合成氨工艺设计

合成氨工艺设计
摘要：介绍了不同原料的合成氨和合成氨各个工段工艺流程，指出了我国合成氨工艺技术现状及其未来发展趋势，认为未来合成氨技术进展的主要趋势是大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行。

关键词：合成氨；发展现状；发展趋势
氨是最为重要的基础化工产品之一, 其产量居各种化工产品的首位; 同时也是能源消耗的大户, 世界上大约有10% 的能源用于生产合成氨。

氨主要用于农业, 合成氨是氮肥工业的基础, 氨本身是重要的氮素肥料, 其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料, 这部分约占70% 的比例, 称之为“化肥氨”; 同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料, 用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料, 这部分约占30%的比例, 称之为“工业氨”。

未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”。

一、不同原料合成氨工艺流程
1、以固体燃料（煤或焦炭）为原料的合成氨的简要生产过程
煤或焦炭造气脱硫 CO变换
精制脱CO2
压缩
合成合成尿素
氨尿素
2、以天然气或轻油为原料的合成氨的简要生产过程
天然气或轻油脱硫一段转化二段转化
CO高变
CO低变
压缩甲烷化脱CO2
合成合成尿素
氨尿素
3、以重油为原料的合成氨的简要生产过程
重油油气化除炭黑脱硫 CO变化
空气空分脱CO
2
液氨洗涤合成尿素
尿素
压缩合成
氨
二、合成氨各工段工艺流程（以煤为原料）
1、造气工段（间歇式气化过程在固定床煤气发生炉中进行的）
（1）五个阶段：
①吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度，吹风气放空。

工艺流程：空气—煤气炉底部—燃料层—炉顶—上旋风除尘器—废热锅炉—烟囱放空或送吹风气系统回收。

②一次上吹制气阶段：自下而上送入水蒸汽进行气化反应，燃料层下部温度下降，上部升高。

工艺流程：水蒸汽和加氮空气—煤气炉底部—燃料层—炉顶—上旋风除尘器—废热锅炉—洗气箱—洗气塔—煤气总管—气柜
③下吹制气阶段：水蒸汽自上而下进行反应，使燃料层温度趋下均衡。

工艺流程：蒸汽（不加空气）—炉顶—燃料层—炉底—废热锅炉—洗气箱—洗气塔—煤气总管—气柜
④二次上吹制气阶段：使底部下吹煤气排净，为吹入空气做准备。

工艺流程与一次上吹阶段相同。

⑤空气吹净阶段：此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中氮的主要来源。

工艺流程：空气—煤气炉底部—燃料层—炉顶—上旋风除尘器—废热锅炉—洗气箱—洗气塔—煤气总管—气柜
（2）工艺条件：
①温度：炉温应较熔点温度低50℃
②吹风速度：吹风速度直接决定放热。

③蒸汽用量：是改善煤气质量和提高煤气产量的重要手段之一。

④循环时间及其分配：等于或略少于3min
2、净化工段
（1）原料气的脱硫：合成氨原料气中，一般总含有一定数量的无机硫化物（主要是硫化氢H2S），其次是有机硫化物如二硫化碳（CS2）、硫氧化碳(COS)、硫醇(RSH)、噻吩(C4H4S)等
①湿法脱硫：在吸收塔中用液体吸收剂（脱硫剂）吸收煤气中的硫化氢，而后再将吸收剂再生，再生后的吸收剂再送回吸收塔中循环使用。

按硫的回收形态，可分为循环法和氧化法：
循环法：（以氨水脱硫为例）
NH3·H2O+H2S=NH4HS+H2O
氧化法：（改良ADA法）
脱硫塔中的反应：
Na2CO3+H2S→NaHS+NaHCO3
2NaHS+4NaVO3+H2O→Na2V4O9+4NaOH+2S
Na2V4O9+2ADA(氧化态）+2NaOH+H2O→4NaVO3+2ADA(还原态）
再生塔中反应：
2ADA（还原态）+O2→2ADA（氧化态）+H2O
②干法脱硫（氧化锌法最为常见）
脱硫反应：
ZnO+H2S=ZnS+H2O
ZnO+C2H5SH=ZnS+C2H5OH
ZnO+C2H5SH=ZnS+C2H4+H2O
氧化锌脱硫剂：以ZnO为主体，其余为Al2O3，还有的加入CuO、MoO3、TiO2、MnO2、MgO等以增进脱硫效果。

（2）一氧化碳变换：一氧化碳不仅不是合成氨所需的直接原料，而且对氨合成催化剂有毒害作用，因此原料气送往合成工序之前必须将一氧化碳彻底清除。

主反应：CO+H2O CO2+H2 △H0298=-41.19KJ/mol
副反应：CO+H2 C+H2O
CO+3H2 CH4+H2O
（3）二氧化碳的除净：原料气经CO变换后都含有相当量的CO2， CO2的存在对下步的反应不利，但其又是制造尿素、碳酸氢铵、纯碱等工业的原料。

根据所用吸收剂的性质不同，可分为物理吸收和化学吸收两类。

物理吸收法利用二氧化碳能溶解于水或有机溶剂来完成的。

常用的有水、甲醇、碳酸丙烯酯、磷酸三丁酯等。

化学吸收法是用氨水、碳酸钾、有机胺等碱性溶液为吸收剂，基于二氧化碳是酸性气体能与溶液中的碱性物质进行化学反应而将其吸收。

（4）原料气的精制：经一氧化碳变换和二氧化碳脱除后的原料气尚有少量含有少量的一氧化碳和二氧化碳会对氨合成催化剂毒害。

方法有铜氨液吸收、甲烷化法、深冷液氮洗涤法、变压吸附法。

3、合成氨工段
（1）氨的合成：
0.5N2+1.5H2 NH3+46.22kJ/mol
氨合成反应为气固非均相反应。

当气流速度较大、催化剂粒度足够小时，整个过程速度为动力学控制。

工艺条件选择：最佳温度：（400~500℃）。

压力：中小型厂20~32MPa；大型厂15MPa）。

空间速度：中压法空速（30Mpa），20000~30000h-1;低压法空速（15Mpa），10000h-1。

（2）氨的分离：氢氮混合气经过合成塔催化剂床反应后，只有很少部分氢氮气合成为氨，产物与未反应的氢氮气一起离开合成塔，因此需要进行氨的分离。

分离方法有：
冷凝法：把含氨混合气冷却，使其中大部分氨冷凝与循环气分开。

目前工业上常用此法。

水吸收法：此法利用氨易溶于水得到浓氨水，氨水经蒸馏、冷凝成为液氨。

缺点：能耗较大，工厂用之较少。

有机溶剂吸收法（三甘醇等）：溶剂易挥发至混合器中分离不净对催化剂有影响，用之较少
三、我国合成氨工艺技术现状及其未来发展趋势
我国的氮肥工业自20 世纪50年代以来, 不断发展壮大, 目前合成氨产量已跃居世界第一位,现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术, 形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。

1、大型合成氨生产工艺技术现状
2、中、小型合成氨生产工艺技术现状
我国目前有中型合成氨装置55套, 生产能力约为500 万t /a; 其下游产品主要是尿素和硝酸铵; 其中以煤、焦为原料的装置有34套, 以渣油为原料的装置有9套, 以气为原料的装置有12 套。

目前有小型合成氨装置700多套, 生产能力约为3 000万t /a; 其下游产品原来主要是碳酸氢铵, 现有112套经过改造生产尿素。

原料以煤、焦为主,其中以煤、焦为原料的占96% , 以气为原料的仅占4%。

3、合成氨技术未来的发展趋势
(1) 大型化、集成化、自动化, 形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。

在合成氨装置大型化的技术开发过程中, 其焦点主要集中在关键性的工序和设备, 即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机：在低能耗合成氨装置的技术开发过程中, 其主要工艺技术将会进一步发展。

（2）以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整, 是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。

(3) 实施和环境友好的清洁生产时未来合成氨装置的必须和唯一的选择。

（4）提高生产运转的可靠性, 延长运行周期是未来合成氨装置 善经济性、增强竞争力 必要保证。

四、参考文献
［1］韩冬冰等，化工工艺学［M］，中国石油出版社.
［2］孙凤伟，栾智宇，合成氨工艺技术的现状及其发展趋势［J］，辽宁化工，2010.04.
［3］蒋德军，合成氨工艺技术的现状及其发展趋势［J］，现代化工，2005.08.。