1、化肥廠合成氨工藝過程及節能分析合 成 氨Synthesis of Ammonia一 、 概 述 氨的合成使人類從自然界制取含氮化合物的最重要方法。氮則是進一步合成含氮化合物的最重要原料，而含氮化合物在人民生活中都是必不可少的。19771978年，世界含氮化合物產量為4935萬噸氮，19801981則達6284萬噸。A：氨除了本身可以作為肥料外，它是進一步制取各種氮肥的原料。氮肥是現代農業生產比不可少的，年增加率達7%。目前有氨制成的氮肥，最重要的是尿素、硝酸銨、硫酸銨、碳酸氫銨、磷酸銨等。氨用于生產各種氮肥約占其總產量的80%90%。1、合成氨的重要性B：氨可用來制造硝酸、硝酸鹽、銨鹽、氰化物

2、等無機物，也可用來制造胺、磺胺、腈等有機物。氨和這些含氮化合物是生產燃料、炸藥、醫藥、合成纖維、塑料等的原料。 鑒于氨在國民經濟中的重要性，許多國家都集中主要力量解決與合成氨有關的技術和理論問題。如高壓技術、煤的氣化、深冷技術、氣體凈制、特種鋼材、催化理論等。因此，合成氨的發展，又在理論上和技術上指導了其他新型的工業，如人造石油、甲醇、尿素的合成。乙烯的高壓聚合等。氨是用氫、氮合成的，所以合成氨的直接原料為氫和氮天然氣石腦油重油煤焦投資/億元能耗/（GJ。t-1）成本/（元。t-1）5.628302576.535.53094478.041.8220280/54.4500 各種原料制氨的經濟指標

3、從世界范圍講，以天然氣，油田氣為原料的工廠占60%以上。其次是與天然氣接近的輕油和煉廠氣。以煤為原料的只不過10%。2 、合成氨的原料路線及原則流程 氨合成原則流程原料氨 氨的生產過程，粗略的講可分成四步：原料的生產；原料氣的凈化；氨的合成；氨的分離。除氨的合成外，其它過程的轉化率和分離率都比較高。由于氨合成的轉化率較低，反應后的氣體經氨分離后循環返回合成塔。氨生產的原則流程： 造 氣 凈 化氨的合成氨的分離循環氣在這個原則流程中，氨的合成是核心，原料氣的生產和凈化工藝必須滿足氨的合成要求，氨的分離和循環氣返回合成塔的工藝，也主要是根據合成反應的結果來確定的。 氨合成時采用以鐵為主體的催化劑。

4、鐵催化劑按下列組成配料：Fe2O3 5468%，FeO 2936%，Al2O3 24%，K2O 0.50.8%，CaO 0.72.5%，MgO若干。 催化劑的活性成分是鐵。使用時將催化劑裝在反應器內用原料氣使鐵的氧化物還原成鐵。這種鐵具有海綿狀結構，內表面積很大。 （ Fe2O3 ，FeO）+ H2 Fe + H2O催化劑中的Al2O3 、 K2O和CaO等未被還原， Al2O3可以提高催化劑的耐熱性能， K2O可以促使氮的活性吸附， CaO可以降低熔煉時物料的熔點和粘度。 催化劑催化劑有多種型號，以我國A10型催化劑為例，起燃溫度為370 ，耐熱溫度為500 ，活性最高時的溫度為450 左右

5、。催化劑比較容易中毒，少量氧和氧化物的存在將使活性鐵氧化而失去活性。但當氧或氧化物清除后，活性仍可恢復，因此這叫做暫時中毒。硫（H2S）、磷(如PH3)等引起的催化劑中毒是不可恢復的，故叫做永久中毒。 1.工藝條件壓力 通常為34MPa采用加壓條件的主要原因： 降低能耗 能量合理利用 提高余熱利用價值 全廠流程統籌 減少設備體積降低投資 綜合經濟效益溫度:理論上，溫度反應越有利。一段爐溫度 主要考慮投資費用及設備壽命，一般選擇760800 原因：一段爐最重要最貴的合金鋼管在溫度為950時壽命8.4萬小時，960時減少到6萬小時。一段爐投資約為全廠30，其中主要為合金鋼管。二段爐溫度 主要按甲烷

6、控制指標來確定。壓力和水碳比確定后，按平衡甲烷的濃度來確定溫度。一般要求yCH40.005,出口溫度應為1000C左右。實際生產中，轉化爐出口溫度比達到出口氣體濃度指標對應的平衡溫度高，這個差值叫平衡溫距。 TTTe（實際溫度平衡溫度）平衡溫距低，說明催化劑活性好。一、二段平衡溫距通常分別為1015 C和1530 C 。水碳比水碳比高，殘余甲烷含量降低，且可防止析碳。因此一般采用較高的水碳比，約3.54.0。原則：不析碳，原料充分利用，能耗小。基準：以整個原料氣的干基、濕基，或以甲烷、氮氣為基準。催化劑活性高時都可增加空速，以提高生產能力。實際操作時，二段轉化為了使催化劑即將更換時仍能滿足工藝

7、要求，可選低一點。但空速的決定與日產量有很大關系。原則：生產能力和催化劑用量。指單位時間內通過單位體積催化劑的氣體量(標準狀態下的體積)。單位h-1.空速脫硫一段轉化二段轉化2. 工藝流程凱洛格法典型流程對流段3. 主要設備一段轉化爐是烴類蒸汽轉化的關鍵設備之一。它由對流段和輻射段組成。圖 1.10圖 1.11對流段輻射段回收熱量燒嘴二段轉化爐燃燒之前，轉化氣與空氣必須充分混合，以避免局部過熱而損壞爐體。因而通入的空氣先要經一空氣分布器。一種空氣分布器的形式如圖。4.氨合成流程目前工業上使用的氨合成流程很多。中小合成氨廠廣泛采用兩級分氨流程。大型氨廠典型流程有圖1.32和圖1.33的凱洛格流程

8、和托普索流程。圖 1.32新鮮氣經幾級壓縮后與循環氣混合冷卻、升溫并分幾股進入氨合成塔。反應后氣體溫度較高，所以先經鍋爐給水預熱器后再向新鮮氣供熱。只分離很少部分氨(為維持濃度穩定分離需要排放部分惰性氣體)后就進入循環壓縮，與新鮮氣混后再經復雜冷凍流程逐步冷卻到-23C，經高壓氨分離器分離氨后再升溫進入氨合成塔。低壓氨分離器是為了分離要求設置的。流程特點：先循環混合再冷卻分離，冷凍功耗小但循環功耗大。總能耗小。新鮮氣壓縮后換熱進合成塔，出塔氣經冷卻兩級氨冷后經氨分離器分離氨后循環。特點：先分離氨再循環，分離功耗小，但壓縮功大，合成壓力30MPa。圖 1.33合成氨工業的主要流程 原料氣制取凈化

9、壓縮合成分離液氨N2、H2氨合成塔1. 結構特點及基本要求基本要求：維持自熱、有利于升溫還原、催化劑生產強度大；催化劑床層分布合理、保持催化劑活性；氣流均勻、壓降小；換熱強度大、換熱體積小、塔內空間利用率高；生產穩定、操作靈活、操作彈性大；結構簡單可靠、內件有自由余地。2.幾種典型合成塔結構一種合成塔結構如圖1.34。圖 1.34單管并流式合成塔和軸向冷激式合成塔結構如圖1.37和1.38。目前大型氨廠用冷激式多，它具有各床層溫度調節方便，操作更接近最佳溫度。其操作床層溫度分布情況如圖1.39。 冷激式合成塔主要優點：結構簡單、催化劑分布和溫度分布均勻、控溫調溫方便、床層通氣面大阻力小。圖 1

10、.37圖 1.38一種徑向冷激式合成塔如圖1.40。其優點是：氣體通過床層路徑短，通氣面積更大，阻力更小；適宜用更小粒度催化劑，提高內表面積，減少內擴散影響；催化劑還原均勻；降低能耗，更適宜于離心式壓縮機。圖 1.39圖 1.40技術經濟分析和綜合利用 現代化學工業的發展趨向，有兩個重要的特點：大型化:一是過程綜合化。大型化不中是產量大規模化，主要是設備大型化，大型化工生產的一個設備的生產能力實驗室的比較，可以大幾萬倍。這就給生產帶來許多問題。這是其他工業生產很少有的。 綜合化:一方面是多種化工過程（傳動過程、傳熱過程、傳質過程、化學反應過程）有機地組合；另一方面是為了提高原料和熱量的綜合利用

11、。這種綜合利用常使生產過程中出現大量物料回流和熱量回流，以及不同產品的聯合生產。上述兩種綜合化出是其他工業生產很少有的。 評論化工生產的標準和其它工業一樣，概括地講就是高產、優質、低耗、安全生產。聯系化工實際，也可以概括成：物料和能量的綜合利用率，減少生產費用和有利于環境保護等。 以一個用天然氣為原料的合成氨廠為例，生產的各項費用中原料占40%，補充材料為催化劑等5%，電和水費5%，人工和管理費20%，折舊27%，稅收3%。當然這只是一個參考數字。如果該用其它原料，原料費最高可達6070%。補充材料費主要決定于工藝條件和操作水平。人工和管理費用主要取決于生產規模等。 技術經濟分析和綜合利用技術

12、經濟分析和綜合利用 歸納起來，影響合成氨經濟性的主要因素是原料、工藝條件、綜合利用、生產規模等。原料和工藝條件已作過討論，下面就生產規模和綜合利用作一些介紹。這兩個問題恰好又是現代化學工業的主要特點。1.生產規模大型化 合成氨的生產發展在國民經濟中是特別迅速的，它的增長率約為國民經濟增長率的1倍。其中大型廠（600 td-1以上）的發展，尤為突出。例如1967年大型廠生產的氨占8%，1972年達30%，七十年代后期則超過50%。目前大型廠的生產規模大約是15001700 td-1 。對于合成氨工廠來講，大型廠的優點除了大量節省人力外，主要在于它可以綜合利用能量，采用離心壓縮機，減少了投資和生產

13、費用，具體地說：技術經濟分析和綜合利用（1）它有一整套熱回收系統，所以能量消耗少，這就是大幅度降低成本的主要原因。（2）它采用高速（每分鐘1萬轉以上）離心壓縮機。與往復壓縮機比較沒有易損零件（氣閥、填料、活塞環等），連續運轉安全可靠，生產能力大，單機運行（不用多機并聯，也不用設備機），占地面積小，因此投資和維修費用較低。這是降低成本的另一重要原因。（3）由于采用離心壓縮機，避免了潤滑油污染氣體，可以使氨的合成設備減少，流程更加合理。 下表說明了國外大型化合成氨廠在投資和生產費用方面的經濟成果。技術經濟分析和綜合利用不同生產規模的投資產量/（ td-1 ）2004006008001000主要設備

14、費/百萬美元3.65.87.79.511.2附屬設備費/百萬美元0.91.51.92.42.8總建廠費/百萬美元4.57.39.611.914.0比投資/（美元噸-1年-1）4.352.145.742.640.0 表中指出，生產規模增大，投資也增大，但比投資卻下降。生產成本不僅與原料的種類和價格有關，還與設備規模有關。生產規模超過1000 td-1 以后，生產成本的降低越來越少。與此相反，對于交通運輸，市政建設等可能提出更高的要求。因此，工廠規模和其他技術經濟指標一樣，在一定條件下是有一個限度的。技術經濟分析和綜合利用2.降低能耗和能量綜合利用 合成氨工廠是大量消耗能量的工業，因此降低能耗一直

15、是技術改造的一個最重要方面。經過幾十年的努力，到六十年代中期，每生產1t氨的能耗以降低到3536，僅及老式的以煤為原料的能耗（88）的40%，七十年代由于采用種種新技術，能耗進一步降至3031，80年代已達到2526以下。 降低能耗的措施，大致有下列幾方面: (1)利用反應熱和反應產物的冷卻來副產高溫高壓蒸汽，蒸汽可以用來驅動壓縮機、風機和工藝用汽。（2）采用徑向合成塔。在相同壓強、相同數量催化劑的合成塔中，軸向塔的阻力為3.4，而徑向塔僅0.062（3）采用新的工藝流程（4）從弛放氣中回收氫。技術經濟分析和綜合利用 下面介紹第一、第四兩方面的節能措施。 一種典型的年產30萬噸氨的工廠的能量衡

16、算原則流程為例。在這個流程中，它把天然氣轉化、中溫變換、低溫變換、氨的合成等四個工段組成一個回收系統，可以回收10MPa的過熱蒸汽165th-1另外，再設一個 輔助鍋爐（使用燃料），產量為65t h-1，二項合計230t h-1，即可滿足需要。進合成氣壓縮機的過熱蒸汽，其壓強10MPa，離開壓縮機時還有余壓3.8MPa 。這種中壓過熱蒸汽可分配給各種壓縮機和天然氣轉化用，例如天然氣壓縮機為12.5t h-1，工藝空氣壓縮機為35t h-1等，剩余的蒸汽還可供其它工廠如生產尿素使用。按圖13-15的數據，回收能量165t h-1占總能量230t h-1的72%。 技術經濟分析和綜合利用這個流程的

17、一個重要特點就是熱量的分級利用。工廠中的熱量，如果溫度在8090 以下，除了少量的用于生活外，一般是不能利用的。120130 的能量，可以用來副產低壓蒸汽，用于加熱和工藝。300 以上的蒸汽可以作為動力和發電。十分明顯，溫位較高的能量比溫位較低的有更大的價值。技術經濟分析和綜合利用蒸汽的產生和利用都是根據物盡其用的原則分級進行的。先用低溫熱源加熱水再用高溫熱源產生高溫高壓過熱蒸汽，蒸汽的使用也是先用于壓力很高的合成氣壓縮機，使用以后，壓強降低，再用于壓強較低的壓縮機、泵、引風機以及工藝用汽等。 從合成氣壓縮機出來的蒸汽取出一部分回一段轉化爐、二段轉化爐、廢熱鍋爐重新提高其溫位，使之成為高溫、高

18、壓過熱蒸汽。這也是充分利用高溫位熱量的一種有效措施。從弛放氣中回收氫具有很大的重要性，弛放氣中含有氫、氮、惰氣和氨。技術經濟分析和綜合利用過去采用放空或燒掉的方法，近年來從弛放氣中回收氫有三種途徑。 （1）低溫液化，然后通過蒸餾進行分離。這種方法不僅可以回收氫，而且還可以回收稀有氣體如氦、氬、氖、氪、氙等。（2）利用分子篩在高壓下進行吸附，在減壓下進行解吸的方法分離出氫。（3）利用膜分離方法。此法利用氫透過膜的速率高于其它分子，通過多極膜進行分離而獲得純度較高的氫。 以上三種方法以第三種方法能耗最低。因為氣體在透明膜時，只需克服阻力而未發生相的變化。以上三種方法，我國都已掌握了有關技術并應用于生產。技術經濟分析和綜合利用 3.物料的綜合利用 物料的綜合利用有二方面，一是利用副產物如二氧化碳生產其它產品。例如尿素、碳酸氫銨、甲醇、乙酸、草酸等。也可以利用中間產品如一氧化碳生產甲醇、乙醇、乙酸等。 另一方面是氨的深加工，例如用氨生產甲胺、乙胺、己內酰胺、尼龍鹽、烏洛托平、丙烯腈、三聚氰胺等。 氨的生產是規模宏大的生產，選擇哪一種原料不能僅從經濟上來考慮，而且還要從可能性以及社會條件等因素來