合成氨熱量利用

1、合成氨熱量利用汪興志08 化工班摘 要：合成氨工業(yè)是一項(xiàng)基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)，在化學(xué)工業(yè)中占有很重要的地位。合成氨工 業(yè)的發(fā)展也經(jīng)歷了幾個(gè)漫長(zhǎng)的世紀(jì)，直至今天，合成氨工業(yè)迅猛發(fā)展已如雨后春筍般逐步普 遍應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。所以掌握其工藝基礎(chǔ)對(duì)于我們來(lái)講非常重要。本文就合成氨工業(yè)的發(fā)展、 其工業(yè)生產(chǎn)方法及流程作簡(jiǎn)要的展開(kāi)論述。因?yàn)楹铣砂惫I(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)的能耗大戶，所以合 理的利用和控制其熱量便具有極其重要的意義。本文就此問(wèn)題作重點(diǎn)討論。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：合成氨；合成氨工藝；熱量利用；引言合成氨工業(yè)在化工行業(yè)中占有重要地位，氨主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料，氨作為工業(yè) 原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的12，足以可見(jiàn)

2、合成氨工業(yè)的重要性。但同時(shí)合成 氨工業(yè)也是能耗大戶，合成氨生產(chǎn)從造氣開(kāi)始直到氨的合成都伴隨著熱的過(guò)程，這些熱量的 白白浪費(fèi)是非常可惜的。而如果合理利用和控制合成氨生產(chǎn)放出的熱量，不僅可以節(jié)約生產(chǎn) 中的能耗，降低成本，還可以提高co變換率及氨的合成率。所以我們就要想盡辦法從各種 角度將這些熱量加以利用和控制。1 正文11 合成氨工業(yè)的發(fā)展N +3H =2NH2 2 3 合成氨的化學(xué)原理，寫(xiě)出來(lái)，不過(guò)這樣一個(gè)方程式；但就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)方程式，從 最初實(shí)驗(yàn)室研究到最終成功、實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，卻經(jīng)歷了約150 年的艱難探索。在此期間，無(wú) 數(shù)的科學(xué)家為此做出了卓越的貢獻(xiàn)。從18世紀(jì)末到20世紀(jì)，合成氨

3、都一直處在實(shí)驗(yàn)階段，但 這些實(shí)驗(yàn)階段卻為之后的成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。到20世紀(jì)30年代初，合成氨已經(jīng)成為 世界上廣泛采用的制氨方法。 20世紀(jì)70年代以來(lái)，合成氨工業(yè)的發(fā)展更加迅猛。1.2 合成氨工業(yè)概述1.21 合成氨工藝流程合成氨的化學(xué)方程式為： N2+3H2=2NH3此反應(yīng)是由N和H在200MPa的高壓、500C的高溫和催化劑作用下，經(jīng)過(guò)壓縮冷凝后， 將余料再送回反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)直接合成氨。工業(yè)上的氨除少量從焦?fàn)t氣中回收副產(chǎn)品外，絕 大部分是合成的氨。目前生產(chǎn)合成氨的主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤（或焦炭）等。天然氣制氨：天然氣首先經(jīng)過(guò)脫硫，然后通過(guò)二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過(guò)一氧化碳變

4、換、二氧 化碳脫除等工序，得到氮?dú)浠旌蠚?其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約0.1%0.3%（體積）， 經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為 3： 1 的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回路， 制得產(chǎn)品氨。石腦油制氨:以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)工藝流程與天然氣制氨工藝流程相似。石腦油 先經(jīng)脫硫，然后通過(guò)二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過(guò)一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到氮?dú)?混合氣，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約0.1%0.3%（體積），經(jīng)甲烷化作用除去后, 制得氫氮摩爾比為3： 1的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回路，制得產(chǎn)品氨。重質(zhì)油制氨:重質(zhì)油包括各種深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料

5、氣， 生產(chǎn)過(guò)程比天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法簡(jiǎn)單，但需要有空氣分離裝置。空氣分離裝置制得的氧用于重 質(zhì)油氣化，氮作為氨合成原料外，液態(tài)氮還用作脫除一氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。煤（焦炭）制氨:隨著石油化工和天然氣化工的發(fā)展，以煤（焦炭）為原料制氨的方法在 工業(yè)上已很少采用。但是無(wú)論采取什么方法制氨，其總體的流程都是一樣的。大體流程如下:1.2. 2 合成氨生產(chǎn)工藝條件的控制 濃度：不斷增大反應(yīng)物的濃度有利于反應(yīng)速率的提高，減小產(chǎn)物的濃度有利于平衡的條 件控制，使反應(yīng)不斷向正反應(yīng)方向進(jìn)行。故在反應(yīng)中不斷的補(bǔ)充反應(yīng)物，及時(shí)的分離出產(chǎn)物 對(duì)合成氨生產(chǎn)有利。溫度：由于合成氨反應(yīng)正方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)，故選擇低溫有利于反應(yīng)

6、的進(jìn)行，而考慮溫度 反應(yīng)速率的影響，宜選擇高溫以提高反應(yīng)速率，而高溫勢(shì)必會(huì)加大生產(chǎn)投資，兼顧以上，本 反應(yīng)應(yīng)選擇適宜的溫度。工業(yè)上一般采用500 C左右的溫度。壓強(qiáng)：由于合成氨反應(yīng)正方向?yàn)轶w積減小的反應(yīng)，故選擇高壓有利于反應(yīng)的進(jìn)行，高壓又有利于增大反應(yīng)速率，而壓強(qiáng)要過(guò)高的話，會(huì)使生產(chǎn)投資大大增加。故應(yīng)選擇一個(gè)工業(yè)上 比較適宜的壓強(qiáng)。工業(yè)上一般采用20MPa50MPa的壓強(qiáng)。催化劑：應(yīng)選擇一種合適催化劑以提高反應(yīng)速率。工業(yè)上一般采用鐵觸媒作為合成氨的 催化劑。1.3 合成氨熱量分析合成氨反應(yīng)本身是一個(gè)放熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中放出大量的熱量。再加上合成氨生產(chǎn)從造 氣開(kāi)始直到氨的合成都伴隨著熱的過(guò)程，合

7、成氨過(guò)程中不斷有蒸汽的散失，蒸汽散失的同時(shí) 會(huì)攜帶出一部分熱量。還有該過(guò)程中產(chǎn)生的高溫余熱和低溫余熱等等如果這些熱量不能 加以利用讓它白白浪費(fèi)的話，不僅造成資源和能源的極大浪費(fèi)，而且加大了生產(chǎn)成本。所以 我們要想辦法將這些熱量合理地利用起來(lái)，起到一石二鳥(niǎo)的作用。不僅可以節(jié)約生產(chǎn)中的能 耗，降低成本，還可以提高CO變換率及氨的合成率。正如流程圖所示，將合成氨之后的N、H分離出來(lái)，又以一定的比例循環(huán)至合成爐中進(jìn)行反應(yīng)。這樣做的目的有兩個(gè)：第一，實(shí)現(xiàn)原料的循環(huán)利用以最大限度地利用原料;第二， 原料的循環(huán)必定會(huì)攜帶一定的熱量進(jìn)反應(yīng)爐，不僅實(shí)現(xiàn)了熱量的循環(huán)利用，而且攜帶進(jìn)的熱 量會(huì)加速反應(yīng)速率。而對(duì)高溫

8、余熱和低溫余熱的合理利用可以通過(guò)熱管來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱管的形狀如下：執(zhí)管熱管散熱原理執(zhí)管熱管散熱原理熱管是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由 管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體 沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另 外一段為冷凝端，當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力 差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力 的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速 進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。熱管對(duì)低溫余熱的回

9、收利用：回收低溫余熱預(yù)熱助燃空氣或產(chǎn)生低壓蒸汽作為生產(chǎn)原料 汽。熱管對(duì)高溫余熱的回收利用：回收高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽作為原料蒸汽的補(bǔ)充。熱管回收余熱的優(yōu)點(diǎn)：可以控制固定床催化反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)溫度，使其走向最佳反應(yīng)， 從而提高 CO 變換率和氨的合成率。熱管回收余熱的意義：我國(guó)小化肥廠遍布全國(guó)，蒸汽是小化肥生產(chǎn)的原料之一，歷來(lái)都 是鍋爐房供給的，另一方面小化肥生產(chǎn)又有大量的余熱白白放空?；厥招』蕪S放空的余熱 將其變?yōu)檎羝粌H可以滿足自身工藝生產(chǎn)的需要，而且可以有多余外供。2 結(jié) 束 語(yǔ)合成氨工業(yè)不管是在我國(guó)的化工行業(yè)還是在藥用行業(yè)以及農(nóng)業(yè)行業(yè)都占有舉足輕重的 地位。再加上科技的不斷進(jìn)步，任何一個(gè)化工工藝的過(guò)程都在不斷進(jìn)步，不斷顯現(xiàn)其優(yōu)越性 的一面。這不僅體現(xiàn)在工藝過(guò)程本身的優(yōu)越性，還體現(xiàn)在資源能源利用、環(huán)境保護(hù)方面的優(yōu) 越性。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)工藝流程的時(shí)候要在滿足其自身的工藝要求前提下，實(shí)