合成氨工艺及反应原理简介

合成氨工艺及反应原理简介

合成氨工艺采用烃类蒸汽转化法。天然气经加压至4.05MPa，经预热升温在脱硫工序脱硫后，与水蒸汽混合，进入一段转化炉进行转化制H2，随后进入二段转化炉，在此引入空气，转化气在炉内燃烧放出热量，供进一步转化，同时获得N2。工艺气经余热回收后，进入变换系统，将CO变为CO2，随后经脱碳、甲烷化反应除去CO和CO2，分离出的CO2送往尿素工艺。工艺气进入分子筛系统除去少量水份，为合成氨提供纯净的氢氮混合气。氢氮混合气经压缩至14MPa，送入合成塔进行合成氨的循环反应，少量惰性气体经过普里森系统分离进行回收利用。产品氨送往尿素工艺和氨罐保存。

合成氨工艺的5个过程：

1、天然气脱硫：R-SH+H2＝RH+H2S H2S+ZnO＝H2O(汽)+ZnS

2、转化CH4+H20(汽)＝CO+3H2 CH4+2H2O(汽)＝CO2+4H2 （H2+ 1/2 O2＝H2O）

3、变换：CO+H2O(汽)＝CO2+H2

4、脱碳：1）K2CO3＋CO2＋H2O⇔2KHCO3

2KHCO3⇔K2CO3＋CO2＋H2O

2）甲烷化：CO+3H2＝CH4+H2O CO2+4H2＝CH4+2H2O

5、N2＋3H2＝2NH3

1 脱硫系统工艺流程及原理

1.1流程

天然气进入界区后分为两路：一路作原料气，另一路作燃料气。原料天然气进入原料气压缩机吸入罐116-F，除去携带的液体，经过原料气压缩机102-J被压缩到4.05MPa(G)，经过原料气预热盘管预热到399℃，接着原料气与来自合成气压缩机103-J一段的富氢气混合。经过Co-Mo加氢器101-D把有机硫转换成H2S，将3 ml/m3的有机硫转化为无机硫，原料气中总硫为30～90ml/m3左右，经氧化锌脱硫槽脱硫至总硫小于0.5mg/m3。随后进入氧化锌脱硫槽，天然气中的硫化物被ZnO所吸附，制得合格原料气。

ZnO脱硫槽共二个，可以串联或并联操作，一般串联操作。阀门及管线的配置可以使任何一个脱硫槽停止使用而另一个继续运转。108-DA/DB的具体流程：

1.2 加氢转化反应原理

加氢转化反应是指原料烃中的有机硫及其它组分，在300～400℃，在钴钼催化剂的作用下，与加入的氢气进行转化反应。其主要的反应有有机硫转化为H2S，不饱和烯烃加氢饱和，含氮有机化合物脱氮（生成NH3和烃类），以及含氧有机物脱氧（生成H2O和烃类）等等。

1. 典型的加氢转化反应

(1)有机硫转化

R-SH+H2＝RH+H2S

R-S-R'+2H2＝RH+R'H+H2S

R-S-S-R'+3H2＝RH+R'H+2H2S

(2)烯烃的加氢举例如下

C2H4+H2＝C2H6

(3)脱氧

O2+2H2＝2H2O

这些反应都是放热反应,平衡常数的数值都很大,因此只要反应速度足够快,有机硫的转化是很完全的。

2. 氢分压影响反应的情况

氢分压对转化深度和转化速度都有重要影响。氢分压增加，转化速度加大。循环氢气量与所要求的脱硫率和原料烃的性质有关。对天然气脱硫，以加氢转化后气体中的H2浓度1～2％为宜。加氢转化的氢气是一秒钟都不能中断的，因为加氢不仅是脱硫的原料，同时又是防止高级烃裂解析碳或结焦的重要条件。

3. 氢源

正常情况下气体从合成气压缩机的低压缸出口引出，送到加氢转化器的入口，与已经预热的原料天然气汇合。合成气压缩机停车时，还有另外四个氢源，一个来自二氧化碳吸收塔的出口，一个来自合成气压缩机吸入罐的出口，一个是有机甲醇驰放气，一个103-C返氢。

1.3 氧化锌脱硫反应原理

氧化锌脱硫法能以极快的速度将H2S和部分有机硫全部"吃掉"，净化后气体中硫含量可降到0.1ml/m3甚至更低。氧化锌脱硫反应： H2S+ZnO＝H2O(汽)+ZnS

2 转化系统

2.1 流程

经过FIC-2调节的工艺蒸汽与从工艺冷凝液汽提塔150-E顶部出来的蒸汽混合后，再与脱硫后的原料气混合后（水碳比3.2）进入一段转化炉101-B对流段原料气预热盘管被预热到450℃。混合气被送到101-B的辐射段顶部，气体从一根主总管分配到九根分总管，分总管在炉顶上是平行排列的。每一分总管中的气体又经猪尾管自上而下地分配到42根装有催化剂的转化管中，这些转化管位于一段炉的辐射段内，总数为378根，一段转化反应就在这里进行。

每排42根转化管的底部都同一根集气管相连，后者靠近一段炉的底部，每根集气管的中部有一上升管，这九根上升管又把气体引到炉顶上一根装有水夹套的输气管线，再由此把气体送至二段转化炉103-D的入口。一段炉的热量是由160个顶部烧嘴供应的。部分转化后的混合气含有13.9%的甲烷。

二段转化炉103-D所需工艺空气由101-J（提供约65%的空气量）和一个并联的电动压缩机101-JA（约35%）提供。过热的中压蒸汽通过MIC-25与工艺空气混合，经过一段炉对流段空气/蒸汽混合气预热盘管被加热到599℃，经过二

段炉的喷嘴与来自107-D的一段转化气在103-D的燃烧室进行混合燃烧，接着通过镍转化触媒反应。二段转化炉出口气含有0.31%的甲烷，温度约为1000℃，进入第一废热锅炉101-CA/CB、第二废热锅炉102-C，被来自101-F的锅炉水继续冷却，冷却后的转化气温度降低到335℃。102-C在工艺气体侧有一条热旁路TRC-10，用来控制高温变换炉104-DA入口气的温度。

2.2 转化反应原理及影响转化反应的因素

烃类蒸汽转化反应分两段进行：一段转化和二段转化。一段转化在外供热的管式转化炉中进行，二段转化在自热式的固定床层反应炉中进行。

1. 烃类蒸汽转化反应及其平衡

甲烷的水蒸汽转化过程，其结果决定于下列两个反应的平衡，一是甲烷的蒸汽转化反应：

CH4+H20(汽)＝CO+3H2-206.58KJ/moL

二是转化中生成的CO与水蒸汽进行变换反应:

CO+H2O(汽)＝CO2+H2+41.2KJ/moL

上述两个反应的总结果，可以下式表示：