布朗氨合成流程及合成氨培训教材

布朗氨合成流程及合成氨培训教材由于布朗工艺{4}的特殊流程，合成气最终要经过深冷精制以除去其中所含多余的氮气，因而气体质量与其他冷法精制流程的氮洗大体相当，即不含微量水分及二氧化碳。

这种高质量的合成补充气，系所有深冷净化法的一大优点。

它对氨合成系统十分有利，可有效地提高合成系统的能力，降低消耗。

图（4-19-9）为布朗三台合成塔，三台废热锅炉的氨合成工艺流程。

补充气经过压缩冷却后在循环段中与循环气相混合，然后经过预热去合成塔（1），（2），（3）。

每台合成塔出口都设有废热锅炉，副产12.5MPa高压蒸汽。

合成塔的出口气，经过废热锅炉和预热器回收热量后，再经水冷器，冷交换器，二级氨冷器，降温至4.4℃并分离掉冷凝液氨，然后进冷交换器回收冷量，并升温至32℃，进入透平压缩机循环段与补充合成气混合去氨合成塔，从而构成氨合成的循环回路。

此氨合成流程的合成压力为15MPa。

第三氨合成塔出口气中含氨可达21%，入塔气中含氨4%左右。

四、卡萨里法合成氨流程卡萨立高压法也是高压法的一种，意大利人卡萨里所创。

氢氮混合气被压缩到50~90MPa后进入循环系统，催化剂在500℃操作，采用的空间速度为12000，出塔气中氨含量15%，虽然用循环法生产，但不用循环压缩机而用气体喷射泵，只需将补充进入系统的3：1的氢氮混合气压力提高一点，就可作为动力源而带动整个系统的气体进行循环。

此法最大的特点在与催化剂床层的温度控制，在高温高压下催化剂活性很易衰老，为此卡萨里对循环系统氨的分离使用冷凝的方法，出合成塔的气体被冷却到一定的温度，其中反应生成的氨就被冷凝分离掉。

由于这种冷凝的做法，使得气体中残留一定量的氨分压，参见图（1-2-5）3.气体在60MPa下冷凝之后还有大约2%到3%的氨保留在气相中，这就使得循环到合成塔催化剂层进口处时可以减慢氨的生成反应，因此也就避免了产生过热现象。

而哈伯法是用水洗分氨。

合成塔进口处氨含量接近于0。

而克劳德法则更是用新鲜氢氮气一次通过，故这两种工艺对催化剂的反应确实是要剧烈的多。

据报道，同样的催化剂在卡萨里法可用6到12个月。

每千克的催化剂产率为0.5到0.6的氨。

卡萨里法的另一特点是合成塔与内件之间有一环隙，进塔的循环气先通过此环隙再入催化剂筐，这使得塔壳的温度低于400℃，因而避免了克劳德在高压下要用镍铬合金的做法。

这种保护外壳的方法以后一直被绝大部分其他合成工艺所采用。

虽然布什也使用在环隙通过冷气的做法，但他用的是氮气，这就造成塔内氢氮比例的变动，因而没有被他人所效仿。

此外，在催化剂筐中设中心管，内装电炉，供开工时使用。

这点也比哈伯²布什法向塔内送入少量空气使之与氢气燃烧产生热量来升温的做法要高明。

由于这些特色，1927年全球合成氨产量的19%应用此法。

而上述的几项特点则一直被后人广泛效法。

这种生产方式到60年代离心式压缩机在氨厂使用之前，一直占据一定地位。

特别是美国的福斯特²惠勒公司于1954年采用此法以后，当时就报到有40多座厂使用此法。

中国在60年代初引进的第一套合成氨厂就是按卡萨里技术建造的。

不过在60年代以后，卡萨里即放弃了高压合成的作法，而致力于径向合成塔的技术开发。

其成套氨厂的设计与建造业务于1967年与法国的GP公司联合，从此法液空，GP，卡萨里这三家公司的合成氨业务由GP为代表。

浓度可达25%，这相当于入塔氢氮气有40%转化为氨，每kg催化剂可产氨6kg/h,相比之下，当时的哈伯法只有0.3~0.4kg/h。

其工艺流程为原料氢来自焦炉气深冷液化分馏，氮气由空气液化分离提供。

配合成3：1以后，经过压缩机压缩到100MPa以后送入合成塔C1，冷凝器R1，氨收集器S1，然后进入并联的合成塔C2,及C3，冷凝器R,2，氨收集器S2，未反应气体最终在通过3个串联的合成塔C4，C5，C6，每个塔之后都有相应的冷凝器R，氨收集器S，残余的尾气在洗涤塔W用水或酸回收其中的氨，在膨胀到常压，供作燃料或其他用处。

各氨收集器S所得的氨经过闪蒸罐P减压后送储罐Q，闪蒸出来的气体和尾气合并送洗涤塔W回收。

由于采用了高压提高了转化率，并且又用串联的方法进行多次的合成反应，故而避免了循环的生产方法。

这方法总转化率可以计算出来。

假定配备2塔并联，再加2塔串联，计算式为100a（3-3a+a2),式中a为单次转化率，这里如果取40%（a=0.4），则上式的结果为78.4%，前面所介绍的布什法氢氮转化率也只有80%。

另外新鲜气中惰性气体的含量因为不会循环而积累，故允许含量远比循环法高。

克劳德法的合成塔用镍铬合金的锭子镗孔而成，内部不设热交换器，催化剂温升很高，由500℃到650℃使用克劳德的技术特色，导致在当时按此法建成了一批氨厂，1929年约占世界总量的9%。

这一技术和克劳德所创的其他技术一样，均由法国液化空气公司所拥有。

合成氨技术由法国液化空气公司的子公司GP公司负责。

六、蒙特.色尼斯(ICI-伍德)氨合成流程德国郝斯特公司所属的伍德工程公司与德国公司蒙特²色尼斯合作，于1924年开发了10到15MPa的低压合成氨法，并且由蒙特²色尼斯公司投资在郝恩梭丁根建立了第一座这样的合成氨厂。

人们因此把它叫做蒙特²色尼斯法或伍德法。

此法所用的催化剂虽属铁系，但与布什所用的明显不同，不是磁性铁系列，而是铁氰化钾。

操作压力10到15MPa，在活性初期甚至可低于10MPa，温度为400到425℃。

这种催化剂低压活性很好，但由于不是用熔融方法制造，强度较差，寿命不长，因而当时所建的工厂到后来都改用磁铁矿型催化剂。

中国的大连化学公司化肥厂建厂时就是引进伍德法氨厂。

90年代，中国从国外引进的低压（10.8）氨合成工艺，使用的是由伍德工程公司承建的ICI-AMV低压合成氨流程。

示于图（4-19-10）之中。

此流程中得氨合成塔为三段径向中间换热式，填装ICI74-1型氨催化剂，氢氮比控制在2.2左右。

为了使废热锅炉能产生更多的高压蒸汽，倒U型高压管中的气体与锅炉给水呈逆流状态，以使高压气体降低至更低的温度。

循环段送出的循环气体（26℃），经过预热器升温至240℃进入合成塔底部，沿合成塔外筒与内件之间环隙上升至顶部，串联通过第二床出口中间换热器和第一床出口中间换热器（管内），预热至第一床反应温度后，逐次通过第一，二，三床径向层及期间的两台中间换热器（管外），于400℃左右进入废热锅炉，回收反应热副产高压蒸汽后，气体降温至275℃，进预热器在降至53℃，经过水冷器降至38℃，顺次通过冷交换器（出口温度22.9℃），第一氨冷器（出口温度1℃），第二氨冷器（出口温度-10℃），分离液氨后经过冷交换器管外温度升至23℃，再经循环段压缩后，构成氨合成回路。

为了适应ICI AMV工艺二段炉过量空气的使用，在合成回路中，合成气压缩机循环段出口设置一支路，是循环气的少部分进入冷箱，以深冷分离过量氮和大部分惰性气体。

在此合成回路中，惰性气体的含量，处于7%到8%之间。

最近，伍德公司为提高废热锅炉高压蒸汽的产量，也提出了两塔两废热锅炉合成回路流程，见（4-19-11），该流程用于渣油制氨和深冷净化的场合。

合成压力为16MPa，第一合成塔为二段径向中间换热式，出塔合成气温度为473℃，经废热锅炉副产高压蒸汽后，在进入第二合成塔。

第二合成塔是一段径向催化剂床，出塔温度为442℃，进入第二废热锅炉后，经过换热器，水冷器，冷交换器，然后进入氨冷器（冷凝温度0℃）。

在中国北方的地理环境下，不需使用氨压缩机，即可获得40%液氨和60%气氨产品。

两塔，两废热锅炉合成流程，可获得氨净值为19.3%，第一合成塔和第二合成塔压降合计0.35MPa，副产高压蒸汽（10.2MPa）1.54T/TNH3（锅炉给水温度210℃）。

催化剂填装量为76m3.第四节、氨合成塔氨合成塔是合成氨厂的关键设备。

在工艺上，必须使氨合成反应尽可能在接近最佳温度下进行，已获得较大的生产能力和较高的氨合成率。

同时，还应力求降低合成塔的压力降，以减少循环气体的动力消耗，在结构上应力求简单可靠，并满足高温高压的要求。

一，反应床层的降温方式鉴于氨合成最佳反应温度随氨含量增大而降低，这要求随着反应的进行，反应温度应不断下降，然而，这却与反应的放热是相互矛盾的。

为了解决这问题，必须随着反应的进行采取降温措施。

工业上，按照降温方法的不同，可分为冷管冷却型，冷激型和中间换热型。

（一）冷管冷却型采用内置于催化床层中冷却管的方法，以排除反应热并降低反应温度。

冷却管即可冷却催化床，又可预热反应前的气体。

冷管冷却型发展较早，目前只用于中，小型氨厂。

（二）冷激型用于、反应前尚未预热的冷态合成气进行层间冷激，以降低反应气体的温度。

冷激型的优点在于结构简单可靠。

但由于冷激气体对反应含氨气的稀释，较难获得更高的氨净值（进塔和出塔氨含量的增值）、其中，冷激用气与合成气的混合均匀，是冷激型塔结构设计的关键。

（三）中间换热器在绝热催化床层的层间安置中间换热器，以预热未反应的合成气，并降低反应床层的温度，中间换热器较多的使用在大型的氨合成塔，虽然其结果复杂，但以成为现实的发展趋势，因此现在在中，小型厂也开始使用。

氨合成塔中，可以仅用上述的一种降温方式，也可以将两种方法结合起来用。

例如，一，二层间使用冷激式。

二，三层间则为中间换热式。

二轴向流动和径向流动的方式氨合成塔为高压操作的塔，受外筒强度的限制，一般制成长径比很大的高压容器，由填充床流体力学可知，湍流条件下相同的空速时，床层压力降与床层高度的三次方成正比。

可见催化床层的阻力强度依赖于气体流动途径的长度。

采用径向流动可以十分有效的降低气体流动途径的长度。

因此长径比（10到15）很大的高压合成塔，径向流动的距离1/20到1/30.为此，催化床层的压力降可降低数千倍。

这就未使用紧密填装的小颗粒催化剂创造有利条件。

径向氨合成塔的关键问题在于：如何确保气体均匀分布，以及在催化剂床层下沉时（因操作时的震动，而使床层更为紧密以及还原催化剂的收缩等原因），保证顶部气体不致走短路。

对于前者，普遍以增大分布管小孔的流速和压降，以克服分气和集气流道以及床层填充松紧所形成的静压差的差异，解决后者，通常在分布管上端一定长度上不开孔。

对于轴向流动的塔，降低阻力的方法为：制造成大直径的短胖塔，以降低催化剂的填充高度；采用大颗粒的催化剂；采用球型催化剂，以改善其形状系数。

通常无定型催化剂，形状系数在0.35左右。

而球型催化剂，形状系数近于1.因此球型催化剂可比无定型催化剂床层压力降下降60%左右。

中，小型氨厂，多用往复式循环机，系统压力可高达3.0MPa以上，因此，合成塔选型以轴向的塔型为主，而大型氨厂，选用透平循环机，通常能承受0.8到1.5MPa的系统压差，故必须配用低阻力的反应装置，径向流动合成塔或大直径浅床层的轴向塔是适宜的。