合成氨工艺学讲解.ppt

氨是用氢、氮合成的，所以合成氨的直接原料为氢和氮。原料气的制取原则上由三种方法：燃料转化法，低温分离法，电解制氢法。 电解制氢法是用电解法分解水制氢。此法耗电极多，一般情况下不宜采用，但在水力发电而且电力过剩地区，却是一种比较简易可行的方法。 2 合成氨的原料路线及原则流程 低温分离法以空气和焦炉气为原料，通过低温除去杂质而获得氢氮混合气。焦炉气含H250%~60%、CH425%~30%、CO5%~10%、CnHm2%~3%,以及O2、N2、CO2、H2S等气体。在这些气体中，氢的沸点最低，其次为氮。用液氮（来自空气的液化）洗涤焦炉气，就可以使氢、氮以外的气体液化而分离。净化的气体含氢85%、氮15%、CO 10-50 ppm、O2 100 ppm。向净化气体补充少量氮，使H2/N2=3，就可以作为合成氨的原料气。此法技术上可行，经济上合理，但焦炉气的数量有限，不能满足国民经济对合成氨的全部需要。 燃料高温转化法是目前应用最多的方法。应用最多的燃料是天然气、油田气（以CH4为主，另含C2H6、C3H8等），炼厂气（以H2、CH4为主），轻油（沸点为200~300℃的烃），重油（沸点为300~500℃的烃），以及煤、焦等。 燃料高温制气主要发生下列反应 C+H2O = CO+H2 (13-1) CnHm + n H2O = n CO + (0.5m+n)H2 (13-2) 2C+O2+3.76N2 = 2CO +3.76N2 (13-3) CnHm+(n+0.25m) O2+3.76 (n+0.25m) N2 =nCO2+0.5mH2O+((n+0.25m)N2 (13-4) 以上反应可以获得以H2、N2、CO、CO2为主的粗原料气。 将粗原料气进行变换反应，使其中的 CO 转化为 H2 CO+H2O = CO2+H2 (13-5) 生成的变换气以H2、N2、CO2为主（其中H2/N2 =3）。另外还有少量杂质气体如CO、CH4、O2、H2S等。 为适应氨合成反应的需要，要通过一系列净化过程除去氢、氮以外的杂质，这样才能得到合乎要求的氢氮混合气。表13-1为不同原料生产氨的经济指标。经济指标受物价影响，但有参考价值。 氨的生产是规模宏大的生产，选择哪一种原料不能仅从经济上 来考虑，而且还要从可能性以及社会条件等因素来确定。我国60年 代以前基本上全部以煤为原料。随着我国石油和天然气开采工业的 发展，70年代以后，新建的13套大型厂中，用天然气和油田气为原 料的各四套，以轻油为原料的有五套。这些工厂的经济效益虽然很高，但只能建于天然气、油田气丰富的地区。1984年我国的原料结构，天然气、油田气、炼厂气占19.5%，轻油7.7%，重油6.0%，煤焦65.5%，焦炉气等1.3%。从我国资源出发，今后仍将以煤为主要原料。国外，鉴于石油资源的枯竭，近年来以煤为原料的技术在世界范围内有了迅速发展。在下一个世纪将形成第二代的煤化工生产体系。可以断言，以煤为原料的经济效益将逐渐提高，在下一个世纪内将成为最重要的原料。 型号 组成 活性温度 H2O/CO 空速 转化率 ℃ mol/mol h-1 % 104 FeO3、MgO、Cr2O3、k2O 380~550 3~5 300~400 80~90 201 CuO、ZnO、 Cr2O3 180~252 6~10 1000~2000 96~99 表13-9 中变和低变催化剂及操作条件 中变催化剂的反应温度高，反应速率大，有较强的耐硫性，价廉而寿命较长。低变催化剂则相反。为了取长补短，生产上采取中变与低变相串联的流程。这样中变可以在较高的温度下承担绝大部分任务，然后通过低变以获得较高的转化率。 原料气的组成： 在变换反应过程中，CO的转化率即使在催化剂最低的活性温度条件下也不够高。生产上采取提高转化率的方法是使水蒸气过量。 反应温度： 对于可逆放热反应，最大反应速率时的反应温度是随转化率的提高而降低的。所以反应的前阶段应使用中温变换催化剂，反应过程称作中温变换；反应的后阶段应使用低温变换催化剂，反应过程称作低温变换。 反应温度的控制，采用水蒸气分阶段冷激的办法。既可使反应温度接近最优反应温度，又可只在后期提高n(H