合成氨

合成氨

毕业设计综述

题目：年产200kt合成氨变换工序工艺设计

摘要简述合成氨工艺及200kt/a合成氨装置变换工序工艺流程的设置和关键设备的选型。对主要工艺参数的设计进行了验算；对热能的回收利用进行了评述；对催化剂的选型、硫化和装置的试运行进行了介绍。并推荐使用新型的轴-径向流结构变换炉。

关键词变换工艺变换炉催化剂

前言：合成氨是一个产量吨位大、与国名经济密切，特别是对发展农业具有重要意义的化工产品，现在全世界的生产能力和年产量都以亿吨计，主要用作肥料和生产其他肥的原料。从二战结束以后，随着科技的进步和原料路线的转变，机械和设备制作、炼金材料和新催化剂的开发，合成氨生产面貌有了重大的变化。特别是在变换工序工艺设计方面的变化。

1.氨的性质和用途

氨分子式NH3，在标准状态下是无味无色，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。人们在大于100cm3/m3氨的环境中，每天接触8h时会引起慢性中毒。

1.1物理性质

氨极易溶于水，溶解时放出大量的热。可生产含NH315%~30%的氨水，氨

水溶液时碱性，易挥发。液氨或干燥的氨气对于大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。

氨的主要物理性质列于下表1

相对分子质量17.03沸点-33.35

含氮量/%82.2蒸发热(-33.4℃)/(kJ/kg)1368.02

摩尔体积（0℃，0.1兆帕）/（L/mol）22.08冰点/℃-77.70

气体密度（0℃，0.1兆帕）/（g/L）0.7714熔化热（-77.7℃）/（KJ/kg）333.42

液体密度（-33.4℃，0.1兆帕）/（g/cm3）0.6818气体高热值/（MJ/m3）

17.52

临界温度/℃132.4液体高热值（MJ/Kg）22.35

临界压力/兆帕11.30液体低热值（MJ/kg）76.74

临界体积/（L/kg） 4.257标准摩尔焓H/（KJ/kmol）-46.21

临界密度（g/cm3）0.235标准摩尔商S（气体25℃、0.1兆帕）/（J/mol/k）192.60

临界热导率/（W/（m.k））0.522电导率（工业品，-35℃）/（s/m）3*0.00001

1.2化学性质

氮在常温时相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮气和氢，其分解速度在很大程度上与气体接触的表面性质有关。

氨是一种可燃性物质，自然点为630摄氏度，一般较难点燃。

氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。常压，常温下的爆炸

范围分别为15.5%～28%（空气）和13.5%～82%（氧气）。

氨易与许多物质发生反应，例如在铂催化剂作用下能与氧反应生成NO。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐，例如

NH3+HCl→NH4Cl

NH3+HNO3→NH4NO3

2NH3+H2SO4→(NH4)2SO4

NH3+H3PO4→(NH4)H2PO4

2NH3+H3PO4→(NH4)2HPO4

氨也能和CO2反应生成氨基甲酸铵，脱

水生成尿素。利用氨与各种无机酸反应制取磷酸铵，硝酸铵，硫酸铵；与CO2和水反应生成碳酸氢铵。

氨能生成各种加成配位化合物，它们和水合物类似，通称氨合物或氨络物，例如对反应CaCl2?6H2O和CuSO4?4H2O,也分别有CaCl2?6NH3和CuSO4?4 NH3。

1.3氨的用途

氨在国民经济中占有重要地位。现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。

除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氨肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨为原料的。

氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料，从氨可以制的硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己内酰胺、尼龙6单体、己二胺、人造丝、丙烯腈、酚醛树脂和脲醛树脂等产品。

氨的其他工业用途也十分广泛，例如，用作冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提取矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其他氨基酸等等。

2.合成氨的工业概况

2.1合成氨的原料组成

合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。2.2合成氨的工艺流程

(1)原料气制备将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。

(2)净化对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

①一氧化碳变换过程

在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%~40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的

CO。变换反应如下：

CO+H2OH→2+CO2=-41.2kJ/mol0298HΔ

由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

②脱硫脱碳过程

各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天

然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。

粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。

一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。