第六章合成氨生產(chǎn)

第六章合成氨生產(chǎn)

煤氣化生產(chǎn)技術(shù)

合成氨的工藝流程2工藝條件的選擇3概述1第六章合成氨生產(chǎn)氨合成塔4氨合成塔的操作與控制管理5第一節(jié)概述12氨的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)氨的用途34合成氨工業(yè)的發(fā)展概況合成氨生產(chǎn)的基本過程第一節(jié)概述氮是自然界里分布較廣的一種元素。碳、氧、氫、氮、磷、鉀六種元素是作物生長的主要養(yǎng)分，其中碳、氧、氫可由植物自身的光合作用或通過根部組織所吸收的水分獲得，而氮元素則主要從土壤中吸收。可以說氮是植物生長的第一需要，從而也就成為動(dòng)物生存所必需的。在高溫、高壓和有催化劑存在的條件下，氮?dú)夂蜌錃饪梢园l(fā)生下列反應(yīng)：N2+3H2=2NH3十Q一、氨的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)1．物理性質(zhì)在常溫常壓下，氨是一種具有特殊刺激性氣味的無色氣體，有強(qiáng)烈的毒性?？諝庵泻?.5%（體積分?jǐn)?shù)）的氨，就能使人在幾分鐘內(nèi)窒息而死。一、氨的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)2．化學(xué)性質(zhì)氨的化學(xué)性質(zhì)較活潑，能與酸反應(yīng)生成鹽。如與磷酸反應(yīng)生成磷酸銨；與硝酸反應(yīng)生成硝酸銨；與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，脫水后成為尿素；與二氧化碳和水反應(yīng)生成碳酸氫銨等。在有水的條件下，氨對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。二、氨的用途①制造化學(xué)肥料的原料。②化工原料。③應(yīng)用于國防工業(yè)和尖端技術(shù)。④應(yīng)用于醫(yī)療、食品行業(yè)中作為醫(yī)療食品行業(yè)中冷凍、冷藏系統(tǒng)的制冷劑。三、合成氨工業(yè)的發(fā)展概況1．合成氨工業(yè)化及其產(chǎn)量2．我國合成氨工業(yè)的發(fā)展四、合成氨生產(chǎn)的基本過程工序一：原料氣的制取。工序二，原料氣的凈化。工序三，原料氣的壓縮與合成。第二節(jié)合成氨的工藝流程12氨合成基本工藝步驟典型的工藝流程一、氨合成基本工藝步驟1．氣體的壓縮和除油2．氣體的預(yù)熱和合成3．氨的分離4．未反應(yīng)氫氮?dú)獾难h(huán)5.惰性氣體的排放6．反應(yīng)熱的回收二、典型的工藝流程1．中、小型氨廠氨合成工藝流程二、典型的工藝流程2．大型氨廠氨合成工藝流程第三節(jié)工藝條件的選擇12壓力溫度34空間速率進(jìn)塔氣組成一、壓力能量消耗主要涉及到功的消耗，即原料氣的壓縮功耗、循環(huán)氣的壓縮功耗和冷凍系統(tǒng)的壓縮功耗。圖6-5為某日產(chǎn)900t氨合成功耗隨壓力的變化關(guān)系。二、溫度表6-1國內(nèi)外氨合成催化劑的組成和主要性能二、溫度續(xù)上表三、空間速率表6-2所示，當(dāng)氣體中氫氮比為3：1、不含氨和惰性氣體時(shí)，在壓力為30.4MPa、500℃的等溫反應(yīng)器中反應(yīng)，空間速度與出口氨含量和生產(chǎn)強(qiáng)度的關(guān)系。表6-2孔徑速度與出口氨含量和生產(chǎn)強(qiáng)度的關(guān)系空速/h-11X1012X1013X1014X101出口氨含量/%生產(chǎn)強(qiáng)度/kg/(m3·h)21.70135019.02241717.33337016.074160四、進(jìn)塔氣組成1．氫氮比由前面討論可知：當(dāng)氫氮比r為3時(shí)，平衡氨含量最大；從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分析，最適宜氫氮比r隨著反應(yīng)的進(jìn)行，將不斷增大。四、進(jìn)塔氣組成2．惰性氣體含量惰性氣體（CH4、Ar）來自新鮮氣，而新鮮氣中惰性氣體的含量隨所用原料和氣體凈化方法的不同相差很大。惰性氣體的存在，對氨合成反應(yīng)，平衡氨含量和反應(yīng)速率的影響都是不利的。四、進(jìn)塔氣組成3．入塔氨含量在其他條件一定時(shí)，入塔氣體中氨含量越低，氨凈值就越大，反應(yīng)速率越快，生產(chǎn)能力就越高。目前一般采用冷凝法分離氨，入塔氮含量與系統(tǒng)壓力和冷凝溫度有關(guān)。要降低入合成塔混合氣體中的氨含量，需消耗大量冷凍量，增加冷凍功耗。第四節(jié)氨合成塔12結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求幾種典型冷管式內(nèi)件的分析3冷激式氨合成塔—、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求為了適應(yīng)氨合成反應(yīng)條件，合理解決高溫和高壓的矛盾，氨合成塔（圖6-6）由內(nèi)件與外筒兩部分組成。二、幾種典型冷管式內(nèi)件的分析1．并流雙套管式二、幾種典型冷管式內(nèi)件的分析2．并流三套管式二、幾種典型冷管式內(nèi)件的分析3．單管并流式二、幾種典型冷管式內(nèi)件的分析以上三種內(nèi)件是單層軸向連續(xù)換熱式內(nèi)件的主要型式，特點(diǎn)見表6-3。三種內(nèi)件的特點(diǎn)如下：表6-3連續(xù)換熱式內(nèi)件的特點(diǎn)冷管型式熱點(diǎn)位置Tb-Ta床層溫度分布生產(chǎn)強(qiáng)度操作穩(wěn)定性冷卻段上部冷卻段下部并流雙套管低小大較合理較低好并流三套管高大小合理較高好單管并流式高大小合理較高好三、冷激式氨合成塔60年代以后，隨著合成氨規(guī)模的大型化，氨合成塔直徑大大增加，為了簡化結(jié)構(gòu)，較多采用冷激式內(nèi)件。冷激式氨合成塔有軸向塔和徑向塔之分。三、冷激式氨合成塔徑向流動(dòng)氨合成塔有時(shí)稱為托普索徑向塔，從1964年開始在合成氨廠應(yīng)用。三、冷激式氨合成塔第五節(jié)氨合成塔的操作與控制管理12溫度的控制壓力的控制34循環(huán)量的控制氫氮比和惰性氣體含量的控制一、溫度的控制（一）熱點(diǎn)溫度的控制對連續(xù)換熱合成塔，不論是軸向還是徑向塔，催化劑床層內(nèi)總存在一個(gè)熱點(diǎn)溫度。表6-4國內(nèi)A系列氨合成催化劑不同使用時(shí)期熱點(diǎn)溫度控制指標(biāo)/0C階段使用初期使用中期使用后期A106480～490490～500500～520A109470～485485～495495～515A110460～480480～490490～510A201460～475475～485485～500一、溫度的控制（二）入口溫度的控制催化劑床層入口溫度必須達(dá)到催化劑的活性溫度。對于A110-1型催化劑，一般將入口溫度控制在400℃±20℃左右。這主要考慮在運(yùn)行實(shí)際中，入口氣體中的毒物不可能全部除去，所以催化劑實(shí)際起活溫度要比實(shí)驗(yàn)室的起活溫度高，但這個(gè)溫度受到合成塔結(jié)構(gòu)的限制。一、溫度的控制（三）催化劑床層溫度的調(diào)節(jié)方法

A、調(diào)節(jié)塔冷氣副閥。B、調(diào)節(jié)循環(huán)量。二、壓力的控制A、系統(tǒng)壓力不能超過設(shè)備所允許的操作壓力，這是保證安全生產(chǎn)的前提。B、在正常操作條件下，應(yīng)盡量降低系統(tǒng)的壓力，這樣可以降低循環(huán)機(jī)的功耗，使合成塔操作穩(wěn)定，不會(huì)因條件稍有惡化，壓力就超過指標(biāo)。二、壓力的控制C、在催化劑使用后期，應(yīng)將系統(tǒng)壓力維持在指標(biāo)上限，以獲得最大的氨產(chǎn)量。D、有時(shí)新鮮氣量大幅度減少，系統(tǒng)壓力降得很低，氨合成反應(yīng)較差，催化劑床層溫度難以維持，這時(shí)可減少循環(huán)量，并適當(dāng)提高氨冷器的溫度，使壓力不致過低。三、循環(huán)量的控制循環(huán)量系指合成塔單位時(shí)間進(jìn)入的總氣量。循環(huán)量的大小標(biāo)志著合成塔負(fù)荷的大小和生產(chǎn)能力的高低。當(dāng)合成塔能夠自熱平衡和系統(tǒng)壓力降允許時(shí)，應(yīng)盡可