合成氨的工藝流程

目錄摘要： 3ABSTRACT 41．概述 51.1合成氨的工藝流程 71.1.1原料氣制備 71.1.2凈化 81.1.3氨合成 92.氮氫比控制 122.1控制方法 122.1.1先進控制 122.1.2優(yōu)化控制 132.2氮氫比控制方案設計 132.2.1基于先進控制算法的氮氫比控制 132.2.2基于先進控制軟件包的氮氫比控制 142.2.3基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮氫比控制 142.3氫氮比控制方案比較 152.4推薦合成氨裝置氫氮比優(yōu)化控制設計方案 163．溫度 173.1反應速度 173.2對溫度的控制 173.3多段冷激式氨合成塔溫度先進控制 184.壓強 205.催化劑 215.1催化劑在還原前的化學組成及其作用 215.2催化劑的還原與鈍化 215.2.1催化劑的預還原 215.2.2催化劑的還原與鈍化 215.3催化劑中毒與衰老 226．合成氨的危險分析 236.1環(huán)境風險識別 236.1.1化學品風險識別 236.1.2生產工藝和設施風險識別 236.1.3重大危險源識別 246.2風險防范措施及應急預案 246.2.1降低事故發(fā)生概率 246.2.2減小事故污染排放量 247．合成氨工藝中的設備改進方案 267.1改造變換爐 267.2改進合成塔內件 267.3改進銅塔內部結構 267.4改造銅液再生器 277.5改造洗氣塔 277.6增設降溫清洗三用塔 288．合成氨裝置腐蝕與防護 298.1碳鋼-液氨體系 298.2奧氏體不銹鋼-氯離子體系 308.3氫腐蝕 318.４二氧化碳腐蝕 329、結論 339.1安全管理 339.2合成氨技術的未來發(fā)展趨勢 34參考文獻 37謝辭 38綜述 39摘要：氨是重要的無機化工原料，也是化肥工業(yè)和有機化工的主要原料，在國民經濟中占有重要地位。合成氨工業(yè)的工藝復雜，合成過程中會產生多種氮氫化物。怎樣控制氮氫之比，使生成的氨氣最大化，是合成氨的工藝分析的主要任務。其中合理的使用催化劑和控制溫度也是使氨氣最大化的主要措施。另外，在合成過程中會產生多種有害物質，怎樣控制有害物質，使有害物質盡可能的轉化為無害物質也是合成氨的主要任務之一。關鍵詞:合成氨；氮氫比；優(yōu)化控制；安全防護ABSTRACTAmmoniaisanimportantinorganicchemicalrawmaterials,chemicalindustryandorganicchemicalisthemainrawmaterial,playsanimportantroleinthenationaleconomy.Complexindustrialprocessammoniasynthesisprocesswillproduceavarietyofnitrogenhydride.Howtocontroltheratioofhydrogenandnitrogentoammoniageneratedtomaximizetheprocessofsyntheticammoniaisthemaintask.Rationaluseofthemandcontrolthetemperatureofthecatalystisthemainmeasurestomaximizeammonia.Inaddition,inthesynthesisprocesswillproduceavarietyofhazardoussubstances,howtocontrolhazardoussubstances,sothatharmfulsubstancesintoharmlesssubstancesaspossibleisoneofthemaintasksofsyntheticammonia.KEYWORDSAmmonia；Ratioofhydrogenandnitrogen；Optimalcontrol；Safety合成氨工業(yè)的主要工藝分析及安防設計1．概述氨是重要的無機化工產品之一，在國民經濟中占有重要地位。農業(yè)上使用的氮肥，除氨水外，諸如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復合肥都是以氨為原料生產的。合成氨是大宗化工產品之一，世界每年合成氨產量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產化學肥料，20%作為其它化工產品的原料。從氨可加工成硝酸，現代化學工業(yè)中，常將硝酸生產歸屬于合成氨工業(yè)范疇。合成氨工業(yè)在20世紀初期形成，開始用氨作火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭服務;第一次世界大戰(zhàn)結束后,轉向為農業(yè)、工業(yè)服務。隨著科學技術的發(fā)展，對氨的需要量日益增長。50年代后氨的原料構成發(fā)生重大變化，近30年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況，解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國氮肥產量僅0.6萬噸，而1982年達到1021.9萬噸，成為世界上產量最高的國家之一。近幾年來，我國引進了一批年產30萬噸氮肥的大型化肥廠設備。我國自行設計和建造的上海吳涇化工廠也是年產30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產中能量損耗低、產量高，技術和設備都很先進。

世界合成氨工業(yè)概況

①生產能力和產量。合成氨是化學工業(yè)中產量很大的化工產品。1982年，世界合成氨的生產能力為125Mt氨,但因原料供應、市場需求的變化，合成氨的產量遠比生產能力要低。近年，合成氨產量以蘇聯、中國、美國、印度等十國最高，占世界總產量的一半以上(表1)。②消費和用途。合成氨主要消費部門為化肥工業(yè)，用于其他領域的（主要是高分子化工、火炸藥工業(yè)等）非化肥用氨，統(tǒng)稱為工業(yè)用氨。目前,合成氨年總消費量(以N計)約為78.2Mt，其中工業(yè)用氨量約為10Mt，約占總氨消費量的12％。③原料。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質油和煤等。1981年，世界以天然氣制氨的比例約占71％,蘇聯為92.2％、美國為96％、荷蘭為100％；中國仍以煤、焦炭為主要原料制氨,天然氣制氨僅占20%。70年代原油漲價后，一些采用石腦油為原料的合成氨老廠改用天然氣，新建廠絕大部分采用天然氣作原料。④生產方法。生產合成氨的方法主要區(qū)別在原料氣的制造，其中最廣泛采用的為蒸汽轉化法和部分氧化法。表1世界合成氨主要生產國產量（kt）國家國家1981年1982年國家1981年1982年蘇聯中國美國印度加拿大法國178901483317300357026502710177601546314060399025002300英國日本荷蘭聯邦德國世界合計21602230220023901100702090201020001900107950據國際肥料工業(yè)協會（IFA）在第77屆年會上發(fā)布的“全球肥料和原材料供需展望”報告估計，全球合成氨產能將由2008年的1.809億t增長至2.178億t。2008年全球合成氨產量為1.528億，比2007年減少了1％。中國、澳大利亞、歐洲、俄羅斯和多巴哥、印度、沙特等國均由于市場需求疲軟而減少，伊朗、加拿大、印度尼西亞、墨西哥等需求繼續(xù)增加。2008年全球合成氨產能比2007年增加500萬t，主要來自中國、非洲、西亞等地區(qū)。2009年到2013年全球將有55套大型合成氨裝置投產，新增裝置將使全球合成氨產能增加2400萬t，其中有1300萬t來自合成氨設備的升級改造，其余來自55套新建裝置。原料結構方面，新增的2400萬t合成氨中將有73％以天燃氣為原料，27％以煤炭為原料，剩余為石腦油或者煉油副產品。該調查數據已經排除了一些不能投產或受各種因素影響延緩的產能。產能增長主要來自東亞（1350萬t）、西亞（750萬t）、非洲（450萬t）、而歐洲和大洋洲將保持平穩(wěn)。據悉，全球新建合成氨裝置中有三分之一來自中國，其余來自阿爾及利亞、特立尼亞、委內瑞拉、沙特、巴基斯坦印度等國家。所以分析合成氨的工藝過程與安全防護是一件非常嚴峻的課題。合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。別名氨氣，分子式為NH3，英文名：syntheticammonia。世界上的氨除少量從焦爐氣中回收外，絕大部分是合成的氨。[1]1.1合成氨的工藝流程1.1.1原料氣制備合成氨主要用于制造氮肥和復合肥料。氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產量的12％。硝酸、各種含氮的無機鹽及有機中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料生產。液氨常用作制冷劑。將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉化法制取合成氣。[2]1.1.2凈化對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。①一氧化碳變換過程在合成氨生產中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分數一般為12%~40%。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。變換反應如下：CO+H2O→H2+CO2ΔH=-41.2kJ/mol由于CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利于回收反應熱，并控制變換段出口殘余CO含量。第一步是高溫變換，使大部分CO轉變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3%左右。因此，CO變換反應既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。[3]②脫硫脫碳過程各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉化法，第一道工序是脫硫，用以保護轉化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。粗原料氣經CO變換以后，變換氣中除H2外，還有CO2、CO和CH4等組分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中CO2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。一般采用溶液吸收法脫除CO2。根據吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一類是化學吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA法，MEA法等。③氣體精制過程經CO變換和CO2脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得大于10cm3/m3(體積分數)。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。目前在工業(yè)生產中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍(<-100℃)條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100cm3/m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應生成CH4和H2O的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分數)一般應小于0.7%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性氣體CH4的含量。甲烷化反應如下：[4]CO+3H2→CH4+H2OΔH=-206.2kJ/molCO2+4H2→CH4+2H2OΔH=-165.1kJ/mol1.1.3氨合成[6]將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產品的工序，是整個合成氨生產過程的核心部分。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反應氫氮氣循環(huán)的流程。氨合成反應式如下：N2+3H2→2NH3(g)ΔH=-92.4kJ/mol隨著合成氨工業(yè)的不斷發(fā)展，對合成氨工藝的要求也越來越高。但目前世界合成氨工業(yè)有許多方面還不成熟，氣體利用效率也不是太高，在生產過程中除了會產生多種有毒氣體外，合成氨的轉化率也不是太高，還能使催化劑中毒，設配老化。同時在世界各國呼吁保護環(huán)境，保護地球，保護我們共同家園的前提下，使環(huán)境不受污染也是一項研究必不可少的一個環(huán)節(jié)。鑒于以上原因，研究出一套合理合成氨工業(yè)方案迫在眉睫。在這里我們從幾個方面來研究：首先，我們從氨的轉化率來看，要使氮氫向氨氣方向轉化，就要增加氣體的量，由于反應是放熱反應，還要升高溫度，但又不能太高，如果溫度太高，一方面會使催化劑失去活性，另一方面會使設配性能發(fā)生變化。同時增大壓力也會使氣體轉化率提高。合成氨的基本理論：合成氨的基本特點3H2+N2=2NH3+Q是可逆反應。即在氫氣與氮氣合成生成氨氣的同時，氨也分解生成氫氣和氮氣。是放熱反應。在生成氨的同時放出熱量，反應熱與溫度、壓力有關。是體積縮小的反應。反應需要有催化劑才能較快的進行。氨合成反應的化學平衡平衡常數：降溫、加壓平衡常數增大。平衡氨含量反應達到平衡時氨在混合氣體中的百分含量，稱為平衡氨含量，或氨的平衡產率。氫氮混合氣體所含的甲烷和氬等不參加氨合成反應的氣體成分，稱為惰性氣體。提高平衡氨含量的措施為降低溫度，提高壓力，保持氫氮比等于3，并減少惰性氣體含量。氨合成動力學反應機理在催化劑的作用下，氫與氮生成的反應是一種多相氣體催化反應。由以下幾個步驟所組成：氣體反應物擴散到催化劑外表面；反應物自催化劑外表面擴散到毛細孔內表面；氣體被催化劑表面（主要是內表面）活性吸附（與普通吸附的區(qū)別在于有化學力參與在內，并放出熱量）；吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學反應，生成產物；產物自催化劑表面解吸；解吸后的產物從催化劑毛細孔向外表面擴散；產物由催化劑外表面擴散至氣相主流。以上七個步驟中，（1）、（7）為外擴散過程；（2）、（6）為內擴散過程；（3）、（4）和（5）總稱為化學動力學的過程。N2（氣相）N2（氣相）N2（吸附）2NH（吸附）2NH2(吸附）2NH3（吸附）2NH3(氣相)氣相中的H2氣相中的H2氣相中的H2脫吸氨氣的轉化率實際上就是氮氫比的控制問題，目前，國內以天然氣為原料的大型裝置采用的是Kellogg傳統(tǒng)蒸汽轉化合成氨工藝的大約占50％；在此工藝中氮氫比調節(jié)大都由DCS實現，由于該控制回路的基本單元未能脫離常規(guī)PID控制算法，同時常規(guī)PID控制算法也不能實現參數自整定；故不能及時將工況控制在最佳狀態(tài)，有時反而造成系統(tǒng)波動，不得不將回路切到手動，導致目前氫氮比自控投用率極低；進而影響合成氨裝置的穩(wěn)定和產量。2.氮氫比控制氮氫比是Kellogg工藝合成氨裝置最為關鍵的參數之一，保持其始終處于最佳狀態(tài)是提高合成氨產量的有效措施。氨合成反應式為N2+3H2—2NH3+Q，其特點是反應放熱，體積縮小，反應可逆。從氨合成催化劑的活性角度分析進塔氣最適宜的氮氫比在2.5左右；而從平衡角度則以3為最高，所以氮氫比在2.5—3范圍內最有利于氨的合成，正常的最佳氮氫比為2.7—2.8。低于2.5或大于3.5會使合成塔床層溫度下降，若持續(xù)時間較長，可能導致床層溫度失控。目前，國內多數Kellogg傳統(tǒng)蒸汽轉化工藝合成氨裝置氮氫比控制由DCS常規(guī)PID控制算法實現，在波動較大、干擾較強、大時滯的情況下，PID參數不適應此狀況。同時常規(guī)PID控制算法也不能實現參數自整定，故不能及時將工況控制在最佳狀態(tài)，有時反而造成系統(tǒng)波動，不得不將回路切到手動，導致目前氮氫比自控投用率極低。而操作工手動調節(jié)氮氫比一次要10—40min才能反映出調節(jié)效果，幾個周期下來，就會使系統(tǒng)長時間處于非優(yōu)化控制狀態(tài)，從而影響合成氨的穩(wěn)定和產量。[5]2.1控制方法2.1.1先進控制先進控制是對那些不同于常規(guī)控制，并具有比常規(guī)PID控制更好的控制效果策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計算機控制算法。通過實施先進控制，可以改善過程動態(tài)控制的性能、減少過程變量的波動幅度；使之更能接近其優(yōu)化目標值，從而使生產裝置在接近其約束邊界的條件下運行，最終達到增強裝置運行的穩(wěn)定性和安全性、保證產品質量的均勻性、提高目標產品收率、增加裝置處理量、降低運行成本、減少環(huán)境污染。2.1.2優(yōu)化控制優(yōu)化控制技術是一門針對過程控制的實用技術，優(yōu)化控制技術只有投入到實際應用中并顯示出較好的控制效果才能真正體現出優(yōu)化控制技術的意義。優(yōu)化控制與先進控制完成的目標是一致的，先進控制較優(yōu)化控制層次高。優(yōu)化控制是在DCS的單回路控制基礎之上，利用DCS內部現有的功能塊構建出一個優(yōu)化控制回路，協調控制多個關鍵參數；適應負荷大范圍的波動。優(yōu)化控制實施成本較低，可以為實施先進控制打下基礎。2.2氮氫比控制方案設計2.2.1基于先進控制算法的氮氫比控制y(k+1)-y(k)=Φ（k）T[u(k)-u(k-1)](1)公式（1）是黑龍江大學韓志剛教授提出的無模型先進控制算法所依賴的“泛模型”公式?！胺耗Ｐ汀钡暮x是希望其能描述所有或絕大多數控制對象的行為和特性。式中y、ψ、u是向量，y是系統(tǒng)輸出，u是系統(tǒng)輸入，ψ是時變增益參數。公式（2）是根據“泛模型”公式（1）推導出來適用于氫氮比控制的無模型先進控制算法公式。式中y、ψ、u是向量，y（k）是系統(tǒng)輸出，u（k）是系統(tǒng)輸入，ψ（k）是時變增益參數，α是正參數，λk是人為可調整的參數，（k）是ψ（k）的估計值。氮氫比無模型先進控制算法是由基于公式（1）泛模型對特征參量ψ（k）的辨識算法和公式（2）基本控制算法在線交互進行二組成的。當經過辨識到（k）值之后，即可以應用公式（2）基本控制算法對系統(tǒng)進行反饋控制，控制的結果將得到一組新的觀測數據，在已有數據中添加這一組新的數據，再對（k+1）進行辨識如此繼續(xù)下去就可實現辨識與控制的一體化。

2.2.2基于先進控制軟件包的氮氫比控制伴隨著預測啟發(fā)式控制、模型算法控制、動態(tài)矩陣控制在工業(yè)過程控制中的大量實際運用，出現了許多非參數模型預估控制的工程化軟件包。經過模型辨識、優(yōu)化算法、控制結構分析、參數整定和有關穩(wěn)定性和魯棒性等一系列研究，基于非參數模型預估控制的工程化軟件包成為目前過程中應用最成功，也最具有前途的先進控制策略。[13]國外許多著名的軟件公司推出了基于非參數模型預估控制的多變量約束協調控制軟件包，如StpoinInc的SMAC及其核心軟件IDCOM-M。上述控制軟件包均可實現氫氮比控制，但購買控制軟件包費用昂貴，對使用方技術人員素質要求高，同時對使用方技術人員而言實施控制過程為“黑箱”，伴隨工藝變化需要軟件公司技術支持，服用費用較高。2.2.3基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮氫比控制基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮氫比控制的設計思路，是利用DCS內部現有的工程的功能塊構建出優(yōu)化控制回路。C回路的基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮氫比內部復雜控制是一套具有較強的自適應能力、抗干擾能力和客服大時滯現象的“前饋-比值-三串級”調節(jié)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以水\碳控制系統(tǒng)的總碳流量FX0204ＰＶ作為該系統(tǒng)的前饋信號，由合成氣Ｈ２∕Ｎ２調節(jié)器AIC411、新鮮氣的Ｈ２∕Ｎ２調節(jié)器AIC410與工藝空氣流量調節(jié)器ＦＩＣ００３組成三串級調節(jié)系統(tǒng)，對進入二段爐（１０３－Ｄ）的工藝空氣流量進行控制；以此來調節(jié)新鮮氣Ｈ２∕Ｎ２和合成氣Ｈ２∕Ｎ２。2.3氫氮比控制方案比較上述三種氫氮比控制方案設計思路不同，控制目標相同，不同之處如下：表2三種氫氮比控制比較表2三種氫氮比控制比較設計方案基于先進控制算法的氫氮比控制基于先進控制軟件的氫氮比控制基于優(yōu)化常規(guī)過程控制（PID）的氮氫比控制A公司B公司Ｃ公司設計成本（萬元）８０２００１５外設成本（萬元）３２０無優(yōu)點基于過程數學控制；適用于大滯后多變量；適用于常規(guī)控制無法滿足要求的復雜控制和基于工藝原理的模型頂估；可以實現控制目標基于非參數模型預估控制的工程化軟件包是目前過程控制中應用最成功的先進策略；經驗豐富，技術實力雄厚；可以實現控制目標實現簡單無模型單回路技術人員較容易理解，實施有把握；投資少可充分利用C公司技術人員可自行維護控制缺點數學方法過于復雜，核心算法掌握在開發(fā)商手里，Ａ公司員工無人掌握該核心內容；系統(tǒng)的維護和調整十分被動，在工況發(fā)生變化的情況下只能靠源源不斷的投資進行調整；投資較大?？刂七^程對Ｂ公司技術人員基本是“黑箱”；維護基本需要軟件開發(fā)公司支持；適用于大型煉油化工裝置系統(tǒng)優(yōu)化；投資大。各控制之間的參數計算和系統(tǒng)各串級回路的參數計算復雜。2.4推薦合成氨裝置氫氮比優(yōu)化控制設計方案優(yōu)化控制與先進控制完成的目標是一致的，但先進控制較優(yōu)化控制層次高，他是借助計算機的飛速發(fā)展，通過計算機高速的計算能力，利用現代控制理論，用數學模型模擬出裝置的特點，預測出整個裝置各個參數的關聯變化，統(tǒng)一協調優(yōu)化整個系統(tǒng)。但ＤＣＳ的單回路控制水平較高，單回路調節(jié)要求靈敏準確，都投在自動狀態(tài)，裝置在高負荷狀態(tài)下運行，通過傳統(tǒng)的控制手段已無法提高生產能力、節(jié)能降耗，所以必須借助于先進控制。[8]比較而言，優(yōu)化控制更適合目前裝置的運行水平，適合負荷大范圍波動，能夠協調控制幾個關鍵參數；實施成本較低，并且為最終實施先進控制打下基礎。3．溫度3.1反應速度反應速度隨溫度升高顯著加快，將某種催化劑在一定成產條件下具有最高生產率的溫度稱為最適宜溫度，最適宜溫度與空間速度、壓力等有關。經生產實踐得出氨合成操作溫度控制在470—520度較為適宜。[14]8060806040203.2對溫度的控制對合成氨溫度的控制實際上是對氨合成塔溫度的控制。在我國，中小型合成氨裝置占絕大多數，但裝置自動化程度非常低。主要原因是：過去愛先進控制軟件售價昂貴，國內中小型企業(yè)承擔不起，中小型裝置硬件水平低，設備與儀表缺乏維護與保養(yǎng)，可靠性差，生產不穩(wěn)定，增加了自動化控制軟件的投運難度。連續(xù)冷管換熱式氨合成塔由于全塔只有一個熱點，不存在段間耦合，控制復雜度較小，因此有部分此類氨合成塔溫度實現了自動控制，其控制方案主要有：串級PD控制、前饋反饋控制、分程控制和增益調度控制等。但這些控制方案難以推廣到多段冷激式氨合成塔上，主要原因在于：①氨合成塔溫度控制回路是一個大慣性、大純滯后系統(tǒng)，PD控制器在這類系統(tǒng)中應用效果不佳。②沒有考慮多段冷激式氨合成塔內部各段溫度之間的耦合作用。③對氨合成塔床層溫度的影響因素考慮不夠全面。3.3多段冷激式氨合成塔溫度先進控制根據多段冷激式氨合成塔工藝特點，設計全塔溫度先進控制方案：[9]①階梯式廣義預測控制器對于大慣性、大純滯后、強干擾工業(yè)過程對象應用效果好。使用它代替PD控制器，在氨合成塔床層溫度控制上會取得良好的控制效果。②充分考慮四段床層溫度之間的耦合作用，將每段熱點溫度作為下一段熱點溫度控制回路的前饋。③一段床層溫度是全塔溫度控制的關鍵，采用選擇控制方案，對冷副熱氣閥、冷副冷氣閥、循環(huán)近路閥分別設計GPC（generalizedpredictivecontrol）控制器，選擇按控制順序的要求判斷并選擇當前控制器和控制閥。④充分考慮影響合成塔床層溫度的外部因素，分析他們對各段溫度影響的強弱，對一段溫度引入操作壓力、入塔氣體溫度、循環(huán)氫、氨冷溫度前饋，消除這些因素對床層溫度的影響，穩(wěn)定一段溫度，在一段溫度穩(wěn)定的前提下，二、三、四段只需引入操作壓力和循環(huán)前饋，保證床層溫度能夠應對負荷大幅度加量或減量即可。四段冷激式氨合成塔溫度先進控制方案如圖3所示：圖3四段冷激式氨合成塔溫度先進控制方案4.壓強對于一個反應前后系數不相等的化學反應來說，壓力在整個反應過程中起著非常重要的作用。合成氨反應是一個氣體體積縮小的反應，在反應過程中，依據化學平衡的基本規(guī)律，增加反應物的量能使氣體向氣體體積縮小的方向移動，使生成物的量加大。由于壓縮機型式、操作壓力、氨分離析冷凝級數、熱能回收形式以及各部分相對位置差異，氨合成工藝流程也不相同。操作壓力在600-1000MPa稱高壓法，在20-40MPa稱中壓法。10-20MPa稱為低壓法。中壓法氨合成的工藝流程，在技術和經濟上都比較優(yōu)越，因此目前國內外普遍采用中壓法，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值（合成塔出入口氨含量之差）越高，合成塔的生產能力也就越大。氨合成系統(tǒng)的能量消耗主要包括原料氣壓縮，循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。實踐證明，操作壓力在32MPa左右總能量消耗比較低。[10]5.催化劑可以可以作氨合成催化劑的物質很多，如鐵、鉑、錳、鎢和鈾等。但由于以鐵為主體的催化劑具有原料來原廣，價格低廉，在低溫下有較好的活性抗毒能力強，使用壽命長等優(yōu)點、廣泛采用。5.1催化劑在還原前的化學組成及其作用鐵催化劑在還原之前，以鐵的氧化物狀態(tài)存在。其主要成分是三氧化二鐵(Fe2O3）和氧化亞鐵(FeO)。此外，催化劑中還加入各種促進劑。促進劑又稱助催化劑，它本身沒有催化活性，但加入催化劑中，可改善催化劑的物理結構，從而提高催化劑的活性。合成氨鐵催化劑中，普遍采用的促進劑有三氧化二鋁(A12O3)、氧化鉀(K2O)和氧化鈣(CaO)等。5.2催化劑的還原與鈍化5.2.1催化劑的預還原為了使合成氨系統(tǒng)在短時間內投入生產，將鐵催化劑在合成塔外預先進行還原，即所謂催化劑的預還原。5.2.2催化劑的還原與鈍化催化劑中氧化鐵不能加速氨合成反應速度，必需將其還原成活潑的鐵，才具有催化活性，常用還原方法是將制成的催化劑裝在合成塔內通入氫氮混合氣，使催化劑中的氧化鐵被氫氣還原成金屬鐵。FeO+H2+Fe+H2O-QFe2O3+3H2=2Fe+2H2O-Q催化劑的還原程度用還原前催化劑中鐵的氧化物被還原的百分率表示稱還原度。還原后的活性鐵遇到空氣會發(fā)生強烈的氧化反應，放出的熱量能使催化劑燒結失去活性。

鈍化方法是將壓力降到0.5~1MPa，溫度降到50~80度，用氮氣置換系統(tǒng)后逐漸導入空氣使氮氣中氧含量在0.2~0.5%.5.3催化劑中毒與衰老催化劑的催化能力一般稱為催化活性。有人認為：由于催化劑在反應前后的化學性質和質量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠使用下去。實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達到正常水平，這就是催化劑的成熟期。接著，催化劑活性在一段時間里保持穩(wěn)定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用?；钚员３址€(wěn)定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往因接觸少量的雜質而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現象稱為催化劑的中毒。一般認為是由于催化劑表面的活性中心被雜質占據而引起中毒。中毒分為暫時性中毒和永久性中毒兩種。對于合成氨反應中的鐵催化劑，進入合成塔的新鮮混合氣，含有微量的有毒氣體，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時，催化劑的活性又能恢復，因此這種中毒是暫時性中毒。相反，含P、S、As的化合物則可使鐵催化劑永久性中毒。催化劑中毒后，往往完全失去活性，這時即使再用純凈的氫、氮混合氣體處理，活性也很難恢復。催化劑中毒會嚴重影響生產的正常進行。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本。因此，在合成氨的工藝分析過程中，要嚴格控制催化劑的使用。[14]6．合成氨的危險分析安全防護的首要任務是做好危險識別，分析在合成氨的過程當中存在哪些危險因素，哪些突發(fā)事故，從而做出防范與應急措施。[12]6.1環(huán)境風險識別環(huán)境風險識別一般可分為三個部分：（1）化學品風險識別；（2）生產工藝和設施風險識別；（3）重大危險源識別。6.1.1化學品風險識別對于合成氨過程中涉及的化學品（含化工原輔料、中間產品、最終產品及“三廢”），需進行物質危險性判定。物質危險性包括物質的毒性和火災、爆炸危險性。氨《劇毒化學品目錄》（2002年版）對化學品進行急性毒性分級，名錄中無規(guī)定的按《化學品安全標簽編寫規(guī)定》（GB15258-1999）判定。按化學品的閃點、爆炸極限、火災危險性等物化特性，對照《危險化學品名錄》（2002版），對化學品進行化學燃爆特性的分類。由此確定一氧化碳、甲烷、甲醇為本項目主要的易燃品，液氨為本項目的主要毒害化學品。6.1.2生產工藝和設施風險識別化工生產過程大都在高溫高壓條件下進行，加上介質的特殊化學特性，大都具有易燃、易爆、毒性等危險，事故的多發(fā)性和嚴重性是化學工業(yè)獨有的特點，因此對于化工生產過程設施風險識別顯得非常重要。在實施評價時，可按《固有危險度評價取值表》中規(guī)定的物質、容量、溫度、壓力操作、管道長度和閥門數量等參數進行賦值和計算，求出危險單元的固有危險度，確定危險等級：高度危險（Ⅰ級）、中度危險（Ⅱ級）、低度危險（Ⅲ級）。6.1.3重大危險源識別從固有危險度Ⅰ級的單元中進一步分析判斷，篩選出重大危險源。重大危險源的識別是根據《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》（HJ／T169-2004）附錄A《重大危險源辨識》中有關危險物質的定義和危險物質在生產場所和儲存場所臨界量來進行篩選。6.2風險防范措施及應急預案6.2.1降低事故發(fā)生概率近年來，氨設施發(fā)生事故及造成的危害列于榜首【10】，統(tǒng)計資料表明同行業(yè)氨氣發(fā)生事故的概率一般在1×10﹣5次／a。因此，企業(yè)加強生產過程、生產設備、生產人員的管理，提高業(yè)務素質和風險防范意識，以減少事故發(fā)生概率。6.2.2減小事故污染排放量措施之一是提高事故處理反應能力，減少事故排放時間；其二是進一步完善液氨儲罐區(qū)的噴淋系統(tǒng)，事故發(fā)生后污染物的擴散量可減少70％左右，減小下風向半致死濃度影響范圍，降低事故風險值。廠區(qū)應設有事故池，一旦甲醇、液氨等發(fā)生火災或泄漏，吸收或消防產生廢水直接排放會造成二次污染事故，必須首先匯入應急反應池，待處理達標后方可排放。應急反應池容量不得小于消防用水量，否則化學品隨消防用水泄入水體，將造成重大污染事故。企業(yè)必須在平時擬定應急預案，以應對可能發(fā)生的有毒化學品事故，一旦發(fā)生事故，即可以在有充分準備的情況下，對事故進行緊急處理?；瘜W工業(yè)風險事故的應急計劃包括應急狀態(tài)分類，應急計劃區(qū)和事故等級水平、應急防護、應急醫(yī)學處理等。7．合成氨工藝中的設備改進方案[11]7.1改造變換爐增設布氣、集氣設施。這對變換爐第二、三層尤為重要，因為變換爐的通氣截面較大，容易產生急流和緩流，甚至產生死角，使觸媒不能充分發(fā)揮作用，所以有的化肥廠變換觸媒的利用率不高。為此，設法合理改變布氣、集氣方式，使氣體上下垂直均勻地通過觸媒層，加強對CO的轉化，提高觸媒利用率，并可增加處理氣量。在變換爐各段底部增設減阻器，減少觸媒層阻力。因為鋪設在底部在變換爐各段底部增設減阻器的鐵絲網孔跟本身就較小，觸媒又堵住一部分；加上生產過程觸媒粉化，氣體沖震粉粒下沉也會堵塞孔眼，使觸媒層阻力集中于此。故增設減阻器可減少阻力，使觸媒層壓差大大減小。7.2改進合成塔內件增設觸媒筐底部減阻器，合成觸媒層的阻力也同樣集中在觸媒底部鐵絲網（花板）處。很多廠合成塔壓差大，通過對比試驗證明阻力主要來自觸媒筐底部孔板處（鐵網）。為此，增設減阻器或用從高壓機更換下來的廢舊小彈簧代替，能使合成塔的壓力差減少，而且簡便易行。7.3改進銅塔內部結構增設氣液再分布器。近幾年很多廠家改上甲醇、脫碳、低變流程，使原料氣中的CO、ＣO2含量有不同程度的降低，減輕了精練負荷，減少銅液循環(huán)量。加上銅塔規(guī)格大小不一、填料種類多等因素及使用廠因擔心銅塔帶液，不同程度的有意少裝填料，造成銅塔壁流嚴重。致使部分銅液不能與原料氣充分接觸，洗滌能力不能很好的發(fā)揮。部分廠微量（CO+CO2含量）長期偏高，原料氣成分稍有波動或碳化調塔時，很容易造成微量跑高事故。故此增設氣、液再分布器，讓氣液充分接觸，提高銅液吸收能力，減少銅液循環(huán)量，降低了銅泵電耗。銅塔噴頭與填料層之間的距離，可由下法判別：在導液管口放一燈泡，使射出的光圈和銅塔相同處為宜。7.4改造銅液再生器增設上排污口。再生器銅液出口在其中下部，由于銅液再生器內的溫度較高，若銅液內有異物及油污雜質，溫度高時容易上浮，而積存在液面上層，長期積存如此。即使趁檢修之際，將銅液全部放出也不容易帶出。因為銅液從再生器底部先排放，剩余的上浮異物便粘掛在器壁和管壁上。當開車補銅液時，又使壁上粘附的異物浮到再生器的液面上，覆蓋解吸表面，影響再生效果。因此，增設上排污口，在正常生產中可隨時排放上浮的異物，確保再生完全。改原人空孔為快開式插板，直接從此處加銅，并可去掉原話銅桶。取消原蒸汽盤管（或蒸汽夾套）或改為逆流降溫管，可將下加熱器溫度提高，再生器溫度降低。即減少氨揮發(fā)，又降低了水冷和氨冷的負荷，同時可降低銅比，省加空氣。7.5改造洗氣塔增設氣水再分布器，防止冷卻水沿壁下流和氣體沿塔壁偏流，可提高洗滌效率，并節(jié)水。改進氣柜水封。將氣柜入口前水平管部分改為擴大的偏平管，煤氣總管在入氣柜前其下端插到偏平管內，然后增設擋板。在擋板后最低處加溢流管，插入回水池或地溝內。在不連續(xù)送煤氣或停車檢修時，氣柜內的氣體將水壓進垂直管內形成了自動水封。停車不需工人動手封氣柜，開車時不用排放水封，開停方便。正常生產送氣時阻力小，不送氣時便自動封住，不使煤氣倒流，可以代替洗氣箱和洗氣塔水封。7.6增設降溫清洗三用塔該塔可設在羅茨風機和脫硫塔之間，羅茨風機出口氣進入其上段；其下段出口氣再進羅茨風機；中間連通為安全水封近路，此水封截面積應大于羅茨風機近路管與上水管截面之和。其作用：①降低羅茨風機出口氣體溫度，提高脫硫效率；②降低羅茨風機入口氣體溫度，并清除灰塵和焦油；③確保羅茨風機安全，避免羅茨風機和高壓機在異常情況下吸空氣進入系統(tǒng)。當高壓機跳閘時，羅茨風機出口沖破水封，進羅茨風機入口打循環(huán)，并為高壓機停車卸壓不放空創(chuàng)造安全條件，不會損壞設備和管道。當羅茨風機跳閘時，高壓機可從安全水封近路抽煤氣，通過脫硫塔維持短期生產。氣柜到高壓機之間不會形成負壓，更不會造成各塔排液或水封負壓吸空氣進系統(tǒng)，避免系統(tǒng)的爆炸事故。8．合成氨裝置腐蝕與防護合成氨裝置中主要存在腐蝕環(huán)境為液氨、氯離子、氫氣和二氧化碳等。幾中常見的腐蝕為碳鋼—液氨腐蝕體系，奧氏體不銹鋼—氯離子腐蝕體系，以及氫腐蝕和二氧化碳腐蝕體系等。針對不同的腐蝕類型，提出了消除設備殘余應力、控制降低有害介質含量、合理選材以及涂層防護等措施。[15]8.1碳鋼-液氨體系這種腐蝕多發(fā)生在輸送液氨的管線中。如果同時符合下列各條件，即為液氨的應力腐蝕環(huán)境：（1）介質為液態(tài)氨，質量分數不高（≤0.2％），且有可能受空氣（Ｏ２或ＣＯ２）污染的場合；（２）介質溫度高于－５℃。液氨受空氣污染后，由于存在Ｏ２或ＣＯ２，會促使液氨引起的應力腐蝕破裂，這類破裂是陽極溶解型的應力腐蝕破裂，反應方程式如下：陽極反應：陰極反應：陽極反應：陰極反應：整個反應：整個反應：當有CO2存在時：當有CO2存在時：可見，在CO2存在時，銨離子加速了碳鋼應力腐蝕破裂。在液氨應力腐蝕環(huán)境中使用碳鋼應防止空氣污染，同時可采取下列措施：（1）焊接后做消除應力熱處理；（2）控制焊接接頭的硬值HB小于、等于200；（3）使液態(tài)氨質量分數大于0.2％（0.2％~1％），水起到緩蝕劑的作用，可使遭受膜破壞的金屬重新鈍化。液氨的儲存和運輸大部分用碳鋼或低合金鋼制；壓力容器。近年來國內外多次發(fā)生液氨儲罐破裂爆炸事故，事故分析表明，很多是由于應力腐蝕造成的。另外，對未發(fā)生事故的液氨球罐進行檢查，相繼發(fā)現了不同程度的數量很多的裂紋，這些裂紋大都分布在長期處于液面下面的南極板與下溫帶組焊的周向焊縫上。液氨受空氣污染生成的氨基甲酸銨對碳鋼有強烈的腐蝕作用，使鋼材表面的鈍化膜產生破裂，并在此產生陽極型腐蝕。由于焊縫處殘余應力較高，所以應力腐蝕嚴重。許多資料表明，液氨球罐所用的鋼材強度越高，產生應力腐蝕裂紋的傾向越大。此外，容器的工作溫度愈高、液氨中氧含量越高，其應力腐蝕也越嚴重。采取下列措施有利于防止液氨對儲存容器的應力腐蝕：（1）采取措施盡量消除焊接殘余應力，冷壓封頭必須經過熱處理；（2）盡可能用低溫用鋼的低碳鋼來焊制液氨儲罐；（3）盡量保持較低的工作溫度；（4）減少空氣污染。另外，可在液氨中加入0.1％-1％的水。實驗和實踐表明，液氨中含有2％的水有緩蝕作用，但對高強度鋼作用不明顯。8.2奧氏體不銹鋼-氯離子體系近年來，在化工裝置中鉻鎳不銹鋼（奧氏體）的用量越來越多，據統(tǒng)計，其用量約占不銹鋼用量的80％。但奧氏體不銹鋼在含有對應力腐蝕敏感離子（如Clˉ，OHˉ等）的溶液中，受應力的部分則可能產生危險應力腐蝕破壞。尤其是含Clˉ的溶液，在造成奧氏體不銹鋼應力腐蝕破裂的事故中約占70％以上。Clˉ質量濃度越大，約容易開裂，但并沒有明確的不發(fā)生開裂的臨界值。有這樣一個例子，鉻鎳不銹鋼換熱器中，管和管板之間的縫隙中積存了含有Clˉ的冷卻水，結果9個月就損壞了。因此，設計者選用材料前要認真鑒別水質，選擇合適材料，避免事故的發(fā)生。在合成氨裝置中，表面冷凝器的作用是將合成四大壓縮機的驅動透平排氣進行冷凝。該設備是固定管板式熱換器，管程走循環(huán)水，殼程走蒸汽冷凝液。此外，奧氏體不銹鋼管道的隔熱材料，如巖棉及其他礦棉類等，其Clˉ的質量分數一定要低于規(guī)定值。對奧氏體不銹鋼管道或對連有奧氏體不銹鋼管道或設備的管道進行水壓試驗時，水中的Clˉ質量分數不得超過25μg∕g。奧氏體不銹鋼管道法蘭用的非金屬墊片，其Clˉ含量不得超過50μg∕g。否則將會產生應力腐蝕。8.3氫腐蝕化肥廠合成氨裝置的特點決定了合成氨生產為高溫、高壓以及工藝介質中含有各種腐蝕性氣體，入硫化氫、二氧化硫、氫氣、甲烷和氮氣等。因此，設備和管道在運行中既要承受高溫、高壓，還要面臨這些工藝介質的腐蝕問題，其中較為突出、對安全生產危害較大的問題就是高溫氫腐蝕問題。合成氨廠中的氨合成塔、高溫變換爐、二段轉化爐、轉化廢熱鍋爐、甲烷轉換爐、合成氣過熱器及合成氣廢熱鍋爐等都是典型的容易發(fā)生高溫氫腐蝕的區(qū)域。高溫氫腐蝕是鋼暴露在高溫高壓的含有氫氣的介質中時所發(fā)生的一種氫致損傷的形式。高溫氫腐蝕一般發(fā)生在工作溫度為250-600℃、工作壓力為1-73.5MPa是情況下。溫度在500℃以上時，氫分壓即便只有0.1MPa，碳鋼也會發(fā)生氫腐蝕；而在200℃以下，就是在較高氫分壓的情況下碳鋼也會發(fā)生氫腐蝕。高溫氫腐蝕的防護措施主要有以下幾點：（1）從設備和管道的選材方面考慮，在材料的安全使用界限內選擇抗氫蝕的材料。設備選材時遇到氫腐蝕環(huán)境的設備一般按照納爾遜曲線進行選材。（2）在壓力容器設計時，考慮采用應力最小的結構。如在合成廢熱鍋爐設計中，對U型管板的設計采用了放射狀的布管方式，以此來減少大厚度管板上的熱應力。（3）在設備和管道的制造和檢修中要把好焊后熱處理關，制定合適的熱處理工藝，并在實施中嚴格按照工藝規(guī)程執(zhí)行。對于熱處理后的硬度測試值超過ＨＢ２８０的情況，一定要重新進行熱處理。（4）對設備和管道進行定期檢查，通過超聲波側厚、磁粉檢測等手段發(fā)現高溫氫腐蝕的早期征兆。另外，對一些高溫設備和管道的隔熱襯里，要進行認真的檢查和補修，保證其完好。8.４二氧化碳腐蝕一般認為腐蝕的原因是二氧化碳溶于水后對部分金屬材料有很強的腐蝕性，二氧化碳腐蝕類型的特征是呈現局部的點蝕，二氧化碳破壞行為在陰極和陽極表現不同，在陽極處鐵不斷溶解導致了均勻腐蝕和局部腐蝕，在陰極處二氧化碳溶于水形成碳酸，釋放出氫離子。氫離子是強去極化劑，極易奪取電子還原，促進陽極鐵溶解而導致腐蝕，同時氫原子進入鋼中，導致金屬構件的開裂。為防止二氧化碳腐蝕可采取以下防護措施：（1）采取防腐蝕的材料，含鉻的不銹鋼表現出優(yōu)良的抗腐蝕性能，隨著鉻含量增大，合金的腐蝕速率降低；（2）管道內涂防腐蝕涂層。9、結論綜上所述，在人們把能源看的越來越重要的今天，氨作為重要的化工原料，在國民經濟中起著舉足輕重的作用。從而合成氨的工藝分析與安防設計也顯得越來越重要，除了上面介紹的內容外，降低合成氨的能耗也是相當重要的。首先，從原材料方面來講，要充分利用自然界中現有的豐富資源去合成氨。其次，要遵循可持續(xù)發(fā)展的思想，由于合成氨是一個可逆反應，要循環(huán)利用合成氨的反應物與生成物。第三，要節(jié)約用電，合理利用合成氨生產過程中的余熱，將吹風氣潛熱回收，氨合成副產蒸汽壓力提高到3.82MPa送發(fā)電，背壓1.3MPa、0.4MPa供尿素、合成氨工藝使用。9.1安全管理安全防護設計的重點是做好安全管理，堅持“安全第一，預防為主”的原則。提出科學的安全管理方針。安全管理要從幾個方面入手，首先，要建立健全的安全管理體系，提高安全管理水平的需要，改善安全生產規(guī)章制度不健全，管理方法不適應、安全生產狀況不佳的現象。其次，要進行安全教育，讓工人們進行入廠“三級教育”，了解所從事行業(yè)的安全隱患。第三，要有相應安全設施及事故處理應急預案，對生產的全過程進行監(jiān)控，從而實現生產的最優(yōu)化，一方面不能盲目的擴大投入；另一方面又不能取消和減少安全技術措施經費來降低成本。要在確保安全目標的前提下，在經濟投入、人力投入和物資投入上堅持最優(yōu)化原則。所以下面就具體合成氨的工藝過程進行安全分析：首先、工藝指標執(zhí)行情況各廠壓加強工藝指標管理，嚴格考核制度，強化工作紀律。工藝指標的考核多數長廠采取定期考核工藝指標合格率制度。由車間考核班組，生技處考核車間，一般每半月或每月舉行一次。工藝指標的修訂，多數廠采?。堪朐禄蛎吭拢?次的辦法。也可以采取隨時修訂的辦法。近年來，絕大多數廠工藝指標合格率為百分之百，合格率比過去有較大幅度提高，但個別廠某些工藝指標控制不夠嚴格，主要表現在：①水碳比控制偏高。例如川化廠擔心脫碳熱量不夠，水碳比高達3.8-3.9。②二段爐超溫。例如美日型廠二段爐熱點溫度設計值小于1003℃，實行運行時超溫現象時有發(fā)生。③一段爐爐管溫差控制不嚴。④脫碳再生熱耗偏高。合成氨生產中1％的能量消耗在脫碳。⑤氫氮比控制不嚴，多數長的氫氮比控制指標為2.8-3.1。但個別廠在較長時間里控制氫氮比嚴重失調，在1.8-4.0范圍大幅度波動，使得103-J壓縮機功耗上升。其次、基礎資料管理近2年來各廠對合成氨裝置進行了較大規(guī)模的技術改革。但由于安排不周，許多項目上了以后，技術資料整理工作未能及時跟上。還有就是工藝流程圖比較模糊，現場技術人員只能靠記憶來指導生產，容易導致錯誤。第三、催化劑管理運用了失效的催化劑，導致生產產物變成了其他物質。再就是催化劑的量控制的不好。第四、能源管理這就要求要建立健全的能源管理制度，做到不浪費、不混用，要循環(huán)利用，回收反應熱，在塔內置換熱器，用反應的高溫氣體預熱反應前氫氮會混合氣達到催化劑的活性溫度，還可以在反應后把高溫氣體通過塔內的熱換器預熱反應前氫氮混合氣，后再通過塔外熱換器預熱高壓鍋爐給水。最后、就是要把合成好的氨裝在密封氣瓶當中，并貼上標簽，說明產品情況。9.2合成氨技術的未來發(fā)展趨勢[16]根據合成氨技術發(fā)展的情況分析，估計未來合成氨的基本生產原理將不會出現原則性的改變，其技術發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產成本，提高運行周期，改善經濟性”的基本目標，進一步集中在“大型化、低耗能、結構調整、清潔生產、長周期運行”等方面進行技術的研究開發(fā)。（1）大型化、集成化、自動化，形成經濟規(guī)模的生產中心，低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。單系列合成氨裝置生產能力將從2000t/d提高至4000-5000t/d；以天然氣為原料制氨噸氮能耗已經接近了理論水平，今后難以有較大幅度的降低，但以油，煤為原料制氨，降低能耗還可以有所作為。①在合成氨裝置大型化的技術開發(fā)過程中，其焦點主要集中在關鍵性的工序和設備，即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術、合成氣壓縮機。a．合成氣制備。天然氣自熱轉化技術和非催化部分氧化技術將會在合成氣制備工藝的大型化方面發(fā)揮重要作用。Topsose公司和Lurgi公司均認為ATR技術是適合大型化的合成氣制備技術，并推出了基于此的大型化制氨技術。Texaco和中國工程公司研發(fā)費催化部分氧化技術，為合成氣制備工藝的大型化進行技術準備。b．合成氣凈化技術。以低溫甲醇洗、低溫液氨洗為代表的低溫凈化工藝，有可能在合成氣凈化大型化中得以應用。c．氨合成技術。以Uhde公司的“雙壓法氨合成工藝”和Kellogg公司的“基于釕基礎催化劑KAAP工藝”將會在案合成工藝的大型化方面發(fā)揮重要的作用。[7]d．合成氣壓縮機。針對大型化的合成氣壓縮機正在開發(fā)之中，以適應于未來產量可能高達3000-5000t/d甚至更高的裝置。②在低耗能合成氨裝置的技術開發(fā)過程中，其主要工藝技術將會進一步發(fā)展。a．合成氣制備工藝單元。預轉化技術、低水碳比轉化技術、換熱式轉化技術。b．CO變換工藝單元。等溫CO變換技術（以Ｌｉｎｄｅ公司的等溫變換塔ＩＳＲ為代表，催化床層內裝Ｕ型旁管或其他型式散熱設備，管內走鍋爐給水，逆向流動；控制反應床層溫度不超過２５０℃，達到降低CO目的），低水氣CO變換技術。c．ＣＯ２脫除工藝單元。無毒、無害、吸收能力更強、再生熱耗更低的凈化技術。d．氨合成工藝單元。增加氨合成轉化率（提高氨凈值），降低合成壓力、減少合成回路壓降、合理利用能量。開發(fā)氣體分布更加均勻、阻力更小、結構更加合理的合成塔及其內件；開發(fā)低壓、高活性合成催化劑，實現“等壓合成”。（2）以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結構調整和以“多聯產和再加工”為核心的產品結構調整，是合成氨裝置“改善經濟性、增強競爭力”的有效途徑。全球原油供應處于遞減模式，正處于總遞減曲線的中點，預計到2010年原油將出現自然短缺，需用其他能源補充。石油時代將逐步轉入煤炭時代，原油的加工產品輕油、渣油的價格也將隨之持續(xù)升高。目前以輕油和渣油為原料的制氨裝置在市場經濟條件下，已經不具備生存的基礎，以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結構調整勢在必行；借氮肥裝置原料結構的調整之機，及時調整產品結構，聯產氫氣及多種C1化工產品亦是裝置改善經濟性的有效途徑。①潔凈煤氣化技術。以Texaco水煤氣化和Shell粉煤氣化為代表的潔凈煤技術、以及相應的合成氣凈化技術，將在“油改煤”結構調整中發(fā)揮重要的作用，并在大型化和低能耗方面將會取得重大的進展和實質性的突破。②天然氣制合成氣技術。天然氣自然轉化技術、非催化部分氧化技術，以及相應的合成氣凈化技術，也將在“油改氣”結構調整中發(fā)揮重要的作用，并在大型化和低能耗方面將會取得重大進展和突破。③聯產和再加工技術。聯產氫氣和多種C1化工產品及尿素的再加工技術亦將得到高度重視，并在合成氨、尿素裝置是系統(tǒng)集成、能量優(yōu)化方面取得進展。（3）實施與環(huán)境友好的潔凈生產是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產過程中不生產或很少生產副產物、廢物，實現或潔凈“零排放”的潔凈生產技術將日趨成熟和不斷完善。(4)提高生產運轉的可靠性，延長運行周期是為了合成氨裝置“改善經濟性、增強競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產運轉率、延長運行周期”的技術，包括工藝優(yōu)化技術、先進控制技術等將越來越受到重視。參考文獻[1]吳玉萍．合成氨工藝[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2008[2]麥德明．合成氨生產工藝學[M]．北京：烴加工出版社，1989[3]陳留拴．大型合成氨事故預防[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2000[4]沈浚．合成氨[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2001[5]楊春升．小型合成氨廠生產操作問答[M]．北京：化學工業(yè)出版社，1998[6]趙育詳．合成氨工藝[M]．北京：化學工業(yè)出版社，1985[7]錢宏達．高中化學[M]．南京：南京師范大學出版社，2004[8]姜圣階．合成氨工學第一卷．大連：石油化學工業(yè)出版社，1978[9]雷志發(fā)．合成氨合成工段的用能研究[M]．西化大學：2009[10]石家?。?979年以來鍋爐壓力容器壓力管道重大事故簡介[J].中國鍋爐壓力容器安全，2000，16（2）；30-31[11]合成氨．上海吳涇化工廠制造01979年獲上海市化工局優(yōu)質產品獎[12]蔡榮華．合成氨裝置工藝狀況調查[J]．化工部化肥