【文章內(nèi)容簡介】 氣，經(jīng)壓縮機壓縮而進入氨 合成回路，制得產(chǎn)品氨。以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)流程與此流程相似。 重質(zhì)油制氨 重質(zhì)油包括各種深度加工所得的渣 油 ，可用部分氧化法制得合成氨原料氣，生產(chǎn)過程比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡單，但需要有空氣分離裝置?？諝夥蛛x裝置制得的氧用于重質(zhì)油氣化，氮作為氨合成原料外，液態(tài)氮還用作脫除一氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。 氨合成反應(yīng)的特點和催化劑 氨合成反應(yīng)的特點 氨的合成是氨廠最后一道工序，任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力和有催化劑存在的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣直接合成成氨。然后將所產(chǎn)的氣氨從未 合成為氨的混合氣體中冷凝分離出來，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的氫氮氣體循環(huán)使用。 氨合成的化學(xué)反應(yīng)式如下： 1/2 N2 + 3/2 H2 = NH3 這一化學(xué)反應(yīng)具有如下幾個特點： ①該反應(yīng)是可逆反應(yīng)：在氯氣和氫氣反應(yīng)生成氨的同時，氨也分解成氫氣和氮氣，前者稱為正反應(yīng)，廳者稱為逆反應(yīng)。 ②該反應(yīng)是放熱反應(yīng)：在生成氨的同時放出熱量反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān) ③該反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)：從反應(yīng)式可以看出，由 個分子的氫和 個分子的氮，反應(yīng)后生成 1 分子的氨，在化學(xué)反應(yīng)過程中，體積減少。 ④反應(yīng)需要有催化劑 ：實踐證明，在沒有催化劑存在的條件下，生成氨的反應(yīng)速度相當(dāng)緩慢，在 300500℃的條件下，氨合成反應(yīng)需要若干年才能達到平衡。但在適當(dāng)催化劑的作用下，減少了氫氮氣化合時所需要的能量，因此大大加快了反應(yīng)速度 。 氨合成鐵系催化劑 在工業(yè)催化過程中，氨的合成是研究得最多，最深入的典型過程之一。近年來合成氨工業(yè)的進展，很大程度上是由于催化劑質(zhì)量的提高而取得的，氨合成中的工藝條件也大都取決于所選用催化劑的性質(zhì)。可見，催化劑的作用事十分重要的。通過研究發(fā)現(xiàn)，對氨合成反應(yīng)具有活性的一系列金屬中，以鐵為主體，并添 加有促進劑的鐵系催化劑，價廉易得，活性良好，使用壽命長。因而鐵系催化劑獲得了廣泛應(yīng)用。 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 熱力學(xué)計算表明，低溫、高壓對合成氨反應(yīng)是有利的，但無催化劑時，反應(yīng)的活化能很高，反應(yīng)幾乎不發(fā)生。當(dāng)采用鐵催化劑時，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進行。目前認為，合成氨反應(yīng)的一種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學(xué)吸附，使氮原子間的化學(xué)鍵減弱。接著是化學(xué)吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成 — NH、 — NH2 和 NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。 上 述反應(yīng)途徑可簡單地表示為： xFe + N2→Fe xN NFex +［ H］ 吸 → NHFex NHFex +［ H］吸 →Fe xNH2 FexNH2 ＋［ H］吸→ FexNH3xFe+NH3 鐵系催化劑的主要成分是 FeO 和 Fe2O3并加入少量的其他金屬氧化物 A12O K2O、 Cao等為 促進劑 (又稱助催化劑 )。 催化劑的活性組分是金屬鐵，而不是鐵的氧化物。因此，使用前在一定的溫度下，用氫氮混合氣使其還原，即使氧化鐵被還原為具有活性的α型純鐵。 催化劑還原反應(yīng)為： FeO ?Fe2O3+4H2=3Fe+4H2O Δ H＝ (kJ mo11) 加入 A12O3 的作用：它能與氧化鐵生成 FeO ?A12O3晶體，其晶體結(jié)構(gòu)與 FeO ?Fe2O3相同。當(dāng)催化劑被氫氯混合氣還 原時，氧化鐵被還原為α型純鐵，而 A12O3不被還原，它覆蓋在α Fe 品粒的表面，防止活性鐵的微晶在還原時及以后的使用中進一步長大。這樣。α Fe的品粒間就出現(xiàn)了空隙，形成縱橫交錯的微型孔道結(jié)構(gòu)，大大地增加了催化劑的表面積，提高了活性。 加入 MgO 的作用與 A12O3有相似之處。在還原過程中， MgO 也能防止活性鐵的微晶進一步長大。但其主要作用是增強催化劑對硫化物的抗毒能力，并保護催化劑在高溫下不致因晶體破壞而降低活性，故可延長催化劑 壽命。 加入 Cao 的作用：為了降低熔融物的熔點和粘度，并使 A12O3易于分散在 FeO ?Fe2O3中，還可提高催化劑的熱穩(wěn)定性。 氨合成鐵催化劑是一種黑色、有金屬光澤、帶磁性、外形不規(guī)則的固體顆粒。鐵催化劑在空氣中易受潮，引起可溶性鉀鹽析出，使活性下降。經(jīng)還原的鐵催化劑若暴露在空氣中則迅速燃燒，立即失掉活性。一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、油類、硫化物等均會使鐵催化劑暫時或永久中毒。長時間的含氧化合物中毒亦會造成永久中毒。各類鐵催化劑都有一定的起始活性溫度、最佳反應(yīng)溫度和耐熱溫度。 最佳工藝條件的選擇 氨合成的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗定額低、工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便及安全可靠等要求。決定生產(chǎn)條件員主要的因素是操作壓力 、溫度、空間速度、化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 氣體組成和催化劑等。 壓力 工業(yè)上合成氨的各種工藝流程，一般都以壓力的高低來分，從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速度的角度看，提高操作壓力對氨的合成是有利的。在一定的空間速度下，合成壓力越高，氨凈值 (合成塔出入口氨含量之差 )越高，合成塔的生產(chǎn)能力也就越大。從圖 2— 6可以看出，氨產(chǎn)率是隨著壓力的升高而上升的。同時壓力高也有利于氨的分離，在較高溫度下氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。氨合成壓力高，設(shè)備緊湊，流程簡單，但對設(shè)備的材質(zhì)和制造的要求較高。同時，高壓下反應(yīng)溫度較高，催化劑使用壽命短，操作管 理也比較困難，因此壓力不宜過高。 目前我國中小型合成氨廠操作壓力大多數(shù)采用 2032MPa，而采用離心式壓縮機的大型合成氨廠的操作壓力一般為 U=27MPa。 溫度 氨合成反應(yīng)必須在催化劑的存在下才能進行，而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有催化活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)。目前工業(yè)上使用的鐵催化劑的活性溫度范圍大體在 400525℃之間。 空間速度 單位體積催化劑在單位時間內(nèi)處理的氣體量稱為空間速度?？臻g速度大小意味著處理氣量的大小，在一定的溫度、壓力下 ，增大空間速度，就加快了氣體通過催化劑的速度，氣體與催化劑接觸時間縮短，在確定條件下，出塔氣體中氨含量要降低。一般操作壓力在 30MPa 的中壓法合成氨，空間速度選擇在 2020030000m3/h之間。空間速度，處理的氣量大，能增大產(chǎn)量，但氨凈值有所降低?？臻g速度過大，氨分離不完全，增大設(shè)備負荷，增大動力消耗。 合成塔入口氣體組成 合成塔入口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。 從反應(yīng)平衡的角度來看，當(dāng)氫氮比接近 3時，可獲得最大的平衡氨濃度。在實際生產(chǎn)中，進塔循環(huán)氣的氫氯比 控制在 ~ 比較合適。 合成氨工藝流程 實現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟：氫、氮原料氣的壓縮并補入循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成，氨的分離，熱能的回收利用，對未反應(yīng)氣體補充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中情性氣體的平衡等。 由于采用壓縮機的型式、氨分離冷凝級數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對位置的差異，而形成不同的工藝流程。 (1)兩次分離液氨產(chǎn)品的典型流程 液氨產(chǎn)品兩次分離的流程，即液氨在兩個部位 —— 水冷器及氨冷器中冷凝分離。這類流程按是否副 產(chǎn)蒸汽而分為不副產(chǎn)蒸汽和副產(chǎn)蒸汽兩種流程， 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 合成塔出口氣體先經(jīng)水冷卻器冷卻到一定程度，使其中大部分氨冷凝下來，從第一氨分離器中分出來。氣體隨即進入循環(huán)壓縮機，提高壓力并與新鮮氣混合后，流入冷交換器和氨冷卻器中。氣體中余下的氨在冷卻、冷凝、并在第二氨分離器中分出。分離氨后的氣體即進入合成塔。（ 2）一次分離液氨工藝流程 凈化合成氣在 38℃和 條件下進入合成氣壓縮機，合成氣由離心式壓縮機壓縮，合成循環(huán)氣進入壓縮機第二缸中間氏輪，并經(jīng)最后一段壓縮與合成循環(huán)中的新鮮原料氣相混合。最后，把所制得的合成氨儲存到 罐里或通往其他地方繼續(xù)加工生產(chǎn)。 高壓機 氨冷囂 冷凝塔氣 氣換熱囂合成塔 水冷器 分離器新鮮氣 新鮮氣有液氨的高壓混合氣 循環(huán)氣氣體 氣液混合混合氣體循環(huán)氣 氨氨化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 3 工藝過程設(shè)計 合成氨廠變換工段為回收變換氣的熱量以提高進飽和塔的熱水溫度，需設(shè)計一臺列管式換熱器。已知：變換氣流量為 hkg31010? ,變換氣進換熱器溫度為 C?245 ，壓力為 .熱水流量為 hkg31052? ，熱水進換熱器溫度為 C?160 ，壓力為 。要求熱水 升溫 C?8 。設(shè)變換器出換熱器時的壓力為 。 3． 1 估算傳熱面積 查取物行數(shù)據(jù) 水的定性溫度為 C??? 1642)168160( 。 M P a89,02)88,( ???變換氣的平均壓 。設(shè)變換氣出換熱器的溫度為 C?168 ，則變換器的平均溫度為 C???? 5,2062)168245( ，查得水與變換器的物性數(shù)據(jù)如下： 介質(zhì) 密度ρ)( 3mkg 比熱容)( CkgkJCp ?? 粘度μ).( sPa? (