第1讲 合成氨及尿素的生产现状和未来发展趋势

第一讲合成氨及尿素的生产现状和未来发展趋势

一、合成氨工业的历史和发展现状

（一）氨合成的历史

在探索合成氨崎岖的道路上，它不仅使两位杰出的化学家勒夏特列和能斯特折戟蒙羞，而且使一位对人类社会发展作出巨大贡献，并因此获得诺贝尔化学奖的哈伯堕落成为助纣为虐与人民为敌的可耻下场。后来人们把合成氨称为化学发展史上的“水门事件”。

（水门事件（Watergate scandal，或译水门丑闻）是美国历史上最不光彩的政治丑闻之一。其对美国本国历史以及整个国际新闻界都有着长远的影响。水门事件之后，每当国家领导人遭遇执政危机或执政丑闻，便通常会被国际新闻界冠之以“门”（gate）的名称，如“伊朗门”、“拉链门”、“虐囚门”等。

在1972年的总统大选中，为了取得民主党内部竞选策略的情报，1972年6月17日，以美国共和党尼克松竞选班子的首席安全问题顾问詹姆斯·麦科德（James W. McCord, Jr.）为首的5人闯入位于华盛顿水门大厦的民主

党全国委员会办公室，在安装窃听器并偷拍有关文件时，当场被捕。

事件发生后尼克松曾一度竭力掩盖开脱，但在随后对这一案件的继续调查中，尼克松政府里的许多人被

陆续揭发出来，并直接涉及到尼克松本人，从而引发了严重的宪法危机。1973年10月20日尼克松为了要罢免要求他交出证据的特别检察官，迫使拒绝解任特别检察官的司法部长辞职，司法次长继任司法部长後，又因为

拒绝罢免这位特别检察官而辞职，最後司法部的三号人物才答应罢免特别检察官，尼克松更动员FBI封锁特别检察官及司法长官、次长的办公室，宣布废除特别联邦检察局，把此案的调查权移回司法部。面对尼克松滥用

行政权力来维护自己，招来国民严重指责。

10月31日，美国众议院决定由该院司法委员会负责调查、搜集尼克松的罪证，为弹劾尼克松作准备。1974年6月25日，司法委员会决定公布与弹劾尼克松有关的全部证据。7月底，司法委员会陆续通过了三项弹劾尼克松的条款。尼克松于8月8日宣布将于次日辞职，从而成为美国历史上首位辞职的总统。）1900年，法国化学家勒夏特列在研究平衡移动的基础上通过理论计算，认为N2和H2在高压下可以直接化合生成氨，接着，他用实验来验证，但在实验过程中发生了爆炸。他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，于是放弃了这项研究工作，他的合成氨实验就这样夭折了。后来才查明实验失败的原因，是他所用混合气体中含有O2，在实验过程中H2和O2发生了爆炸的反应。

稍后，德国化学家能斯特通过理论计算，认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运。后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。

在合成氨研究屡屡受挫的情况下，哈伯知难而进，对合成氨进行全面系统的研究和实验，终于在1908年7月在实验室用N2和H2在600℃、200个大气压下合成氨，产率仅有2%，却也是一项重大突破。当哈伯的工艺流程展示之后，立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界野心的德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯，德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。而恶魔需要正好迎合了哈伯想成百万富翁的贪婪心理。从1911年到1913年短短的两年内，哈伯不仅提高了合成氨的产率，而且合成了

1000吨液氨，并且用它制造出3500吨烈性炸药TNT。到1913年的第一次世界大战时，哈伯已为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂，为侵略者制造了数百万吨炸药，因而导致并蔓延了这场殃祸全球的世界大战。这就是第一次世界大战德国为什么能够坚持这么久的不解之谜谜底。

当事实真相大白于天下时，哈伯受到了世界各国科学家的猛烈抨击，尤其当他获得1918年诺贝尔化学奖时，更激起世界人民的愤怒。

人工合成氨实验的成功令人欢欣鼓舞，它对工业、农业生产和国际科技的重大意义是不言而喻的，但对三位杰出的科学家而言则是黑色的“水门事件”。

（二）、合成氨的工业化历史及发展现状

1、合成氨工业的历史

从20世纪20年代世界第一套合成氨装置投产，到20世纪60年代中期，合成氨工业在欧洲、美国、日本等国家和地区已发展到了相当高的水平。美国Kellogg公司首先开发出以天然气为原料、日产1000t的大型合成氨技术，其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了42.0 GJ的先进水平。Kellogg传统合成氨工艺首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机，并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来，实现了装置的单系列大型化(无并行装置)和系统能量自我平衡(即无能量输入)，是传统型制氨工艺的最显著特征，成为合成氨工艺的“经典之作”。之后英国ICI、德国Uhde、丹麦Topsoe、德国Braun公司等合成氨技术专利商也相继开发出与Kellog 工艺水平相当、各具特色的工艺技术，其中Topsoe、ICI公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。这是合成氨工业历史上第一次技术变革和飞跃。

2、合成氨工业的发展历程

合成氨工业的发展经历了从单纯追逐产量到降低能耗、提高氨净值的历程。

（1）传统型蒸汽转化制氨工艺阶段

传统型合成氨工艺以Kellogg 工艺为代表，其以两段天然气蒸汽转化为基础，包括如下工艺单元：合成气制备(有机硫转化和ZnO脱硫+两段天然气蒸汽转化)、合成气净化(高温变换和低温变换+湿法脱碳+甲烷化)、氨合成(合成气压缩+氨合成+冷冻分离)。

传统型两段天然气蒸汽转化工艺的主要特点是：

①采用离心式压缩机，用蒸汽轮机驱动，首次实现了工艺过程与动力系统的有机结合。

②副产高压蒸汽，并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水。

③用一段转化炉烟道气预热二段空气，提高一段转化压力，将部分转化负荷转移至二段转化。

④采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷，逐级将气体降温至23℃，冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。

在传统型两段蒸汽转化制氨工艺中，Kellogg工艺技术应用最为广泛，约有160套装置，其能耗为37．7～41．8 GJ／t。经过节能改造后平均能耗已经降至35．7 GJ／t左右。（2）、低能耗制氨工艺阶段