氨合成岗位培训教材

1目录第一章氨的合成............................................................................................................1第一节氨合成理论简介.....................................................................................................................1第二节工艺条件对合成氨反应的影响.............................................................................................3第三节氨合成催化剂.......................................................................................................................10第四节氨的分离及合成回路流程...................................................................................................22第二章氨冷冻.............................................................................................................24第一节冷冻原理...............................................................................................................................24第二节分级冷冻和分段压缩...........................................................................................................29第三章氨合成工艺流程..............................................................................................33第一节氨合成与冷冻工艺流程.......................................................................................................33第二节化工材料及阀门编制说明...................................................................................................40第三节氨合成与冷冻装置设备说明...............................................................................................42第四章液氨罐区工艺流程...........................................................................................49第一节液氨罐区化工工艺...............................................................................................................49第二节液氨罐区设备.......................................................................................................................51第五章技术问答..........................................................................................................5221第一章氨的合成第一节氨合成理论简介一、氨的一般性质1、物理性质氨，在常温常压下为无色，有强烈刺激性气味的气体，能刺激呼吸器官的粘膜，能伤灼皮肤，眼睛。氨的卫生允许浓度为0.030mg/L，空气中含有0.5vol%的氨就能使人在几分钟内窒息而死。氨的密度0.771kg/Nm3,沸点-33.35℃,熔点-77.7℃，临界温度Tc为132.9℃，临界压力Tp为112.3atm,20℃的液氨比重为0.667。氨极易溶解于水，常温常压下1体积水可溶解700体积氨，溶解时放出大量的热，其溶液叫氨水，呈弱碱性，易挥发。氨在水中的溶解随温度升高而降低，随压力增大而增大。氨水溶液的冰点温度，随着氨浓度的升高而降低。见表1-1-1，不同浓度氨水溶液的冰点温度。表1-1-1不同浓度氨水溶液的冰点序号溶剂浓度（%NH3w/w）温度（℃）14-527-1039.5-15412-20514-25616-30纯净的液氨或干燥的氨气对大多数物质无腐蚀作用，但在有水存在的情况下就会有严重的腐蚀性，尤其对铜、银、锌等金属。当空气中含氨为9～57vo1%时，其燃点为9.7～1000℃在常温常压下氨与空气混合后遇火爆炸范围为15.5～28%或13.5～82%（纯氧气中）。气氨自燃点为630℃，与氧气反应生成N2和H2O。2、化学性质氨是活泼性化合物，能与酸及酸性氧化物反应生成盐，还能和许多有机物反应。另外，液氨还能同活泼金属发生一些特别的反应，甚至一起作为有机反应的催化剂。二、氨合成反应的机理氨合成是一个可逆，体积减小的反应。它和其他化学反应一样，由于温度对反应速度和化学平衡影响的双重性，因此，必须选择最适宜的温度，并在高压下采用催化剂才能使反应有效地进行。反应式为：2平衡常数：23H21NNH23H21NNHP)y()y(1PPPK223223ｙＰ）（）（式中P、Pi—分别为总压和i组分平衡分压，MPayi—i组分的平衡组成（摩尔分数）KP—化学平衡常数，MPa-1氨合成反应的机理，符合多项催化原理。但详细机理尚不完全清楚，其反应步骤一般认为分下面七步：(1)氢气和氮气的混合物从气相主体通过物理作用力吸附在铁催化剂的外表面。此为反应物的外扩散；(2)绝大部分吸附在铁催化剂上的氢和氧，自外表面向催化剂毛细孔内部扩散，到达内表面。此为反应物的内扩散；(3)氢和氮分子在催化剂主要是内表面的晶面上垂直地进行化学吸附，消弱了H2和N2分子的化学键，其中一部份化学键断裂生成吸附态的活性氢、氮原子。即：H2＝2H﹡，N2＝2N﹡。(4)吸附态的高能量活性氢、氮原子，在催化剂内表面上发生化学反应，生成一系列中间化合物后，形成吸附态的高能量活性氨（NH3）﹡。即：N﹡H﹡（NH）﹡H﹡（NH2）﹡H﹡（NH3）﹡N﹡H﹡H﹡（NH）﹡H﹡H﹡（NH2）﹡H﹡H﹡（NH3）﹡(5)吸附态的高能量活性氨在催化剂表面上发生化学解吸，生成氨，(NH3)﹡→NH3＋能量；(6)解吸后的氨从毛细孔内部向催化剂外表面扩散。此为产物的内扩散；(7)氨分子从催化剂外表面扩散到气相主体。此为产物的外扩散。以上第(3)、(4)、(5)步属于化学过程，第(1)、(2)、(6)、(7)步属于物理过程。其中第(3)步反应物分子的化学吸附是最慢的一步，决定着整个合成氨反应的速度。3第二节工艺条件对合成氨反应的影响氨反应进行的程度直接取决于各个工艺条件。在实际生产中，反应不可能达到平衡，合成工艺参数的选择除了考虑平衡氨含量外，还要综合考虑反应速率、催化剂使用特性以及系统的生产能力、原料和能量消耗等，以期达到良好的技术经济指标。氨合成的工艺参数一般指压力、温度、空间速度、氢氮比、惰气含量和初始氨含量。一、压力从化学平衡和反应速度的角度看，在高压下进行氨合成反应，有利于向生成氨的方向移动，反应速度也随压力升高而提高。所以压力增加时，平衡氨浓度和反应速度都增加，既有利于氮氢合成率提高，又使催化剂用量减少。而且压力高时，气体中的氨浓度增加，气氨冷凝温度也相应提高，将氨冷凝所需冷量亦随之减少、有利于循环气中分离出氨和简化流程。但是压力过高给设备制造和维修都带来困难，目前大型氨厂氮氢合成气压缩都使用离心压缩机，最终压力越高，离心压缩机的设计越困难，因氮氢气密度很小，压力越高则压缩态的流量越小，依靠离心力的叶轮设计也越困难，因此，大型氨厂的合成压力通常为10～27MPa。生产上选择操作压力的主要依据是能量消耗以及包括能量消耗、原料费用、设备投资在内的所谓综合费用。也就是说主要取决于技术经济效果。能量消耗主要包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。图1-2-1表示出合成系统能量消耗随操作压力的变化关系。提高操作压力，原料气压缩功增加，循环气压缩功和氨分离冷冻功却减少。总能量消耗在15～30MPa区间相差不大，原料气压缩功太大；压力过低则循环气压缩功、氨分离冷冻功又太高。综合费用是综合性的经济技术指标，它不仅取决于操作压力，还与生产流程（主要指氨分离时的冷凝级数）、装置的生产能力、操作条件、原料及动力以及设备的价格、热量的综合利用等因素有关。图1-2-2为装置能力日产1500吨氨，采用三种不同流程时综合费用与操作压力的关系。通常原料气和设备的费用对过程的经济指标影响较大，在10～35MPa范围内，压力提高综合费用下降，主要原因在于低压下操作设备投资与原料气消耗均增加。对不同的流程来说，低于20MPa时，三级冷凝流程的综合费用较低；20～28MPa二级冷凝流程（一级水冷、一级氨冷）的综合费用较低；更高压力时采用一级冷凝（仅一级水冷）的流程综合费用最低。0101520251.00.51.52.01432压力，MPa能量消耗图1-2-1合成系统能置消耗与操作压力的关系1—总能量消耗；2—循环压缩功3—氨分离冷冻功；4—原料气压缩功4P，MPa10203040500.51.01.5综合费用图1-2-2综合费用与操作压力的关系(以30MPa，二级冷凝流程的综合费用为基准)图中：实线——三级冷凝流程；虚线——二级冷凝流程；点划线——一级冷凝流程二、温度氨合成为一可逆放热反应，温度对化学平衡和反应速度都有影响，温度升高，反应速度增加，但平衡氨浓度却下降。由于氨合成是在催化剂存在下进行的，而催化剂又只有在一定的温度范围内才能显示出它的催化活性，温度太高会破坏催化剂的结构，降低催化剂寿命。因比，仅仅从催化剂的使用来考虑，就必须有一个温度范围。工业上使用的氨合成催化剂的活性温度为360～550℃，因此，氨的合成反应温度由所选用的催化剂型号和氨合成塔的结构决定。床层进口温度的低限由催化剂起始反应温度所决定。床层最高温度则由催化剂的耐热温度决定，目前工业上使用的氨合成催化剂起始反应温度已降低至350～360℃，而耐热温度则不超过550℃。在催化剂活性温度范围选用操作温度应尽可能接近最适宜温度。所谓“最适宜温度”（或最佳温度）是任一可逆放热的催化剂都存在的一个温度。它取决于参与反应的气体组成、压力以及催化剂的活性。若将反应式（1-2-1）对温度进行求导，并使其为零，即可得最适宜反应温度的条件为：(KP)m＝1.5HP0.5NP1ENHP2E223＝sPK1E2E）（（1-2-1）式中(KP)m—最适宜温度下的平衡常数的值；(KP)s—与气体组成相平衡的温度(即平衡温度)下的平衡常数的值；E1、E2—分别为包括内扩散因素在内的正、逆反应表观活化能(例如：氨合成塔上层催化剂反应速率为内扩散控制时