合成氨工艺第三节概要.ppt

第四章 合成氨工艺 脱硫 变换 脱碳 气体的精制 ADA法脱硫工艺流程 约320-380℃的原料气进入中变一段器，反应后温度升至450-500℃，用水蒸气冷激到380℃，再进入中变二段器，反应后温度升到 425-450℃，转化率达 90％，喷入水蒸气，使温度下降。经废热锅炉冷却到330℃，热交换器冷却至200℃，除去其中的冷凝水，再进入低变反应器，转化率可达 99％。 脱碳 脱除CO2主要有物理吸收法和化学吸收法。 物理吸收：加压水洗、低温甲醇洗涤。例如在3 MPa、-30至 -70℃下，甲醇洗涤变换气后，CO2可从 33％降到10μg·g-1，脱碳十分彻底。 化学吸收：用氨水、有机胺或碳酸钾的碱性溶液吸收CO2。 铜洗法?? 由醋酸铜和氨通过化学反应配成的铜液中含有氨及醋酸亚铜络二氨等有效成分，在加压的情况下与CO、CO2发生一系列化学反应，将CO、CO2脱除。 甲烷化法 把 CO、CO2转化为对氨合成无害的 CH4。 低温冷凝法 为了除去残余的CO，也可将甲醇除去CO2后的气体进一步降温，使CO及其它杂质如CH4，Ar，O2等液化而分离。也可用液氮洗涤达此目的，低温净化得到的气体纯度较高。 4.3 氨的合成 4.3.1 影响平衡氨含量的因素 压力和温度 温度越低，压力越高，平衡常数Kp越大，平衡氨含量越高。 氢氮比 ? 当温度、压力及惰性组分含量一定时，约在2.68～2.90之间。 惰性气体 惰性组分的存在，降低了氢、氮气的有效分压，因而使平衡氨含量降低。 4.3.2 合成氨反应的动力学 氨合成为气固相催化反应，宏观动力学过程包括以下几个步骤： a. 混合气体向催化剂表面扩散(外、内扩散过程)； b. 氢、氮气在催化剂表面被吸附，吸附的氮和氢发生反应，生成的氨从催化剂表面解吸(表面反应过程)； c. 氨从催化剂表面向气体主流体扩散(内、外扩散过程)。 氮、氢在催化剂上反应的机理可表示为： N2(g)+Cata→2N(Cata) H2(g)+Cata→2H(Cata) N(Cata) +H(Cata) →NH(Cata) NH(Cata) +H(Cata) →NH2(Cata) NH2(Cata) +H(Cata) →NH3(Cata) NH3(Cata) →NH3(g)+(Cata) N2的活性吸附是最慢的一步，亦即为表面反应过程的控制步骤(2.68～2.90)。 实际操作条件决定控制步骤： 低温时可能是化学动力学控制，高温时可能是内扩散控制； 温度相同时，大颗粒催化剂可能是内扩散控制，小颗粒催化剂可能是化学动力学控制(大颗粒的催化剂内扩散路径长，小颗粒的路径短)。 例如：在30MPa、30000h-1空速条件下，低温反应氨含量不受颗粒大小的影响，为动力学控制；高温反应，用小颗粒催化剂可得到较好结果。表明大颗粒催化剂在高温时，已转变为内扩散控制。 4.3.3 铁系催化剂 铁系催化剂具有催化活性高、寿命长、活性温度范围大、价廉易得、抗毒性好等特点，广泛被国内外合成氨厂家所采用。 铁系催化剂组成配料为： Fe2O3=54-68%，FeO=29-36%， Al2O3=2-4%，k2O＝0.5-0.8%， CaO=0.7-2.5%，MgO极少量。 催化剂的活性成分是金属铁，而不是铁的氧化物。 铁的氧化物还原为具有较高活性的α型纯铁：FeO·Fe2O3+4H2=3Fe＋4H2O 催化剂促进剂： Al2O3能起到保持原结构骨架作用，从而防止活性铁的微晶长大，增加了催化剂的表面积，提高了活性。 CaO起助熔剂作用，使Al2O3易于分散在FeO·Fe2O3中，提高催化剂的热稳定性。 K2O可降低催化剂的金属电子逸出功。活性氮吸附在催化剂的表面，形成偶极子时，电子偏向于氮，电子逸出功的降低有助于氮的活性吸附，从而使催化剂的活性提高。 MgO除具有与Al2O3相同作用外，其主要作用是增强催化剂抗硫化物中毒的能力，并保护催化剂，延长催化剂的使用寿命。 催化剂中毒： 催化剂比较容易中毒，少量CO、CO2、H2O等含氧杂质的存在将使铁被氧化，而失去活性。但当氧化性物质清除后，活性仍可恢复，故称之为暂时中毒。 硫、磷、砷等杂质引起的中毒是不可恢复的，称作永久性中毒。 4.3.4 最优工艺条件 a. 压力； b. 温度； c. 空间速度； d. 氢氮比； e. 惰性气体含量； f. 进口氨的含量 a. 压力 生产上选择压力的主要依