合成氨生产工艺Word
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合成氨生产工艺Word
合成氨生产工艺 河南化工技校
魏葆婷
氨的合成 氨的合成是量后一道工序,任务是在 适当的温度、压力和有催化剂存在的条件 下,将经过精制的氨氮混合气直接合成为 氨。然后将所生成的气体氨从末合成为氨 的混合气体中冷凝分离出来,得到产品液 氨,分离氨后的白白氢氮气体循环使用。 凝分离出来,得到产品液氨,分离氨后的 氢氮气体循环使用。
第一节 氨合成的基本理论 一、氨合成反应的特点 3H2+N2=2NH3+Q (1)是可逆反应。即在氢气和氮气反应生 成氨的同时,氨也分解成氢气和氮气。 (2) 是放热反应。在生成氨的同时放出热 量,反应热与温度、压力有关。 (3)是体积缩小的反应。 (4)反应需要有催化剂才能较快的进行 。
二、氨合成反应的化学平衡 1.平衡常数 :降温、加压平衡常数增大 2.平衡氨含量 反应达到平衡时氨在混合气体中的百分含量, 称为平衡氨含量,或氨的平衡 产率。 氢氮混合气体中所含的甲烷和氩等不参加氨合 成反应的气体成分,称为惰性气体。 提高平衡氨含量的措施为降低温度,提高压力, 保持氢氮比等于3,并少惰性气体含量。
三、氨合成动力学 (一)反应机理 在催化剂的作用下,氢与氮生成氨的反应是一多相气 体催化反应。由以下几个步骤所组成: (1)气体反应物扩散到催化剂外表面; (2)反应物自催化剂外表面扩散到毛细孔内表面; (3)气体被催化剂表面(主要是内表面)活性吸附(与普通 吸附的区别在于有化学力参与在内,并放出热量); (4)吸附状态的气体在催化剂表面上起化学反应,生成 产物; (5)产物自催化剂表面解吸; (6)解吸后的产物从催化剂毛细孔向外表面扩散; (7)产物由催化剂外表面扩散至气相主流。 以上七个步骤中, (1)、 (7)为外扩散过程; (2)、 (6) 为内扩散过程; (3)、 (4)和(5)总称为化学动力学的 过程。
二、反应速度 反应速度是以单位时间内反应物质浓度 的减少量或生成物质浓度的增加量表示。 影响氨合成反应速度因素: 1.压力 提高压力可加快氨的生成速度使气体中 氨含量迅速增加。 2.温度 反应速度随着温度升高显著加快。
第二节 氨合成催化剂 可以作氨合成催化剂的物质 很多,如铁、铂、锰、钨和 铀等。但由于以铁为主体的 催化剂具有原料来原广 ,价 格低廉,在低温下有较好的 活性抗毒能力强,使用寿命 长等优点 、广泛采用。
一 、催化剂的组成及性能
1.催化剂在还原前的化学组成及其作用 铁催化剂在还原之前,以铁的氧化物状态存在。其 主要成分是三氧化二铁 (Fe2O3
)和氧化亚铁 (FeO) 。 此外,催化剂中还加入各种促进剂。 (1)氧化铁的组成 (2)促进剂的组成及作用 促进剂又称助催化剂,它本身没有催化活性,但加 入催化剂 中,可改善催化剂的物理结构,从而提 高催化剂的活性。合成氨铁催化剂中,普遍采用的 促 进剂有三氧化二铝(A12O3)、氧化钾(K2O)和氧化钙
二、催化剂的还原与钝化 1.催化剂的还原 (1)催化剂还原反应的原理 催化剂中氧化铁不能加速氨合成反应速度,必 需将其还原成活泼的铁,才具有催化活性,常 用还原方法是将制成的催化剂装在合成塔内通 入氢氮混合气,使催化剂中的氧化铁被氢气还 原成金属铁。 FeO+H2+Fe+H2O-Q Fe2O3+3H2=2Fe+2H2O-Q 催化剂的还原程度用还原前催化剂中铁的氧化 物被还原的百分率表示称还原度。
(3).催化剂的预还原 为了使合成氨系统在短时间内投入生产, 将铁催化剂在合成塔外预先进行还原, 即所谓催化剂的预还原。 2.催化剂的钝化 还原后的活性铁遇到空气会发生强烈的 氧化反应,放出的热量能使催化剂烧结 失去活性。 钝化方法是将压力降到0.5~1MPa,温 度降到50~80度,用氮气置换系统后逐 渐导入空气使氮气中氧含量在0.2~0.5%.
三、催化剂的中毒与衰老 1.催化剂的中毒 进入合成塔的新鲜混合气,虽然经过了净化, 但仍然含有微量的有毒气体,使催化剂缓慢中 毒,活性降低。 2.催化剂的衰老 催化剂经长期使用后,活性会逐渐下降,生产 能力逐渐降低,这种现象称为催化剂的衰老。 催化剂的中毒和衰老几乎是无法避免的,但是 选用耐热性能较好的催化剂,改善气体质量和 稳定操作,能大大延长催化剂的使用寿命。
第三节 氨合成操作 条件的选择 氨合成的生产工艺条件必须满足产
量高、消耗定额低、工艺流程及设 备结构简单、操作方便及安全可靠 等要求。 决定生产条件最主要的因素是压力、 温度、空间速度、气体组成和催化 剂等。
一、压力 在一定的空速下,合成压力越高,出口氨 浓度越高,氨净值(合成塔出入口氨含量之 差)越高,合成塔的生产能力也就越 大。 氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压 缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。 生产实践证明,操作压力在 20 ~ 35MPa 时 总能量消耗比较低。
二、温度 将某种催化剂在一定成产条件下具有最高氨生 成率的温度称为最适宜的温度。 最适宜温度还和空间速度、压力等有关 经生产实践得出氨合成操作温度控制在 470~520度较为适宜。 三、空间速度 当操作压力、温度及进塔气组成一定时,空速 增加,氨净值
降低。由于氨净值降低的程度比 空间速度的增大倍数少,所以空间速度增加时 氨合成生产强度有所提高及氨产量有所增加。
四、合成塔进口气体组成 合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性 气体含量与初始氨含量。 在生产中,进塔循环气的氢氮比控制在 2.5~2.9合适。由于氨合成时氢氮比是按3: 1消耗的,因此补充的新鲜气的氢氮比应 控制在3,否则循环系统中多余的氢或氮 就会积累起来,造成循环气氢氮比失调。
第四节、氨合成工艺流程 一、氨合成基本工艺步骤 (一)气体的压缩和除油 (二)气体的预热和合成 (三)氨的分离 合成塔出口气体氨含量一般为10~20%因此将氨 分离出来。 1.水吸收法 2.冷凝 该法是将合成气体降温,使其的气氨冷 凝成液氨,后在氨分离器中,从不凝气体中分 离出来。目前主要采用冷却法分离循环气中的 氨。 在氨冷凝过程,部分氢氮气及惰性气体溶解在 液氨中,当液氨在“贮罐气”。
(四)、气体的循环 氢氮混合气经过氨合成塔以后,只有 一小部分合成为氨。分离氨以后,剩 余的氢氮气,除为降低惰性气体含量 而少量放空以外,大部分与新鲜原料 气汇合后,重新返回合成塔,在进行 氨的合成,从而构成了循环法生产流 程。
(五)、惰性气体的排除 氨合成循环系统惰性气体通过三个途径 带出: 1.一小部分从系统中漏损; 2.一小部分溶解在液氨中被带走; 3.大部分采用放空的方法,即间断或连续 地从系统中排放。 放空的位置应该在氨已大部分分离之后, 而又在新鲜气加入之前。
(六)、反应前的回收利用 回收利用反应热的方法主要有以下几种 1.预热反应前的前氢氮混合气。在塔内设置换热 器,用反应的高温气体预热反应前氢氮混合气 达到催化剂的活性温度。此方法回收不完全。 2.预热反应前的氢氮混合气和副产蒸气 既在塔内设置换热器预热反应前的氢氮混合气, 又利用余热副产蒸气。 3.预热反应前的氢氮混合气和预热高压锅炉给水 反应后的高温气体先通过塔内的换热器预热反 应前氢氮混合气,后在通过塔外换热器预热高 压锅炉给水。
二、氨合成工艺流程 由于压缩机型式、操作压力、氨分离折 冷凝级数、热能回收形式以及各部分相 对位置的差异,氨合成工艺流程也水相 同。操作压力在600~100MPa称高压法, 在20~40MPa称中压法。大10MPa左右称 低压法。中压法氨合成的工艺流程,在 技术和泾济上都比较优越,因此目前国 内外普遍采用中压法。
(一)、中、小型氨厂合成
系统工艺流程 我国中型及大部分小型合
成氨厂, 采用中压法氨合成流程,操作压 力在32MPa左右,设置水冷器和 氨冷气两次分离产品液氨,新鲜 气和循环气均由往复式压缩机加 压。
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