般轉(zhuǎn)化率是10~20%氨合成反應(yīng)如下： (g) + N2(g) = NH3(g)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其平衡常數(shù)為 Kf0為真正的平衡常數(shù)，它由熱力學(xué)關(guān)系決定?，F(xiàn)實(shí)情況的熱效應(yīng)要結(jié)合不同條件下的不同影響。 上式只適用于低壓且接近平衡的情況，壓力較高時，要結(jié)合實(shí)驗速率常數(shù)與壓力的關(guān)系。y*NH3 = F (P、T、y i、r)①氫氮比的影響當(dāng)氫氮比≠3,則：其它不變，改變氫氮比使平衡氨含量最大時，可對上式求導(dǎo)，使其為零得 算得 r=，平衡氨含量最大。它主要來源于補(bǔ)充氣，保持循環(huán)氣中一定的惰性氣體含量主要是靠放空氣（馳放氣）決定的。它的成分有：Fe3O4(Fe2+/Fe3+≈) 促進(jìn)劑為：SiO2, K2O , Al2O3, MgO, CaO①加入Al2O3的會產(chǎn)生合金FeO③ CaO能使熔融物的熔點(diǎn)及粘度降低，還能使催化劑的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。通常選取500520℃作為還原溫度。在合成氨的生產(chǎn)中，它的最后一道工序是氨的合成。該法的操作壓力70～100MPa，溫度為550～650℃?，F(xiàn)在工業(yè)上采用此法的不多。加上低壓操作，使得合成效率不高，分離不易，流程也不簡單。選取正確的合成壓力，就要結(jié)合設(shè)備投資和壓縮功耗綜合分析。經(jīng)分析，壓力控制在15～30Mpa之間，功耗沒什么區(qū)別，所以現(xiàn)在普遍使用這種方法。但是，我們只要不斷認(rèn)識這一客觀規(guī)律并熟悉這一客觀規(guī)律就能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。這些又受到設(shè)備質(zhì)量、煤質(zhì)、水質(zhì)、季節(jié)、操作水平、調(diào)度與管理等因素的影響，就會讓合成氨的生產(chǎn)更加復(fù)雜。其中的油不但會造成催化劑中毒，還會在熱交換器壁上附著，使交換器傳熱效率降低，所以一定要去除它。氨常規(guī)運(yùn)作，采用氨合成產(chǎn)生的熱量來對氣體加熱，也就是換熱器中利用反應(yīng)后的高溫氣體來對反應(yīng)前的氫氮混合氣加熱，使其達(dá)到反應(yīng)溫度。冷凝法是現(xiàn)在常用的分離方法。將貯槽里的液氨進(jìn)行減壓，這些氣體就會釋放出來，稱其為“貯罐氣”。(5)惰性氣體的排除 通過以下三種方法可帶出氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體：①系統(tǒng)泄露些許；②液氨中溶解些許；③放空是主要方式。有些工廠設(shè)置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進(jìn)入二循環(huán)系統(tǒng)的合成塔，接著進(jìn)行合成反應(yīng)，放空分離氨后部的分惰性氣體，剩下的繼續(xù)在二循環(huán)系統(tǒng)里循環(huán)。在塔內(nèi)放置換熱器，拿反應(yīng)后的高溫氣體加熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，讓催化劑的達(dá)到活性溫度。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)蒸汽。 ③對反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水預(yù)熱。因此做到以下三點(diǎn)：①對氨的合成和分離有利；②對催化劑保護(hù)及壽命的延長有利；③對余熱回收利用有利。在15～30Pa的范圍內(nèi)，功耗的區(qū)別很小，因此采用中壓法合成氨技術(shù)非常普遍。高壓過熱蒸汽的價格較貴,投入較大,要依據(jù)整體流程來統(tǒng)一考慮。 從而可計算出液體中各組分含量： 液體中氨含量： xNH3=LNH3/L=100％=％ 液體中氬含量： xAr=LAr/L=IOO％=％ 液體中甲烷含量：xCH4=LCH4/L=100％=％ 液體中氫含量: xH2=LH2/L=100％=％ 液體中氮含量： xN2=LH2/L=100％=％ 氨分離器出口液體含量NH3CH4ArH2N2小計 分離氣體組分含量： 氣體氨含量： yNH3=［mNH3LNH3］/V=％ 氣體甲烷含量： yCH4=［mCH4LCH4］/V=％ 氣體氬含量： yAr=［mArLAr］/V=％ 氣體氫含量： yH2=［mH2LH2］/V=％ 氣體氮含量： yN2=［mN2LN2］/V=％ 氨分離器出口氣體含量NH3CH4ArH2N2小計查t=10℃，p=： 各組分的平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN227517580 冷交換器出口液體組分含量： 出口液體甲烷含量： xCH4=yCH4/ KCH4=％ 出口液體氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=％ 出口液體氬含量： xAr=yAr/ KAr=％ 出口液體氫含量： xH2=yH2/ KH2=％ 出口液體氮含量: xN2=yN2/ KN2=％ 冷交換器出口液體組分含量NH3CH4ArH2N2小計 由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進(jìn)入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣；兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分?jǐn)?shù)。(0i)=L(21i)/L(21): 入口液體中氨含量 m180。(0H2)= 100﹪=% 入口液體中氮?dú)夂? m180。 系統(tǒng)示意圖 由前計算數(shù)據(jù)如下表： 各組分的含量 名稱NH3CH4ArH2N2氣量補(bǔ)充氣V補(bǔ)放空氣V放弛放氣液氨入塔氣V入出塔氣 V出 根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求V補(bǔ),V放,V入,V出： 循環(huán)回路中氫平衡： V補(bǔ)yH2補(bǔ)=V放yH2放＋V弛yH2弛+3/2V放yNH3放+3/2V弛yNH3弛+3/2LNH3 ┉┉┉┉┉┉① 循環(huán)回路中氮平衡: V補(bǔ)yN2補(bǔ)=V放yN2放＋V弛yN2弛+1/2V放yNH3放+1/2V弛yNH3弛+1/2LNH3 ┉┉┉┉┉┉② 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: V補(bǔ)(yCH4放+yAr放)=V弛(yCH4放+yAr放)+V弛(yCH4弛+yAr弛) V補(bǔ)(+)=V放(+)+(+) V補(bǔ)=+ ┉┉┉┉┉┉③ 循環(huán)回路中惰性氣體平衡:V出yNH3V入yNH3入=V放y放+V弛y NH3弛+LNH3 = ++ ┉┉┉┉┉┉④ 循環(huán)回路中總物料體平衡: V入=V出 + V補(bǔ) V放 V弛 LNH3= V出 + V補(bǔ)－= V出 + V補(bǔ)－V放 ┉┉┉┉┉┉⑤ 聯(lián)立①②③④⑤各式解得：V放= m３。 即V8=V9=V10= m3 進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于熱交換器出口物料，即 V10入= m3 出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計算得氣液比(V/L)=,有如下方程:V11出/L11出=(V/L)= ┉┉┉┉┉┉①V11出+L11出=L10入= ┉┉┉┉┉┉② 將 ①帶入②得: L11出= m3 V11出= 出口氣體組分由V11i=V11出y11i得: 其中， NH3 V11NH3=%=CH4 V11CH4=% =Ar V11Ar= % =H2 V11H2=% =N2 V11N2=% = 出口液體各組分由L11i=V8iV11i 其中， NH3 L11NH3= =CH4 L11CH4= =Ar L11Ar= =H2 L11H2= =N2 L11N2= = 進(jìn)器物料：氨分離器進(jìn)器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料 即　V11=V11出+L11出= + = m3 出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進(jìn)行分離，分別得到氣體和液體出器氣體V12＝V11出＝ m3，出器液體L15＝L11出＝ 氨分離器出口氣體放空V13= m3 其中， NH3 V13NH3=% =CH4 V13CH4=% =Ar V13Ar= % =H2 V13H2=% =N2 V13N2=% = 進(jìn)器物料：進(jìn)器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量V14=V12V13= = m3 其中， NH3 V14NH3= % = m3CH4 V14CH4= % = m3Ar V14Ar= %= m3H2 V14H2= % = m3N2 V14N2= % = 出器物料（熱氣）：設(shè)熱氣出口溫度17℃ 查 t=17℃,P= NH3=﹪，計算熱氣出口冷凝液氨時，忽略溶解在液氨中的氣體。表1011 氨熱力學(xué)性質(zhì)）INH3=Q冷=L18NH3’/17INH3=17=(4) 新鮮氣帶入熱量Q1t1=10℃,P=，查壓力下各組分氣體比熱容: 各組分含量，分壓及比熱容N2H2CH4Ar氣體含量 各組分分壓/MPaCp/ kJ/(mol℃)Cp1=+++ =(kmol℃)新鮮氣帶入熱量 Q1=V1Cp1t1=10 =氨冷器收入總熱量 Q=Q17L’+Q17’+Q冷+Q1 =+++ =（5）氨冷器入口混合氣溫度t18計算由熱平衡 Q18=冷=V18Cp18t18+V18LCp18Lt18==T18=Q18/V18/(Cp18+Cp18L17/)=(Cp18+)設(shè)t18=24℃，P= 查常壓下各組分氣體比熱容: 各組分含量，分壓及比熱容N2H2CH4ArNH3氣體含量 各組分分壓/MPaCp/ kJ/(mol℃)Cp4=++++=(kmol℃)查t=℃時 Cp18L=(kmol℃)代入 t18=(+)= 與假設(shè)一致混合后氨冷器入口熱氣溫度24℃（6）氣體帶出熱量Q2’由冷交換器熱量計算Q2’=（7）氣體中液氨帶出熱量Q2L由冷交換器熱量計算Q2L=（8）液氨蒸發(fā)吸收熱量Q吸 （冷凍量）由熱平衡計算 Q吸=Q入(Q2’+Q2L’)=++= kJ查25℃液氨焓INH3L=（由液氨儲槽來）15℃蒸發(fā)蒸氣INH3=ΔINH3=INH3INH3L==（9） 冷凍量計算 W=Q吸/ΔINH3= 氨冷器進(jìn)出熱量匯總表單位：kJ/tNH3進(jìn)出氣體帶入Q17’氣體帶出Q2’液氨帶入Q17L’液氨帶出Q2L’氣體中氨冷凝Q冷冷凍量Q吸新鮮氣體帶入Q1－－總Q入總Q出（1） 循環(huán)機(jī)出口氣體溫度計算 由《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》附表111 查得循環(huán)氣體中各組分的絕熱指數(shù)如下： 各組分的絕熱指數(shù)NH3CH4ArH2N2K1根據(jù)公式 =()+()+()+()+() =++++K= T入=+273= KP出= P入=28MPa代入得 T出==℃=50℃（2） 氣體帶入熱量由前計算 Q3’=（3） 壓縮功 P1=28MPa P2= K= Z2= Z1=V1=V0P0T/(P1T0)=(323)/273=將上述數(shù)據(jù)代入壓縮功