92合成氨工艺

合成氨工艺•主要内容：1、氨合成概述2、氨合成的热力学基础3、氨合成动力学4、原料气的生产与净化5、氨生产全流程1概述一、合成氨的重要性生产氮肥、硝酸盐、胺、纤维、染料等。二、原料路线直接原料：氢和氮以下方法获得粗原料气：氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳22222222222(0.5)23.7623.76(0.25)3.76(0.25)0.53.76(0.25)nmnmCHOCOHCHnHOnCOmnHCONCONCHnmOnmNnCOmHOnmN•粗原料气变换：变换气以氢气、氮气、二氧化碳为主，其中氢分子与氮分子之比为：3:1除杂净化得到合乎要求的氢氮混合气。222COHOCOH三、氨合成原则流程和各化学反应过程相互关系氨合成这一步最困难，工艺条件要求也最严格，是主要化学反应过程，应首先进行优化。2氨合成的热力学基础一、氨合成反应与反应热2230.51.5NHNH二、反应平衡常数3332222220.51.50.51.50.51.5:NHNHNHfpNHNHNHffpKKKffppfK逸度；：逸度系数：与压力无关仅与温度有关。三、影响平衡时氨浓度的因素1、氢氮比R：R=3(此时y最大)2、温度：温度越低，Kp越大。低温催化剂为发展方向。3、压力：压力越大，平衡浓度越大。4、惰性气体含量：有较大的影响。1.522(1)(1)::3piRypKRyypRyyNHi22HNy总压力；y、：、惰性气体的摩尔分数3.氨合成动力学一、催化剂铁催化剂：A10型催化剂：活化能约170KJ/mol，起燃温度370度，耐热温度510度，活性最高时的温度450度左右，粒径2.2~13mm.232322322FeO54~68%FeO29~36%AlO2~4%KO0.5~0.8%CaO0.7~2.5%(FeO,FeO)+H=Fe+HO、、、在加热条件下原料气将铁还原：二、反应动力学2222312()2()()2()3()()()()()()()()()NNHHNHNHNHHNHNHHNH：气体向催化剂表面（内、外）扩散：气体在催化剂表面发生活性吸附气吸附气吸附：吸附的氮、氢发生反应生成氨吸附吸附吸附吸附吸附吸附吸附吸附吸附4：生成的氨从催化剂表33()()NHNH面解吸吸附气5：解吸的氨从催化剂表面向气流主体扩散22322320.50.51.5121.51y:NHNHHNNHHkpkprkpppprkpkppk3NH反应控制阶段取决于反应条件（温度、催化剂颗粒的大小）温度一定：大颗粒为内扩散控制，小颗粒为化学动力学控制。颗粒一定：低温为化学动力学控制，高温为内扩散控制。扩散控制时：扩散系数；：总压力化学动力学控制：远离平衡时：接近平衡时：2k、：正逆反应速度常数；不同粒度催化剂、压力30MPa、空速30000h-1时，不同温度下的反应结果：低温时：化学动力学控制，氨含量不受颗粒大小影响；高温时：内扩散控制，小颗粒催化剂效果较好。4.氨的合成与分离一、工艺条件的优化1、温度：400~510度（可逆放热反应，最快反应速率时的反应温度随转化率的提高而降低）2、压力：加压有利于提高转化率。20世纪：10~15MPa;近年：3~4MPa3、空间速度：气固相催化反应空间速度越大，反应时间越短，生产强度越大。4、氢氮比：氮的活性吸附为合成反应的控制阶段，氮的含量对反应速率影响较大，略低于3可加快反应速率。实践：32MPa、450度、催化剂粒度1.2~2.5mm空速24000(1/h)、R=2.5出口氨浓度最大采取的方法：新鲜原料气比为3，混合后的循环气在合成塔入口的比约为2.8。5、进塔气中的惰性气体含量：一般≤2%6、催化剂颗粒：反应初期：温度440~470度粒径0.6~3.7mm;反应后期：温度420~440度粒径8~16mm二、氨的分离方法：降低温度使氨液化通过气液分离器使液氨与其他气体分离。0.51.90611099.5log4.1856:ypTy未液化的气体中氨的含量四段冷激轴向合成塔•原料气→主进气口→沿环隙至顶部→换热器管间预热420度，与冷激气混合温度降为410度→第一段催化剂床层，温度由410上升到496度再与冷激气混合降至430度，此时NH3%为6.9%→二段、三段、四段→中心管→换热器管内→出塔（130~200度）•径向塔：气体的走向是径向，每段催化剂的厚度只有塔径的30%~70%。•径向塔的优点：1、阻力小：通气面积大、催化剂床层薄；2、空速高；3、催化剂活性高四、合成与分离循环流程一次分离流程只进行压缩和冷却液化分离。适于合成压力较低（约10-15MPa)出塔气中氨%12%二次分离流程适用于压力较高（约30MPa）的场合。处理过程中出塔气氨%≈15%，第一次分离是在水冷的条件下使近一半的氨液化分离出去，气体中剩余的氨%=8%经压缩机升压和氨冷在-5度的条件下进行二次分离。