第六章 氮肥的生產(chǎn)

1、BEA Confidential. | 1第六章第六章 氮肥的生產(chǎn)氮肥的生產(chǎn)培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心BEA Confidential. | 2第六章第六章 氮肥的生產(chǎn)氮肥的生產(chǎn)硝酸銨的生產(chǎn)硝酸銨的生產(chǎn)培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心尿素生產(chǎn)工藝尿素生產(chǎn)工藝BEA Confidential. | 317731773年，伊萊爾年，伊萊爾羅埃爾（羅埃爾（Hilaire RouelleHilaire Rouelle）發(fā)現(xiàn)尿素。）發(fā)現(xiàn)尿素。18281828年，德年，德國化學(xué)家弗里德里希國化學(xué)家弗里德里希維勒首次使用無機(jī)物質(zhì)氰酸氨與硫酸銨人工合維勒首次使用無機(jī)物質(zhì)氰酸氨與硫酸銨人工合成了尿素。本來他打算合成氰酸銨，卻得到了尿素。

2、尿素的合成揭開成了尿素。本來他打算合成氰酸銨，卻得到了尿素。尿素的合成揭開了人工合成有機(jī)物的序幕。從此，了人工合成有機(jī)物的序幕。從此，活力論活力論的錯誤證明了，有機(jī)化學(xué)實(shí)的錯誤證明了，有機(jī)化學(xué)實(shí)際上開辟了。際上開辟了。*尿素概述尿素概述發(fā)發(fā) 現(xiàn)現(xiàn)活力論認(rèn)為無機(jī)物與有機(jī)物有根本性差異，無機(jī)物所以無法變活力論認(rèn)為無機(jī)物與有機(jī)物有根本性差異，無機(jī)物所以無法變成有機(jī)物，有機(jī)化合物只能由生物的細(xì)胞在一種特殊的力量成有機(jī)物，有機(jī)化合物只能由生物的細(xì)胞在一種特殊的力量生命力的作用下產(chǎn)生，人工合成是不可能的。生命力的作用下產(chǎn)生，人工合成是不可能的。培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心BEA Confidential. | 4培訓(xùn)

3、中心培訓(xùn)中心*尿素概述尿素概述尿素是一種簡單的有機(jī)化合物，屬酰胺態(tài)氮肥，含氮量尿素是一種簡單的有機(jī)化合物，屬酰胺態(tài)氮肥，含氮量46%46%，呈白，呈白色或淡黃色，易溶于水；尿素屬于中性肥料，施入土中，沒有什色或淡黃色，易溶于水；尿素屬于中性肥料，施入土中，沒有什么物質(zhì)殘留下來，不會使土壤性狀變壞；土壤對尿素分子的吸收么物質(zhì)殘留下來，不會使土壤性狀變壞；土壤對尿素分子的吸收較弱，作物對尿素直接利用很少，只有經(jīng)過微生物水解作用后，較弱，作物對尿素直接利用很少，只有經(jīng)過微生物水解作用后，使之轉(zhuǎn)變成碳酸銨或碳酸氫銨，就可以被作物大量吸收。由于轉(zhuǎn)使之轉(zhuǎn)變成碳酸銨或碳酸氫銨，就可以被作物大量吸收。由于轉(zhuǎn)化

4、需要時間，所以肥效比硫酸銨、碳酸氫銨較遲。化需要時間，所以肥效比硫酸銨、碳酸氫銨較遲。肥肥 效效BEA Confidential. | 5培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*尿素的性質(zhì)尿素的性質(zhì)物理性質(zhì)物理性質(zhì) 無色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，工業(yè)或農(nóng)業(yè)品為白色略帶微紅色固無色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，工業(yè)或農(nóng)業(yè)品為白色略帶微紅色固體顆粒，無臭無味。密度體顆粒，無臭無味。密度1 1335g/cm335g/cm3 3。熔點(diǎn)。熔點(diǎn)132.7132.7。溶于水、醇，。溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性。因為在人尿中含有這種物質(zhì)，所以取不溶于乙醚、氯仿。呈微堿性。因為在人尿中含有這種物質(zhì)，所以取名尿素。名尿素。 BEA

5、Confidential. | 6培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)分子式：分子式：CO(NHCO(NH2 2) )2 2，分子量，分子量 60.0660.06，結(jié)構(gòu)式，結(jié)構(gòu)式 尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二氧化碳。尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二氧化碳。對熱不穩(wěn)定，加熱至對熱不穩(wěn)定，加熱至150160150160將脫氨成縮二脲。若迅速加熱將脫氨而將脫氨成縮二脲。若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環(huán)化三聚成六元環(huán)化 合物三聚氰酸。合物三聚氰酸。*尿素的性質(zhì)尿素的性質(zhì)BEA Confidential. | 7 19世紀(jì)末，在熱力學(xué)、動世紀(jì)末，在熱力學(xué)、動力學(xué)

6、和催化劑等領(lǐng)域取得進(jìn)展力學(xué)和催化劑等領(lǐng)域取得進(jìn)展后，對合成氨反應(yīng)的研究有了后，對合成氨反應(yīng)的研究有了新的進(jìn)展。新的進(jìn)展。1901年法國物理化年法國物理化學(xué)家呂學(xué)家呂查得利提出氨合成的條查得利提出氨合成的條件是高溫、高壓，并有適當(dāng)催件是高溫、高壓，并有適當(dāng)催化劑存在。化劑存在。 1909年，德國人哈伯以鋨年，德國人哈伯以鋨為催化劑在為催化劑在1720MPa和和500600溫度下進(jìn)行了合成氨研究，溫度下進(jìn)行了合成氨研究，得到得到6的氨。的氨。 1911年米塔希研究成功以鐵年米塔希研究成功以鐵為活性組分的合成催化劑，鐵為活性組分的合成催化劑，鐵基催化劑活性好、比鋨催化劑基催化劑活性好、比鋨催化劑價廉

7、、易得。價廉、易得。培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心發(fā)展史發(fā)展史*尿素的合成尿素的合成BEA Confidential. | 8培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心合成氨工業(yè)概述合成氨工業(yè)概述原料氣原料氣原則流程原則流程氨氣氨氣氫氣氫氣氮?dú)獾獨(dú)饪湛?氣氣烴或水烴或水*合成氨工業(yè)概述合成氨工業(yè)概述氮?dú)獾獨(dú)馔ㄟ^廉價的空氣制得。通過廉價的空氣制得。氫氣氫氣的來源有：的來源有：烴類轉(zhuǎn)化、固體燃烴類轉(zhuǎn)化、固體燃料氣化和重油氧化料氣化和重油氧化。其中以天然氣。其中以天然氣為原料的氣態(tài)烴類轉(zhuǎn)化過程經(jīng)濟(jì)效為原料的氣態(tài)烴類轉(zhuǎn)化過程經(jīng)濟(jì)效益最高。益最高。 BEA Confidential. | 9 把煤或焦炭中的可燃物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘衙夯蚪固恐械目扇嘉镔|(zhì)

8、轉(zhuǎn)變?yōu)镠2、CO和和CO2，這一過程，這一過程叫做叫做固體燃料氣化固體燃料氣化，簡稱，簡稱造氣造氣。氣化所得的氣體統(tǒng)稱。氣化所得的氣體統(tǒng)稱煤氣煤氣，進(jìn)，進(jìn)行氣化的設(shè)備叫行氣化的設(shè)備叫煤氣發(fā)生爐煤氣發(fā)生爐。 采用間歇法造氣時，空氣和蒸汽交替通入煤氣發(fā)生爐。通入采用間歇法造氣時，空氣和蒸汽交替通入煤氣發(fā)生爐。通入空氣的過程稱為空氣的過程稱為吹風(fēng)吹風(fēng)，制得的煤氣叫，制得的煤氣叫空氣煤氣空氣煤氣；通入水蒸氣的過；通入水蒸氣的過程稱為程稱為制氣制氣，制得的煤氣叫，制得的煤氣叫水煤氣水煤氣；空氣煤氣與水煤氣的混合物；空氣煤氣與水煤氣的混合物稱為稱為半水煤氣半水煤氣。*固體燃料氣化固體燃料氣化定定 義義培訓(xùn)

9、中心培訓(xùn)中心BEA Confidential. | 10 吹風(fēng)吹風(fēng) 2CO23.76N2 = 2CO3.76N2248.7 kJmol-1 制氣制氣 5C5H2O(g)= 5CO5H2590.5 kJmol-1 總反應(yīng)總反應(yīng) 7CO23.76 N25H2O(g)=7CO3.76 N25H2341.8 kJmol-1*固體燃料氣化固體燃料氣化培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心反反 應(yīng)應(yīng)BEA Confidential. | 11a a空氣吹風(fēng)空氣吹風(fēng) 空氣從空氣從造氣爐底部吹入，送風(fēng)造氣爐底部吹入，送風(fēng)發(fā)熱，提高爐溫，吹風(fēng)發(fā)熱，提高爐溫，吹風(fēng)后的氣體去廢熱鍋爐回后的氣體去廢熱鍋爐回收熱量后放空；收熱量后放空；工業(yè)

10、上采用工業(yè)上采用間歇操作送風(fēng)發(fā)熱法間歇操作送風(fēng)發(fā)熱法，即交替進(jìn)行，即交替進(jìn)行吹風(fēng)吹風(fēng)和和制氣制氣。*固體燃料氣化固體燃料氣化培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心過過 程程BEA Confidential. | 12b b上吹制氣上吹制氣 蒸汽從蒸汽從爐底吹入制水煤氣，爐底吹入制水煤氣，水煤氣通過廢熱鍋爐水煤氣通過廢熱鍋爐回收熱量，除塵、洗回收熱量，除塵、洗滌后送入氣柜。滌后送入氣柜。c c下吹制氣下吹制氣 上吹制氣后，上吹制氣后，爐底溫度下降，爐頂溫度尚爐底溫度下降，爐頂溫度尚高，使蒸汽從爐頂吹入與碳高，使蒸汽從爐頂吹入與碳反應(yīng)，生成半水煤氣從爐底反應(yīng)，生成半水煤氣從爐底導(dǎo)出，經(jīng)除塵、洗滌導(dǎo)出，經(jīng)除塵、洗滌, ,

11、 送入送入氣柜。氣柜。培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心BEA Confidential. | 13d d二次上吹二次上吹 下吹后，爐底充下吹后，爐底充滿水煤氣，此時吹入空氣升高滿水煤氣，此時吹入空氣升高爐溫，可能引起爆炸。再從爐爐溫，可能引起爆炸。再從爐底吹入蒸汽將爐底煤氣排凈，底吹入蒸汽將爐底煤氣排凈，為吹風(fēng)作準(zhǔn)備。二次上吹雖可為吹風(fēng)作準(zhǔn)備。二次上吹雖可制氣，但爐溫低，氣質(zhì)差，二制氣，但爐溫低，氣質(zhì)差，二次上吹時間盡可能短；次上吹時間盡可能短； e e空氣吹凈空氣吹凈 空氣從爐底吹入，空氣從爐底吹入，將殘存的水煤氣吹出并送入氣將殘存的水煤氣吹出并送入氣柜，同時制得的吹風(fēng)氣柜，同時制得的吹風(fēng)氣( (空氣煤空氣

12、煤氣氣) )與與b,c,db,c,d階段制得的水煤氣階段制得的水煤氣在氣柜中混合為在氣柜中混合為半水煤氣半水煤氣。培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心BEA Confidential. | 14 特點(diǎn)：特點(diǎn)：氣化設(shè)備簡單、便于控制。能耗大，氣化設(shè)備簡單、便于控制。能耗大，約有一半原料被當(dāng)作燃料燒掉；生產(chǎn)能力低；產(chǎn)約有一半原料被當(dāng)作燃料燒掉；生產(chǎn)能力低；產(chǎn)生三廢生三廢( (煤渣、廢水、含硫廢氣等煤渣、廢水、含硫廢氣等) )較多。較多。培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心過過 程程BEA Confidential. | 15灰熔點(diǎn)：煤灰熔融性是動力和氣化用煤的重要指標(biāo)。煤灰熔點(diǎn)：煤灰熔融性是動力和氣化用煤的重要指標(biāo)。煤灰是由各種礦物質(zhì)組

13、成的混合物，沒有一個固定的熔點(diǎn)，灰是由各種礦物質(zhì)組成的混合物，沒有一個固定的熔點(diǎn)，只有一個熔化溫度的范圍。煤灰熔融性又稱灰熔點(diǎn)。煤只有一個熔化溫度的范圍。煤灰熔融性又稱灰熔點(diǎn)。煤的礦物質(zhì)成分不同，煤的灰熔點(diǎn)比其某一單個成分灰熔的礦物質(zhì)成分不同，煤的灰熔點(diǎn)比其某一單個成分灰熔點(diǎn)低。點(diǎn)低。 工藝條件包括原料、設(shè)備和工藝工藝條件包括原料、設(shè)備和工藝操作等方面操作等方面培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心工藝條件工藝條件 原料：隨原料的性能不同而又很多差異，主要表原料：隨原料的性能不同而又很多差異，主要表現(xiàn)在粒度、現(xiàn)在粒度、灰熔點(diǎn)灰熔點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及反、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及反應(yīng)活性等。應(yīng)活性等。BEA Con

14、fidential. | 16 工藝條件包括原料、設(shè)備和工藝工藝條件包括原料、設(shè)備和工藝操作等方面操作等方面培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心工藝條件工藝條件設(shè)備：對制氣過程影響較大的設(shè)備是風(fēng)機(jī)和爐篦。設(shè)備：對制氣過程影響較大的設(shè)備是風(fēng)機(jī)和爐篦。強(qiáng)風(fēng)短吹有利于降低強(qiáng)風(fēng)短吹有利于降低CO 的損失，爭取更多的有效的損失，爭取更多的有效制氣時間。制氣時間。爐篦沿截面均勻分布有炭層均勻下移，局部阻力爐篦沿截面均勻分布有炭層均勻下移，局部阻力損損失小。失小。BEA Confidential. | 17 工藝條件包括原料、設(shè)備和工藝操作等方面工藝條件包括原料、設(shè)備和工藝操作等方面培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心工藝條件工藝條件操作條件：包

15、括溫度、吹風(fēng)速度、蒸汽用量、循操作條件：包括溫度、吹風(fēng)速度、蒸汽用量、循環(huán)環(huán)時間及分配。時間及分配。BEA Confidential. | 18 輕質(zhì)烴原料主要是輕質(zhì)烴原料主要是天然氣、油田氣、煉廠氣、輕油天然氣、油田氣、煉廠氣、輕油等，等，其中應(yīng)用最多的是其中應(yīng)用最多的是天然氣，天然氣，其主要成分是其主要成分是CH4。培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化原原 料料 不用氧氣，投資少，能耗低。不用氧氣，投資少，能耗低。特特 點(diǎn)點(diǎn)BEA Confidential. | 19CH4 + H2O H2 + C206.4KJ培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反反 應(yīng)應(yīng) 輕質(zhì)烴在輕質(zhì)烴在-

16、Al-Al2 2O O3 3為載體的鎳催化劑的作用下，與為載體的鎳催化劑的作用下，與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成氫與一氧化碳，以甲烷為例水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成氫與一氧化碳，以甲烷為例：這是一個可逆吸熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)速這是一個可逆吸熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)速率率越快，轉(zhuǎn)化率越高。為了獲得越快，轉(zhuǎn)化率越高。為了獲得99%以上的轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)化化率，反應(yīng)溫度需達(dá)到率，反應(yīng)溫度需達(dá)到1230C以上。以上。BEA Confidential. | 20CH4 C+2H22CO C+CO2CO+H2 C+H2OCH4+2H2O CO2+4H2培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化副反應(yīng)副反應(yīng) 析碳不僅降低了原料的

17、利用率，而且析碳覆蓋在催析碳不僅降低了原料的利用率，而且析碳覆蓋在催化劑的表面上而降低其活性?；瘎┑谋砻嫔隙档推浠钚浴Ｒ种莆鎏挤磻?yīng)的有效措施抑制析碳反應(yīng)的有效措施是增加水蒸氣的用量，生產(chǎn)上要求是增加水蒸氣的用量，生產(chǎn)上要求n（CH4）與與n（水蒸氣）（水蒸氣）的的摩爾比需達(dá)到摩爾比需達(dá)到1：3.5。析碳反應(yīng)析碳反應(yīng)BEA Confidential. | 21培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化中毒反應(yīng)中毒反應(yīng) 輕質(zhì)烴原料氣含少量硫（輕質(zhì)烴原料氣含少量硫（CS2，COS等），它們對鎳催等），它們對鎳催化劑有毒。輕質(zhì)烴含硫甚少，可向原料氣加少量氫與有機(jī)化劑有毒。輕質(zhì)烴含硫甚少，可向原料氣加

18、少量氫與有機(jī)硫發(fā)生反應(yīng)，生成硫發(fā)生反應(yīng)，生成H2S，H2S再與氧化鋅反應(yīng)而除去。此法再與氧化鋅反應(yīng)而除去。此法可使氣體中的含硫量降低到可使氣體中的含硫量降低到0.5mg/m3以下。以下。422224CHSHCSHCOSHCOSH22OHZnSSHZnO22BEA Confidential. | 22培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)壓力反應(yīng)壓力 主反應(yīng)是體積增大的反應(yīng)，而析碳副反應(yīng)是體積縮主反應(yīng)是體積增大的反應(yīng)，而析碳副反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)小的反應(yīng)，加壓顯然是不利的。但是加壓有利于節(jié)能，加壓顯然是不利的。但是加壓有利于節(jié)能，而且其不利因素可用提高反應(yīng)溫度和加大水蒸氣的用量而且其不利

19、因素可用提高反應(yīng)溫度和加大水蒸氣的用量來解決，所以權(quán)衡利弊，實(shí)際生產(chǎn)中用輕質(zhì)烴造氣的化來解決，所以權(quán)衡利弊，實(shí)際生產(chǎn)中用輕質(zhì)烴造氣的化學(xué)反應(yīng)是在壓力下進(jìn)行的。學(xué)反應(yīng)是在壓力下進(jìn)行的。實(shí)際生產(chǎn)的操作壓力為實(shí)際生產(chǎn)的操作壓力為3.55.0 Mpa。BEA Confidential. | 23培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器反應(yīng)器CH4+H2O3H2+CO 206.4 kJ/mol 該反應(yīng)在該反應(yīng)在600800以下即可獲得約以下即可獲得約90%的轉(zhuǎn)化率，只的轉(zhuǎn)化率，只是再要求把轉(zhuǎn)化率提高到是再要求把轉(zhuǎn)化率提高到99%以上時，才需要將溫度提高到以上時，才需要將溫度提高到1230 ，因此

20、比較經(jīng)濟(jì)的方法是將造氣過程分兩個階段進(jìn)行。，因此比較經(jīng)濟(jì)的方法是將造氣過程分兩個階段進(jìn)行。第一階段第一階段的溫度約在的溫度約在800 以下，以下，采用外熱法采用外熱法使原料氣和催使原料氣和催化劑在耐熱合金管內(nèi)發(fā)生造氣反應(yīng)。化劑在耐熱合金管內(nèi)發(fā)生造氣反應(yīng)。第二階段為內(nèi)熱法第二階段為內(nèi)熱法，此，此法的造氣反應(yīng)和供熱反應(yīng)都在反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行。法的造氣反應(yīng)和供熱反應(yīng)都在反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行。BEA Confidential. | 24培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器反應(yīng)器BEA Confidential. | 25培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器反應(yīng)器離開一段轉(zhuǎn)化管的氣體壓力為離開

21、一段轉(zhuǎn)化管的氣體壓力為4.35MPa，溫度為溫度為800，甲烷含量為，甲烷含量為16.3，經(jīng)總，經(jīng)總管送入二段轉(zhuǎn)化爐。管送入二段轉(zhuǎn)化爐。天然氣經(jīng)過脫硫后天然氣經(jīng)過脫硫后配入中壓蒸汽，送配入中壓蒸汽，送入一段對流加熱到入一段對流加熱到580，然后將此，然后將此混合氣體經(jīng)輻射段混合氣體經(jīng)輻射段頂部的上集氣管分頂部的上集氣管分配到各管中。配到各管中。BEA Confidential. | 26培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心工藝空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)加壓工藝空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)加壓到到4.5MPa、140后經(jīng)對后經(jīng)對流段加熱到流段加熱到500，如二段，如二段與一段轉(zhuǎn)化氣相混合，于錐與一段轉(zhuǎn)化氣相混合，于錐形頂部燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒

22、反形頂部燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒反應(yīng)，溫度升到應(yīng)，溫度升到1250左左右，甲烷含量在右，甲烷含量在0.5%以下。以下。BEA Confidential. | 27培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器反應(yīng)器 從二段轉(zhuǎn)化爐出來的氣體，其組成為從二段轉(zhuǎn)化爐出來的氣體，其組成為CH4 0.5%、CO2 7.6%、CO 12.6%、H2 57%、N2 22.3%，氣體的溫度，氣體的溫度約為約為1000 ，經(jīng)廢熱鍋爐利用顯熱，溫度降至，經(jīng)廢熱鍋爐利用顯熱，溫度降至370 后送后送變換系統(tǒng)。變換系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)化法所獲得粗原料氣與半水煤氣相比，含氫量高，轉(zhuǎn)化法所獲得粗原料氣與半水煤氣相比，含氫量高，含一氧化碳量

23、低，雜質(zhì)氣體也較少含一氧化碳量低，雜質(zhì)氣體也較少，所以后繼過程負(fù)擔(dān)較低。，所以后繼過程負(fù)擔(dān)較低。BEA Confidential. | 28培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*烴類蒸氣轉(zhuǎn)化烴類蒸氣轉(zhuǎn)化兩段特點(diǎn)兩段特點(diǎn)分兩個階段用不同的加熱方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這是分兩個階段用不同的加熱方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這是提高轉(zhuǎn)化率，降提高轉(zhuǎn)化率，降低能耗的重要措施低能耗的重要措施。第一段轉(zhuǎn)化率約。第一段轉(zhuǎn)化率約90%，需要提供大量反，需要提供大量反應(yīng)熱，但卻不需要太高的反應(yīng)溫度。第二段轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率從應(yīng)熱，但卻不需要太高的反應(yīng)溫度。第二段轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率從90 %上升到上升到99%，增長不多，需要提供的熱量也不多，但卻需，增長不多，需要提供的

24、熱量也不多，但卻需很高的反應(yīng)溫度。兩段轉(zhuǎn)化法合理地運(yùn)行使能源費(fèi)用大幅度降很高的反應(yīng)溫度。兩段轉(zhuǎn)化法合理地運(yùn)行使能源費(fèi)用大幅度降低。低。第一段轉(zhuǎn)化在耐熱合金管內(nèi)進(jìn)行采用外熱法，反應(yīng)溫度是耐熱第一段轉(zhuǎn)化在耐熱合金管內(nèi)進(jìn)行采用外熱法，反應(yīng)溫度是耐熱合金管能夠承受的溫度。第二階段采用內(nèi)熱法，用耐火磚砌爐合金管能夠承受的溫度。第二階段采用內(nèi)熱法，用耐火磚砌爐膛，既補(bǔ)充了膛，既補(bǔ)充了N2使氣體組成符合氨合成的要求又使氣體組成符合氨合成的要求又順利地解決順利地解決了反應(yīng)器的材質(zhì)問題了反應(yīng)器的材質(zhì)問題。BEA Confidential. | 29 重油部分氧化法是以重質(zhì)烴為原料，利用氧氣進(jìn)行重油部分氧化法是以

25、重質(zhì)烴為原料，利用氧氣進(jìn)行不完全燃燒，使烴類在高溫下發(fā)生裂解并使裂解產(chǎn)物不完全燃燒，使烴類在高溫下發(fā)生裂解并使裂解產(chǎn)物甲烷與燃燒產(chǎn)物水蒸氣和二氧化碳在高溫下進(jìn)行轉(zhuǎn)化甲烷與燃燒產(chǎn)物水蒸氣和二氧化碳在高溫下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，制得原料氣。反應(yīng)，制得原料氣。氧化反應(yīng)：氧化反應(yīng)：4CmHn+(4m+n)O2 = 4mCO2+2nH2O+Q轉(zhuǎn)化反應(yīng)：轉(zhuǎn)化反應(yīng)：2CmHn+2mH2O = 2mCO+(n+2m)H2 -Q2CmHn+4mH2O = 2mCO2+(n+4m)H2 Q2CmHn+2mCO = 4mCO+nH2 -Q培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心*重油部分氧重油部分氧化化原原 理理 BEA Confidential

26、. | 302CO =CO2 + CCH4 = 2H2 + C析碳反應(yīng)析碳反應(yīng)CO+H2 = H2O+C缺點(diǎn)缺點(diǎn): 需用純氧作原料，增加較多的投資，另外，需用純氧作原料，增加較多的投資，另外，去除碳黑也需增加投資。去除碳黑也需增加投資。培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心副反應(yīng)副反應(yīng) *重油部分氧重油部分氧化化BEA Confidential. | 311脫氣塔 2炭黑水泵 3壓濾機(jī) 4螺旋輸送機(jī) 5中間水罐6中間泵 7精密過濾器 8濾后水罐 9清水泵 10換熱器培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心流程圖流程圖 H2+COBEA Confidential. | 32培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心BEA Confidential. | 33 從化學(xué)

27、工藝的角度看其核心是反應(yīng)過程工藝條件的確定，從化學(xué)工藝的角度看其核心是反應(yīng)過程工藝條件的確定，而確定反應(yīng)的最佳工藝條件，需先從事反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)的而確定反應(yīng)的最佳工藝條件，需先從事反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)的研究。研究。 氫氣和氮?dú)夂铣砂笔欠艧幔w積縮小的可逆反應(yīng)氫氣和氮?dú)夂铣砂笔欠艧?，體積縮小的可逆反應(yīng). .0.5N21.5H2=NH3 H298=46.22 kJmol-1 其反應(yīng)熱不僅與溫度有關(guān)，還與壓力和組成有關(guān)。其反應(yīng)熱不僅與溫度有關(guān)，還與壓力和組成有關(guān)。132.1 氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng)氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng)132 氨合成的熱力學(xué)基礎(chǔ)氨合成的熱力學(xué)基礎(chǔ)培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心BEA Confidentia

28、l. | 34下表為純下表為純3H2N2混合氣生成混合氣生成NH3為為17.6系統(tǒng)反應(yīng)的熱效應(yīng)。系統(tǒng)反應(yīng)的熱效應(yīng)。 應(yīng)用化學(xué)平衡移動原理可知，應(yīng)用化學(xué)平衡移動原理可知，低溫、高壓操作有利于低溫、高壓操作有利于氨的生成氨的生成。但是溫度和壓力對合成氨的平衡產(chǎn)生影響的程度，。但是溫度和壓力對合成氨的平衡產(chǎn)生影響的程度，需通過反應(yīng)的化學(xué)平衡研究確定。其平衡常數(shù)為：需通過反應(yīng)的化學(xué)平衡研究確定。其平衡常數(shù)為： 132.2 化學(xué)平衡及平衡常數(shù)化學(xué)平衡及平衡常數(shù)培訓(xùn)中心培訓(xùn)中心BEA Confidential. | 35KKKfp/式中式中: f,分別為各平衡組分的逸度和逸度系數(shù)分別為各平衡組分的逸度和逸

29、度系數(shù).5 . 15 . 05 . 15 . 0223223HNNHHNNHpyyypppKpHNNHHNNHHNNHfKKyyyfffK5 . 15 . 05 . 15 . 05 . 15 . 0223223223式中式中, p,pi分別為總壓和各組分平衡分壓；分別為總壓和各組分平衡分壓； yi平衡組分的摩爾分?jǐn)?shù)。平衡組分的摩爾分?jǐn)?shù)。 高壓下化學(xué)平衡常數(shù)高壓下化學(xué)平衡常數(shù)Kp值不僅與溫度有關(guān)，而且與壓力值不僅與溫度有關(guān)，而且與壓力和氣體組成有關(guān)，和氣體組成有關(guān)，用用逸度逸度表示：表示：BEA Confidential. | 36 研究者把不同溫度、壓研究者把不同溫度、壓力下力下K值算出并繪制

30、成圖。值算出并繪制成圖。當(dāng)壓力很低時，當(dāng)壓力很低時，K值接近值接近于于 1，此時，此時 Kp=Kf。因此。因此Kf可看作壓力很低時的可看作壓力很低時的 Kp。KKKfp/溫度越低溫度越低, 壓力越大壓力越大K值值越小越小, Kf 與壓力無關(guān)與壓力無關(guān),溫度溫度越低越低Kf 越大越大,Kp越大越大.BEA Confidential. | 37 若總壓為若總壓為p的混合氣體中含有的混合氣體中含有N2, H2, NH3和惰性氣體的和惰性氣體的的摩爾分?jǐn)?shù)分別為的摩爾分?jǐn)?shù)分別為yN2,yH2,yNH3和和yi其關(guān)系為其關(guān)系為yN2+yH2+yNH3+yi=1.令原始?xì)涞攘钤細(xì)涞萊= yH2/ yN

31、2, 則各組分的平則各組分的平衡分壓為衡分壓為132.3 影響平衡氨含量的因素影響平衡氨含量的因素)1 (2322iNNHHHyyypypp)1 (23iHNHyRyypRRyyppiNHH1)1 (32所以所以)1 (2322iHNHNNyyypyppBEA Confidential. | 38a壓力和溫度的影響壓力和溫度的影響 溫度越低，壓力越高，平衡常數(shù)溫度越低，壓力越高，平衡常數(shù)Kp越大，平衡氨含量越高。越大，平衡氨含量越高。 RyyppiNHN11)1 (3225 . 121133RRpKyyypiNHNH整理得整理得此式可分析影響平衡氨含量的諸因素此式可分析影響平衡氨含量的諸因素:

32、 :)1 (23iNNHyRyyp5 . 15 . 0)()(223HNNHppppK BEA Confidential. | 39b氫氮比的影響氫氮比的影響 當(dāng)溫度、壓力及惰性組分含量一當(dāng)溫度、壓力及惰性組分含量一定時，使定時，使yNH3為最大的條件為為最大的條件為若不考慮若不考慮R對對Kp的影響，解得的影響，解得R=3時，時，yNH3為最大值；為最大值；高壓下，氣體偏離理想狀態(tài)，高壓下，氣體偏離理想狀態(tài)，Kp將隨將隨R而變，所以而變，所以具有最大具有最大yNH3時的時的R略小于略小于3，約在，約在2.682.90之間，之間，如圖所示。如圖所示。0) 1(25 . 1RRpKRpBEA Co

33、nfidential. | 40 c.惰性氣體的影響惰性氣體的影響 惰性組分的存在，降低了氫、氮惰性組分的存在，降低了氫、氮?dú)獾挠行Х謮海瑫蛊胶獍焙拷档?。氣的有效分壓，會使平衡氨含量降低?BEA Confidential. | 41 催化劑的催化劑的活性成分是金屬鐵活性成分是金屬鐵，而不是鐵氧化物。使用前，而不是鐵氧化物。使用前用氫氮混合氣對催化劑還原，使鐵氧化物還原為具有較高活用氫氮混合氣對催化劑還原，使鐵氧化物還原為具有較高活性的性的a a型純鐵。還原反應(yīng)方程式為：型純鐵。還原反應(yīng)方程式為：133.1 催化劑催化劑 以鐵為主的催化劑以鐵為主的催化劑( (鐵系催化劑鐵系催化劑) )有催

34、化活性高、壽命長、有催化活性高、壽命長、活性溫度范圍大、價廉易得等特點(diǎn)，廣泛地被國內(nèi)外合成氨活性溫度范圍大、價廉易得等特點(diǎn)，廣泛地被國內(nèi)外合成氨廠家采用。廠家采用。FeOFe2O34H2=3Fe4H2OA12O3在催化劑中能起到保持原結(jié)構(gòu)骨架作用，從而防止活在催化劑中能起到保持原結(jié)構(gòu)骨架作用，從而防止活性鐵的微晶長大，增加了催化劑的表面積，提高了活性。性鐵的微晶長大，增加了催化劑的表面積，提高了活性。133 氨合成動力學(xué)氨合成動力學(xué)BEA Confidential. | 42 少量少量CO、CO2、H2O等含氧雜質(zhì)的存在將使鐵等含氧雜質(zhì)的存在將使鐵被氧化，而失去活性。但當(dāng)氧化性物質(zhì)清除后，活被

35、氧化，而失去活性。但當(dāng)氧化性物質(zhì)清除后，活性仍可恢復(fù)，故稱之為性仍可恢復(fù)，故稱之為暫時中毒暫時中毒。硫、磷、砷等雜。硫、磷、砷等雜質(zhì)引起的中毒是不可恢復(fù)的，稱作質(zhì)引起的中毒是不可恢復(fù)的，稱作永久性中毒永久性中毒。 CaO起助熔劑作用起助熔劑作用。K2O的加入可促使催化劑的金屬電子逸出功降低的加入可促使催化劑的金屬電子逸出功降低, ,促進(jìn)氮的吸附活性促進(jìn)氮的吸附活性。 MgO除具有與除具有與AlAl2 2O O3 3相同作用外，其主要作用是相同作用外，其主要作用是抗硫化物中毒的能力，從而延長催化劑的使用壽命?？沽蚧镏卸镜哪芰?，從而延長催化劑的使用壽命。BEA Confidential. | 4

36、3a混合氣體向催化劑表面擴(kuò)散混合氣體向催化劑表面擴(kuò)散(外外,內(nèi)擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程)；b氫氫,氮?dú)庠诖呋瘎┍砻姹晃剑降牡蜌浒l(fā)生反應(yīng)，氮?dú)庠诖呋瘎┍砻姹晃剑降牡蜌浒l(fā)生反應(yīng)， 生成的氨從催化劑表面解吸生成的氨從催化劑表面解吸(表面反應(yīng)過程表面反應(yīng)過程)；c. 氨從催化劑表面向氣體主流體擴(kuò)散氨從催化劑表面向氣體主流體擴(kuò)散(內(nèi)內(nèi),外擴(kuò)散過程外擴(kuò)散過程) 氨合成為氨合成為氣固相催化氣固相催化反應(yīng)，它的宏觀動力學(xué)過程包括反應(yīng)，它的宏觀動力學(xué)過程包括以下幾個步驟。以下幾個步驟。N2(g)+Cate 2N(Cate) H2(g)+Cate 2H(Cate) N(Cate) + H(Cate) N

37、H(Cate)氮、氫氣在催化劑表面反應(yīng)過程的機(jī)理，可表示為：氮、氫氣在催化劑表面反應(yīng)過程的機(jī)理，可表示為：133.2 動力學(xué)過程動力學(xué)過程 BEA Confidential. | 44 對整個氣固相催化反應(yīng)過程，是表面反應(yīng)控制還是擴(kuò)散控對整個氣固相催化反應(yīng)過程，是表面反應(yīng)控制還是擴(kuò)散控制，制，取決于實(shí)際操作條件取決于實(shí)際操作條件。低溫時可能是動力學(xué)控制，高溫。低溫時可能是動力學(xué)控制，高溫時可能是內(nèi)擴(kuò)散控制；時可能是內(nèi)擴(kuò)散控制； 大顆粒的催化劑內(nèi)擴(kuò)散路徑長，小顆粒的路徑短，所以大顆粒的催化劑內(nèi)擴(kuò)散路徑長，小顆粒的路徑短，所以在同樣溫度下大顆粒可能是內(nèi)擴(kuò)散控制，小顆?？赡苁腔瘜W(xué)在同樣溫度下大顆?？?/p>

38、能是內(nèi)擴(kuò)散控制，小顆?？赡苁腔瘜W(xué)動力學(xué)控制。動力學(xué)控制。NH(Cate) + H(Cate) NH2(Cate)NH2(Cate) + H(Cate) NH3(Cate)NH3(Cate)NH3(g) + (Cate) 實(shí)驗結(jié)果證明實(shí)驗結(jié)果證明,N2活性吸附是最慢的一步，即為表面反活性吸附是最慢的一步，即為表面反應(yīng)過程的應(yīng)過程的控制步驟?？刂撇襟E。BEA Confidential. | 45當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散控制時，當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散控制時， 式中式中k為擴(kuò)散系數(shù)為擴(kuò)散系數(shù),p為反應(yīng)物的總壓為反應(yīng)物的總壓。式中式中 rNH3氨合成反應(yīng)的凈速率：氨合成反應(yīng)的凈速率： k1，k2正、逆反應(yīng)速率常數(shù)；正、逆反應(yīng)速率常數(shù)

39、； pN2, pH2, pNH3N2, H2, NH3的分壓的分壓. a為常數(shù)，與催化劑性質(zhì)及反應(yīng)條件有關(guān)，由實(shí)驗測定。為常數(shù)，與催化劑性質(zhì)及反應(yīng)條件有關(guān)，由實(shí)驗測定。aHNHNHHNNHppkpppkr1322231233223yNH3=kP當(dāng)化學(xué)動力學(xué)控制時，在接近平衡時：當(dāng)化學(xué)動力學(xué)控制時，在接近平衡時：捷姆金本征動力學(xué)方程BEA Confidential. | 46通常通常 0al，對以鐵為主的氨合成催化劑，對以鐵為主的氨合成催化劑a=0.5，故，故 上式關(guān)聯(lián)了上式關(guān)聯(lián)了 k1,k2及及 Kp間的關(guān)系。間的關(guān)系。5 . 125 . 11233223HNHNHHNNHppkpppkr5

40、. 125 . 1123322HNHNHHNppkpppk225 . 15 . 03221223223pHNNHHNNHKppppppkk反應(yīng)達(dá)到平衡時反應(yīng)達(dá)到平衡時,r=0,則則整理得整理得BEA Confidential. | 47 生產(chǎn)上選擇壓力的依據(jù)是能耗及包括能耗、原料費(fèi)、設(shè)備投資、生產(chǎn)上選擇壓力的依據(jù)是能耗及包括能耗、原料費(fèi)、設(shè)備投資、技術(shù)投資在內(nèi)的綜合費(fèi)用。經(jīng)分析，總能耗在技術(shù)投資在內(nèi)的綜合費(fèi)用。經(jīng)分析，總能耗在1530MPa間相差不大，間相差不大，數(shù)值較小；就綜合費(fèi)而言，壓力從數(shù)值較??；就綜合費(fèi)而言，壓力從10MPa提高到提高到30MPa時時,下降下降40%左右左右134.1

41、氨合成工藝條件的優(yōu)化氨合成工藝條件的優(yōu)化 合成工藝參數(shù)的選擇除了考慮平衡氨含量外，還要綜合考合成工藝參數(shù)的選擇除了考慮平衡氨含量外，還要綜合考慮反應(yīng)速度、催化劑特性及系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料和能量消耗等。慮反應(yīng)速度、催化劑特性及系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料和能量消耗等。壓力壓力 提高壓力利于提高氨的平衡濃度，也利于總反應(yīng)速率的提高壓力利于提高氨的平衡濃度，也利于總反應(yīng)速率的增加。高壓法動力消耗大，對設(shè)備材料和加工制造要求高。增加。高壓法動力消耗大，對設(shè)備材料和加工制造要求高。134 氨的合成與分離氨的合成與分離BEA Confidential. | 48溫度溫度 溫度過高，會使催化劑過早失活。塔內(nèi)溫度應(yīng)維

42、持溫度過高，會使催化劑過早失活。塔內(nèi)溫度應(yīng)維持在催化劑的活性溫度范圍在催化劑的活性溫度范圍(400520)內(nèi)。內(nèi)。 30MPa左右是氨合成的適宜壓力。從節(jié)省能源的觀點(diǎn)出發(fā)，左右是氨合成的適宜壓力。從節(jié)省能源的觀點(diǎn)出發(fā)，合成氨的壓強(qiáng)應(yīng)為合成氨的壓強(qiáng)應(yīng)為1520 MPa的壓力。的壓力。 氨的合成反應(yīng)存在一個使反應(yīng)速度最大的溫度，即氨的合成反應(yīng)存在一個使反應(yīng)速度最大的溫度，即最適宜最適宜反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度，它除與催化劑活性有關(guān)外，還取決于反應(yīng)氣體組成，它除與催化劑活性有關(guān)外，還取決于反應(yīng)氣體組成和壓力。最適宜反應(yīng)溫度與平衡反應(yīng)溫度之間存在確定的關(guān)系和壓力。最適宜反應(yīng)溫度與平衡反應(yīng)溫度之間存在確定的關(guān)系

43、，如圖所示。，如圖所示。 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溫度逐漸升高，當(dāng)接近最適宜溫度后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溫度逐漸升高，當(dāng)接近最適宜溫度后，再采取冷卻措施。再采取冷卻措施。BEA Confidential. | 49空間速度空間速度 空間速度指單位時間內(nèi)通過單位體積催化劑的氣體空間速度指單位時間內(nèi)通過單位體積催化劑的氣體量量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積)。單位。單位h-1，簡稱空速。，簡稱空速。 BEA Confidential. | 50 空速越大，反應(yīng)時間越短，轉(zhuǎn)化率越小，出塔氣中氨含量空速越大，反應(yīng)時間越短，轉(zhuǎn)化率越小，出塔氣中氨含量降低。增大空速，催化劑床層中平衡氨濃度與混合氣體中實(shí)際降低。增

44、大空速，催化劑床層中平衡氨濃度與混合氣體中實(shí)際氨含量的差值增大，即推動力增大，反應(yīng)速率增加；同時，增氨含量的差值增大，即推動力增大，反應(yīng)速率增加；同時，增大空速混合氣體處理量提高、生產(chǎn)能力增大。大空速混合氣體處理量提高、生產(chǎn)能力增大。采用中壓法合成氨，空間速度為采用中壓法合成氨，空間速度為 20 00030 000 h-1較適宜。較適宜。氫氮比氫氮比 動力學(xué)指出，氮的活性吸附是控制階段，適當(dāng)增加動力學(xué)指出，氮的活性吸附是控制階段，適當(dāng)增加原料氣中氮含量利于提高反應(yīng)速率。為達(dá)到高的出口氨濃度、原料氣中氮含量利于提高反應(yīng)速率。為達(dá)到高的出口氨濃度、生產(chǎn)穩(wěn)定的目的，生產(chǎn)穩(wěn)定的目的，循環(huán)氣氫氮比略低于

45、循環(huán)氣氫氮比略低于3(取取2.8-2.9)，新鮮原，新鮮原料氣中的氫氮比取料氣中的氫氮比取3：1。BEA Confidential. | 51 惰性氣體含量惰性氣體含量 惰性氣體在新鮮原料氣中一般很低，只是在惰性氣體在新鮮原料氣中一般很低，只是在循環(huán)過程中逐漸積累增多，使平衡氨含量下降、反應(yīng)速度降低。循環(huán)過程中逐漸積累增多，使平衡氨含量下降、反應(yīng)速度降低。生產(chǎn)中采取放掉一部分循環(huán)氣的辦法。放掉的氣體稱為馳放氣。生產(chǎn)中采取放掉一部分循環(huán)氣的辦法。放掉的氣體稱為馳放氣。另行處理以回收氨和其它有用的氣體。理論上是惰性氣體越少另行處理以回收氨和其它有用的氣體。理論上是惰性氣體越少越好，但實(shí)際上這是不現(xiàn)

46、實(shí)的。要確定一個合理的惰性氣體含越好，但實(shí)際上這是不現(xiàn)實(shí)的。要確定一個合理的惰性氣體含量范圍，還需大量計算，綜合各種操作因素作圖比較分析得出。量范圍，還需大量計算，綜合各種操作因素作圖比較分析得出。以增產(chǎn)為主要目標(biāo)，惰氣含量，約為以增產(chǎn)為主要目標(biāo)，惰氣含量，約為 10%14%，若以降低，若以降低原料成本為主，約為原料成本為主，約為 16%20%。BEA Confidential. | 52134.2 進(jìn)口氨的含量進(jìn)口氨的含量 進(jìn)合成氨塔氣體中的氨由循環(huán)氣帶入，其數(shù)量決定于氨分進(jìn)合成氨塔氣體中的氨由循環(huán)氣帶入，其數(shù)量決定于氨分離的條件。溫度越低，分離效果越好。合理的氨含量應(yīng)由增產(chǎn)離的條件。溫度越

47、低，分離效果越好。合理的氨含量應(yīng)由增產(chǎn)與能耗之間的經(jīng)濟(jì)效益來定。在與能耗之間的經(jīng)濟(jì)效益來定。在30 MPa左右，進(jìn)口氨含量控制左右，進(jìn)口氨含量控制在在 3.2%3.8%；15 MPa時為時為 2.8%3%。 催化劑的粒徑催化劑的粒徑 催化劑的粒徑也必須優(yōu)化，優(yōu)化過程涉及的催化劑的粒徑也必須優(yōu)化，優(yōu)化過程涉及的因素很多且難以定量描述，所以優(yōu)化條件只能通過實(shí)驗來確定。因素很多且難以定量描述，所以優(yōu)化條件只能通過實(shí)驗來確定。在反應(yīng)初期粒徑小，反應(yīng)后期粒徑大。在反應(yīng)初期粒徑小，反應(yīng)后期粒徑大。BEA Confidential. | 53 氨合成是在氨合成是在高溫、高壓高溫、高壓下進(jìn)行，氫、氮對碳鋼有明

48、顯的腐下進(jìn)行，氫、氮對碳鋼有明顯的腐蝕作用。將塔設(shè)計成外筒和內(nèi)件兩部分。外筒一般做成圓筒形，蝕作用。將塔設(shè)計成外筒和內(nèi)件兩部分。外筒一般做成圓筒形，可用普通低合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼制造可用普通低合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼制造, ,氣體的進(jìn)出口設(shè)在塔的上、氣體的進(jìn)出口設(shè)在塔的上、下兩端頂蓋上。外筒只承受高壓而不承受高溫。下兩端頂蓋上。外筒只承受高壓而不承受高溫。134.3 合成塔合成塔合成塔必須保證原料氣在合成塔必須保證原料氣在最佳條件最佳條件下進(jìn)行反應(yīng)。下進(jìn)行反應(yīng)。 塔內(nèi)件由熱交換器、分氣盒和催化劑筐三部分構(gòu)成。熱交塔內(nèi)件由熱交換器、分氣盒和催化劑筐三部分構(gòu)成。熱交換器供進(jìn)入氣體與反應(yīng)后氣體換熱；分氣盒起分氣

49、和集氣作用；換器供進(jìn)入氣體與反應(yīng)后氣體換熱；分氣盒起分氣和集氣作用；催化劑筐內(nèi)放置催化劑、冷卻管、電熱器和測溫儀器。冷卻管催化劑筐內(nèi)放置催化劑、冷卻管、電熱器和測溫儀器。冷卻管的作用迅速移去反應(yīng)熱。的作用迅速移去反應(yīng)熱。BEA Confidential. | 54 圖圖 244為中型合成氨廠的流程圖。該流程壓力為為中型合成氨廠的流程圖。該流程壓力為 32 MPa，空速為空速為 20 00030 000h-1。 按從按從催化劑床層移熱的方式催化劑床層移熱的方式不同，合成塔分不同，合成塔分連續(xù)換熱式、多段連續(xù)換熱式、多段間接換熱式和多段冷激式間接換熱式和多段冷激式三種。三種。134.4 合成分離流

50、程合成分離流程BEA Confidential. | 55BEA Confidential. | 56軸向冷激式氨合成塔1-塔 底 封 頭 接 管 ；2-氧 化 鋁 球 ；3-篩 板 ；4-人 孔 ；5-冷 激 氣 接 管 ；6-冷 激 管 ；7-下 筒 體 ；8-卸 料 管 ；9-中 心 管 ；10-催 化 劑 筐 ；11-換 熱 器 ；12-上 筒 體 ；13-波 紋 連 接 管BEA Confidential. | 57BEA Confidential. | 581.脫硫脫硫 主要是主要是H2S,其次是其次是CS2,COS,RSH等有機(jī)硫。其含量等有機(jī)硫。其含量取決于原料的含硫量及加工方

51、法取決于原料的含硫量及加工方法. 以煤為原料，原料氣中以煤為原料，原料氣中H2S含量一般為含量一般為23gm-3，有的高達(dá)，有的高達(dá)2030gm-3。135.5 原料氣的凈化原料氣的凈化脫硫脫硫, ,脫碳脫碳, ,變換變換, , 氣體的精制氣體的精制. . H2S對設(shè)備和管道有腐蝕作用，使變換及合成系統(tǒng)的催對設(shè)備和管道有腐蝕作用，使變換及合成系統(tǒng)的催化劑中毒，還使銅洗系統(tǒng)的低價銅生成硫化亞銅沉淀，增加化劑中毒，還使銅洗系統(tǒng)的低價銅生成硫化亞銅沉淀，增加銅耗。銅耗。BEA Confidential. | 59 工業(yè)脫硫方法很多，分為工業(yè)脫硫方法很多，分為干法干法和和濕法濕法兩種。前者是用固體兩種

52、。前者是用固體脫硫劑脫硫劑(如氧化鋅、活性炭、分子篩等如氧化鋅、活性炭、分子篩等)將氣體中的硫化物除掉；將氣體中的硫化物除掉；后者用堿性物質(zhì)或氧化劑的水溶液即脫硫劑后者用堿性物質(zhì)或氧化劑的水溶液即脫硫劑(如氨水法、碳酸如氨水法、碳酸鹽法、乙醇胺法、蒽醌二磺酸鈉法及砷堿法等鹽法、乙醇胺法、蒽醌二磺酸鈉法及砷堿法等)吸收氣體中的吸收氣體中的硫化物。硫化物。 干法脫硫優(yōu)點(diǎn)是既能脫無機(jī)硫，又能脫有機(jī)硫，可把硫脫干法脫硫優(yōu)點(diǎn)是既能脫無機(jī)硫，又能脫有機(jī)硫，可把硫脫至極微量。缺點(diǎn)是脫硫劑不能再生，故只能周期性操作，不適至極微量。缺點(diǎn)是脫硫劑不能再生，故只能周期性操作，不適于脫除大量硫化物。于脫除大量硫化物。

53、 濕法采用液體脫硫，便于再生并能回收硫，易于構(gòu)成連續(xù)濕法采用液體脫硫，便于再生并能回收硫，易于構(gòu)成連續(xù)脫硫循環(huán)系統(tǒng)，可用較小的設(shè)備脫大量硫化物。缺點(diǎn)是對有機(jī)脫硫循環(huán)系統(tǒng)，可用較小的設(shè)備脫大量硫化物。缺點(diǎn)是對有機(jī)硫脫除能力差，凈化度不如干法高。硫脫除能力差，凈化度不如干法高。BEA Confidential. | 60 目前通用的是目前通用的是濕法中的改良濕法中的改良ADA法法，也稱之為，也稱之為ADA-釩酸釩酸鹽法（或改良鹽法（或改良ADA法）法）。反應(yīng)原理：反應(yīng)原理：（1）脫硫吸收塔中的反應(yīng)：）脫硫吸收塔中的反應(yīng)： Na2CO3+H2SNaHS+NaHCO3 2NaHS+4NaVO3+H2O

54、Na2V4O9+4NaOH+2S Na2V4O9+2ADA(氧化態(tài)）氧化態(tài)）2NaOH+H2O4NaVO3+2ADA(還原態(tài)）還原態(tài)）（2）再生塔中反應(yīng)：）再生塔中反應(yīng)： 2ADA（還原態(tài)）（還原態(tài)）+O22ADA（氧化態(tài)）（氧化態(tài)）+H2OBEA Confidential. | 61 物理吸收是利用物理吸收是利用CO2能溶于水和有機(jī)溶劑的特能溶于水和有機(jī)溶劑的特點(diǎn)。常用的有加壓水洗、低溫甲醇洗滌等。如在點(diǎn)。常用的有加壓水洗、低溫甲醇洗滌等。如在3MPa、-30 -70下，甲醇洗滌氣體后氣體中的下，甲醇洗滌氣體后氣體中的 CO2可以從可以從 33降到降到10gg-1，脫碳十分徹底。，脫碳十分徹

55、底。 脫除脫除CO2的方法很多，工業(yè)上常用的是溶液吸的方法很多，工業(yè)上常用的是溶液吸收法，分為物理吸收和化學(xué)吸收兩種。收法，分為物理吸收和化學(xué)吸收兩種。2.脫碳脫碳 變換氣中含有大量的變換氣中含有大量的CO2(15一一35)，對，對原料氣的精制及氨合成不利。原料氣的精制及氨合成不利。BEA Confidential. | 62 化學(xué)吸收是用氨水、有機(jī)胺或碳酸鉀的堿性溶液為吸收化學(xué)吸收是用氨水、有機(jī)胺或碳酸鉀的堿性溶液為吸收劑，利用劑，利用CO2能與溶液中的堿性物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而將其吸能與溶液中的堿性物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而將其吸收。大中型廠多采用收。大中型廠多采用改良熱堿法改良熱堿法，此法以，此法以

56、K2CO3水溶液為吸水溶液為吸收液，并添加少量活化劑如氨基乙酸或乙二醇胺，緩蝕劑如收液，并添加少量活化劑如氨基乙酸或乙二醇胺，緩蝕劑如V2O5等。吸收解吸反應(yīng)如下：等。吸收解吸反應(yīng)如下：K2CO3 + CO2 + H2O = 2KHCO3 當(dāng)吸收液中添加氨基乙酸，吸收壓強(qiáng)當(dāng)吸收液中添加氨基乙酸，吸收壓強(qiáng)23MPa、溫度、溫度85100時，氣體中的時，氣體中的 CO2可從可從 2028%降至降至 0.2%0.4；解吸壓強(qiáng)為解吸壓強(qiáng)為1030kPa，溫度，溫度105110,用熱堿脫除用熱堿脫除CO2時，時，也脫除了微量的也脫除了微量的H2S。BEA Confidential. | 633.氣體的精

57、制氣體的精制 氣體的精制就是將少量的氣體的精制就是將少量的CO、CO2進(jìn)進(jìn)一步脫除，常用的有銅洗法和甲烷化法。一步脫除，常用的有銅洗法和甲烷化法。甲烷化法甲烷化法 是把是把 CO、CO2轉(zhuǎn)化為對氨合成無害的轉(zhuǎn)化為對氨合成無害的 CH4，主要反應(yīng)是主要反應(yīng)是CO + 3H2CH4 + H2OCO2 + 4H2=CH4 + 2H2O 甲烷化法鎳為主的催化劑作用下，在甲烷化法鎳為主的催化劑作用下，在 280380及壓強(qiáng)及壓強(qiáng) 0.63MPa下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)。此法將下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)。此法將氣體中碳化物總量降低到氣體中碳化物總量降低到10gg-1。BEA Confidential. | 64 制造原料氣

58、按原料的不同有各種流程，原料氣的制造原料氣按原料的不同有各種流程，原料氣的凈化過程依據(jù)原料及其制造方法的差異也有不同的選凈化過程依據(jù)原料及其制造方法的差異也有不同的選擇，其流程有若干種。下面介紹幾種典型的合成氨全擇，其流程有若干種。下面介紹幾種典型的合成氨全流程。流程。 13136 6 氨生產(chǎn)全流程氨生產(chǎn)全流程BEA Confidential. | 65 以煤為原料合成氨的全流程如圖所示。選用了以煤為原料合成氨的全流程如圖所示。選用了改良蒽琨二磺酸法脫硫、氨基乙酸法脫改良蒽琨二磺酸法脫硫、氨基乙酸法脫CO2、加壓、加壓變換等新技術(shù)。變換等新技術(shù)。 BEA Confidential. | 66

59、以天然氣等氣態(tài)烴為原料二段轉(zhuǎn)化法流程如圖。以天然氣等氣態(tài)烴為原料二段轉(zhuǎn)化法流程如圖。特點(diǎn)是把脫硫放在轉(zhuǎn)化之前。有益于轉(zhuǎn)化和變換催特點(diǎn)是把脫硫放在轉(zhuǎn)化之前。有益于轉(zhuǎn)化和變換催化劑，避免轉(zhuǎn)化后把溫度降到常溫下脫硫，節(jié)省和化劑，避免轉(zhuǎn)化后把溫度降到常溫下脫硫，節(jié)省和利用了大量的熱能。利用了大量的熱能。BEA Confidential. | 67采用什么樣的流程，應(yīng)根據(jù)不同的原料，對各工序擬使用采用什么樣的流程，應(yīng)根據(jù)不同的原料，對各工序擬使用的生產(chǎn)方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和綜合評價比較，以求操作可的生產(chǎn)方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和綜合評價比較，以求操作可行和經(jīng)濟(jì)合理。表行和經(jīng)濟(jì)合理。表210210列出了不同原

60、料路線生產(chǎn)氨的經(jīng)濟(jì)列出了不同原料路線生產(chǎn)氨的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。指標(biāo)。6 6技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和綜合利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和綜合利用(1)(1)不同原料制氨的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較不同原料制氨的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較用什么原料，主要取決于來源與價格。用什么原料，主要取決于來源與價格。天然氣制氨的投資最少、能耗最小、成本也較低。天然氣制氨的投資最少、能耗最小、成本也較低。BEA Confidential. | 68 氨的生產(chǎn)成本和工程投資，除與原料、生產(chǎn)方法及流程有氨的生產(chǎn)成本和工程投資，除與原料、生產(chǎn)方法及流程有關(guān)外關(guān)外, , 各種工藝過程的相互影響，還存在一個最佳工藝參數(shù)的各種工藝過程的相互影響，還存在一個最佳工藝參數(shù)的問題。要求按