[工艺技术]合成氨工艺操作规程

（工艺技术）合成氨工艺操

作规程

第一篇合成工艺操作规程

精炼后的氢、氮混合气在较高的压力、温度及催化剂存在的条件下合成为氨。由于反应后气体中氨含量不高，故分离氨后的氢、氮气循环使用。

目前工业上仍普遍采用中压法生产，使用铁系催化剂。近年来围绕合成氨生产的节能降耗，对合成操作条件进行优化，在工艺流程、设备及催化剂上作了某些改进，尤其是在氨合成反应热的利用上作了不少工作，取得了一定成效。

第一章岗位任务与工艺原理

第一节岗位任务

由压缩机七段（六段）出口总管送来的合格精炼气，在高温高压下，借助催化剂的作用，进行化合反应生成氨，经冷凝分离得到液氨，液氨送尿素车间生产尿素，部分液氨送有关岗位氨冷器，汽化后去冷冻岗位循环使用，合成放空气经提氢岗位回收后，氢气回压缩机四段加压后返回系统重复利用，尾气与净氨后的氨贮槽解吸气混合送造气吹风气回收燃烧炉助燃。

第二节基本原理

1氨合成的生产原理

氨合成反应的化学方程式：N2＋3H22NH3＋Q

氨合成反应的特点：

①可逆反应

②放热反应：A标准状况下（25℃）101325KPa

B每生成1molNH3放出46.22K J热量

③体积缩小的反应：3摩尔氢与1摩尔氮生成2摩尔氨，压力下降

④必需有催化剂存在才能加快反应

2氨合成反应的平衡

氨合成反应是一个可逆反应，正反应与逆反应同时进行，反应物质浓度的减少量与生成物质浓度的增加量达到相等，氨含量不再改变，反应就达到一种动态平衡。

从平衡观点来看：提高反应温度，可使平衡向吸热反应方向移动，降低温度向放热方向移动。

3氨合成反应速度及影响合成反应的因素

反应速度是以单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加量来表示的。

影响氨反应速度的因素：

3.1压力：提高压力可以加快氨合成的速度，提高压力就是提高了气体浓度，缩短了气体分子间的距离，碰撞机会增多，反应速度加快。

3.2温度：温度提高使分子运动加快，分子间碰撞的次数增加，又使分子克服化合反应时阻力的能力增大，从而增加了分子有效结合的机会，对于合成反应当温度升高，加速了对氮的活性吸附，又增加了吸附氮与氢的接触机会，使氨合成反应速度加快。

3.3反应物浓度：反应物浓度的增加，增加了分子间碰撞的机会，有利于加快反应速度。

归纳起来如下：

反应过程必须在高压下进行，压力越高，越有利于氨合成反应的平衡和速度。

反应温度对氨合成反应平衡和速度的影响互相制约。

混合气中氮和氢的含量越高越有利于反应，惰性气体越少越好。

3.4催化剂的影响：

①催化剂又称触媒，它在化学反应中能改变物质反应速度，而本身的组成和质量在反应前后保持不变。

②催化剂的主要作用是降低反应的活化能，加快反应速度，缩短达到反应平衡的时间。

③既然温度对合成氨反应平衡和速度的影响互相矛盾，就存在一个最佳的温度，反应速度对温度的要求是借助于催化剂实现的。

4合成催化剂的组成和结构

铁系催化剂活性组分为金属铁，未还原前为FeO和Fe2O3，Fe2+/Fe3+在0.47-0.57之间,可视为Fe3O4具有尖晶石结构。作为促进剂的成份有K2O、CaO、MgO、Al2O3、SiO2等。

Al2O3的作用是当催化剂用氢还原时，氧化铁被还原成a-Fe,未被还原Fe3O4保持着尖晶石结构起到骨架作用，防止铁细晶长大，因而增大了催化剂表面，提高了活性。

MgO的作用与Al2O3相似，也是结构型促进剂，通过改善还原态铁的结构而呈现出促进作用。

CaO为电子型促进剂，同时能降低熔体的熔点和粘度，有利于Al2O3与Fe3O4固熔体形成，还可以提高催化剂的热稳定性。

K2O为电子型促进剂，它可以使金属电子逸出功降低，有助于氮的活性吸附，从而提高其活性。

SiO2具有中和K2O、CaO碱性组分的作用。SiO2还具有提高催化剂抗水毒害和耐烧结性能，通常制成的催化剂为黑色不规则颗粒，有金属光泽。还原态催化剂的内表面积为4-16㎡/g，催化剂的活性温度一般为350-550℃之间。

5催化剂的还原

Fe2O3和FeO并不能加快氨合成的反应速度，真正起催化作用是具有活性的a-Fe晶粒。

5.1还原方法分类：

将Fe2O3和FeO变成金属a-Fe是催化剂还原过程。催化剂活性不仅与其组成和制造方法有关，而且还与还原过程的条件和控制方法有关。

催化剂还原反应式为：Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O△H298＝149.9kj/mol 触媒整个还原过程为吸热反应，还原温度借助于电加热维持，随着还原的进行，催化剂开始具有活性，并伴有氨生成和放热。

催化剂还原也可在塔外进行，即预还原，预还原有以下优点：

（1）不受热能、塔结构和氨生成的影响，避免了合成塔内不适宜的还原条件对催化剂活性的损害，使催化剂得以在最佳条件下进行还原，有利于提高催化剂的活性。

（2）缩短合成塔的升温还原时间，有利于强化生产。预还原后的催化剂，需用少量含O2气体加以钝化保护才能转移至合成塔。

5.2还原条件的确定

确定还原条件的原则：一方面是使Fe3O4和FeO充分还原为a-Fe，另一方面是还原生成铁结晶不因重结晶而长大，以保证有最大的比表面积和更多的活性中心，宜选取合适的还原温度，压力，空速和还原气组成。

还原温度的控制对催化剂活性影响很大，提高还原温度能加快还原反应速度，缩短还原时间。还原温度过高会导致a-Fe晶体长大，催化剂表面积减小，活性降低。因此，在实际还原温度不超过它的正常使用温度。还原气中氢含量尽可能高（＞75%）水汽浓度尽可能低（<2g/m3）水汽浓度的高低对催化剂的活性影响很大，尽可能采用高空速以保证还原气中的低水汽含量。在保证空速的前提下，还原压力低些为好。

5.3催化剂的还原操作

根据塔型号、催化剂还原分为分层还原和整体还原两种：

根据温度变化、出水情况将整个还原分为升温阶段，还原期（初期、主期、未期）降温期、轻负荷等几个阶段。升温期按40-50℃/小时，迅速将催化剂升温至300℃左右，此时基本无水放出。

还原期根据出水情况提温，出水与提温交替进行。初期为吸附水，主期为化学水，初还原的催化剂活性高，床层升温快，容易过热进行一段时间，轻负荷生产可以避免催化剂衰老延长使用寿命。

还原操作要点如下：

还原期间温度、压力、循环量、气体成分等工艺条件要稳定。在正常