合成氨工藝完整版本

氨的合成工藝摘要：目前，合成氨的反應(yīng)機(jī)理，是先利用氮分子在鐵催化劑的表面進(jìn)行化學(xué)吸附，減弱氮原子間的化學(xué)鍵，然后讓化學(xué)吸附的氫原子與表面上的氮分子不斷地作用，在催化劑表面生成—NH、—NH2及NH3，最后讓氨分子在表面上脫吸生成氣態(tài)的氨。關(guān)鍵詞：合成氨無(wú)機(jī)化工凈化過(guò)程催化機(jī)理氨是無(wú)機(jī)化工中的重要產(chǎn)品，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要位置。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上使用的氮肥，都是以氨為原料生產(chǎn)的。由于合成氨的廣泛使用，使氨成為大宗的化工產(chǎn)品，現(xiàn)在世界上每年的合成氨產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1億噸，其中的有80%氨用來(lái)生產(chǎn)化肥，20%用作其它的化工產(chǎn)品原料。所謂合成氨是指將氮和氫在高溫高壓環(huán)境下利用催化劑直接合成的氨，分子式為NH3。世界上的氨絕大部分是合成氨，只有少量是從焦?fàn)t氣中回收來(lái)的。合成氨的原料分為氣體原料、液體原料和固體原料。經(jīng)過(guò)百年的研究發(fā)展，合成氨技術(shù)日臻成熟，形成了很多種不同的工藝流程，這些工藝都是由三個(gè)基本部分組成，分為原料氣的制備過(guò)程、凈化過(guò)程和氨的合成過(guò)程。一、工藝流程（一）合成氨的工藝流程1.原料氣制備。首先利用天然氣和煤等原料制成含氮和氫的粗原料氣。一般情況下固體原料煤和焦炭，采用氣化方法制成合成氣；渣油則采用非催化部分氧化方法得到合成氣；而石腦油和氣態(tài)烴類是利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制得合成氣沈之宇,張慶武,閻鏡予,薛美盛,吳剛,孫德敏;沈之宇,張慶武,閻鏡予,薛美盛,吳剛,孫德敏;合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)的兩步逐級(jí)正交優(yōu)化[J];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào);2010年02期2.凈化。將粗原料氣再進(jìn)行凈化處理，除去雜質(zhì)氣體。該過(guò)程主要有變換過(guò)程、脫硫脫碳過(guò)程和氣體精制過(guò)程三步。（1）一氧化碳變換過(guò)程在合成氨的生產(chǎn)中，各種方法的原料氣都含有CO，所占的比例在12%~40%。而CO在合成氨生產(chǎn)中是無(wú)用的，所以，要除去原料氣中的CO，保留氫和氮。具體變換過(guò)程如下：CO+H2O→H2+CO2=-41.2kJ/mol0298HΔCO在變換過(guò)程中會(huì)釋放很多熱量，必須采取分段進(jìn)行的方式以利于反應(yīng)熱的回收利用。第一步是高溫變換，讓大部分CO變換為H2和CO2；第二步是低溫變換，進(jìn)一步將CO的含量降到0.3%左右。（2）脫硫脫碳過(guò)程粗原料氣中含有硫和碳的氧化物，這些氧化物會(huì)使合成氨在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)催化劑中毒，必須在氨的合成工序前進(jìn)行脫除，工業(yè)脫硫的方法很多，通常是采用化學(xué)或物理吸收的方法，主要有低溫甲醇洗法和聚乙二醇二甲醚法等。粗原料氣經(jīng)過(guò)CO變換以后，氣體中含有H2、CO、CO2和CH4等組分，而CO2既能使氨合成催化劑中毒，同時(shí)又是制造碳酸氫銨和尿素等氮肥的重要原料。所以在CO2的脫除過(guò)程中要兼顧這兩方面李彬;氨復(fù)合吸附劑的制備研究[D];四川大學(xué);200李彬;氨復(fù)合吸附劑的制備研究[D];四川大學(xué);2009年多數(shù)情況采取溶液吸收法脫除CO2。具體脫除分為兩大類，物理吸收法和化學(xué)吸收法。（3）氣體精制過(guò)程原料氣雖然經(jīng)過(guò)CO變換和CO2脫除，但還含有少量的CO和CO2。生產(chǎn)工藝規(guī)定CO和CO2總含量不能大于10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù))，否則容易導(dǎo)致催化劑中毒。所以，在原料氣進(jìn)入合成工序之前，要進(jìn)行最終的凈化，也就是精制過(guò)程。最終凈化法分為甲烷化法和深冷分離法。甲烷化法是在催化劑的作用下使少量CO、CO2和H2反應(yīng)，生成CH4與H2O的一種凈化過(guò)程。利用這種方法可以使氣體CO、CO2的含量降低到10cm3/m3以下，在脫除碳的過(guò)程中要消耗部分H2，而且使惰性氣體CH4的含量增加。甲烷化法反應(yīng)如下：CO+3H2→CH4+H2O=-206.2kJ/mol0298HΔCO2+4H2→CH4+2H2O=-165.1kJ/mol0298HΔ深冷分離法是液氮洗法，在深度冷凍(<-100℃)的條件下利用液氮吸收少量CO，同時(shí)也能脫除甲烷和大部分氬，獲得100cm3/m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法常和空分、低溫甲醇洗結(jié)合在一起使用。3.合成氨。將經(jīng)過(guò)凈化的氮、氫混合氣進(jìn)行壓縮產(chǎn)生高壓，再利用催化劑的作用合成氨。由于反應(yīng)后氣體中氨的含量降低，只有10%~20%，所以，采取未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)流程方式。氨合成化學(xué)反應(yīng)如下：N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol（二）合成氨的催化機(jī)理目前，合成氨的反應(yīng)機(jī)理，是先利用氮分子在鐵催化劑的表面進(jìn)行化學(xué)吸附，減弱氮原子間的化學(xué)鍵，然后讓化學(xué)吸附的氫原子與表面上的氮分子不斷地作用，在催化劑表面生成—NH、—NH2及NH3，最后讓氨分子在表面上脫吸生成氣態(tài)的氨。反應(yīng)方程式為：xFe+N2→FexNFexN+［H］吸→FexNHFexNH+［H］吸→FexNH2FexNH2＋［H］吸FexNH3xFe+NH3如果沒有催化劑的作用，氨的合成反應(yīng)需要的活化能很高。加入鐵催化劑后，反應(yīng)分為生成氮化物和氮?dú)浠飪蓚€(gè)階段。前一階段的反應(yīng)活化能是126kJ/mol～167kJ/mol，后一階段的反應(yīng)活化能為13kJ/mol。反應(yīng)活化能降低，反應(yīng)速率加快陳運(yùn)根,劉華彥,孫勤,程榕,賈繼寧;陳運(yùn)根,劉華彥,孫勤,程榕,賈繼寧;氨合成工藝技術(shù)的新進(jìn)展[J];化肥工業(yè);2010年05期（三）催化劑的中毒催化劑在合成氨的過(guò)程中，因接觸了少量的雜質(zhì)而使活性顯著降低甚至被破壞的現(xiàn)象稱為催化劑中毒。中毒又分為永久性中毒和暫時(shí)性中毒兩種。在合成氨反應(yīng)中的鐵催化劑，CO、CO2、O2和水蒸氣等都能夠使催化劑中毒。利用純凈的氮、氫混合氣體通過(guò)中毒的催化劑，又能恢復(fù)催化劑的活性，這種中毒稱為暫時(shí)性中毒。相反，含S、As、P的化合物會(huì)使鐵催化劑永久性中毒，即催化劑中毒后，完全失去活性，即使再用純凈的氮、氫混合氣體處理，也很難恢復(fù)其活性。二、生產(chǎn)方法合成氨的主要原料有重質(zhì)油、天然氣、石腦油和煤（或焦炭）等。1.重質(zhì)油制氨。重質(zhì)油是指經(jīng)過(guò)各種深度加工剩余的渣油，可以用部分氧化法制取合成氨的原料氣，生產(chǎn)過(guò)程要比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡(jiǎn)單，但此方法需要用到空氣分離裝置將制得的氧用于重質(zhì)油氣化，而氮作為氨的合成原料以外，液態(tài)的氮還用來(lái)脫除甲烷、一氧化碳和氬氣的洗滌劑。2.天然氣制氨。天然氣先經(jīng)過(guò)脫硫，在通過(guò)二次轉(zhuǎn)化，分別經(jīng)過(guò)一氧化碳變換和二氧化碳脫除等工序，得到氮?dú)浠旌蠚怏w，使其一氧化碳和二氧化碳的濃度降到0.1％～0.3％（體積），在經(jīng)過(guò)甲烷化作用除去得到氫氮摩爾比是3的純凈氣，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后送入氨合成回路得到氨李貴賢,崔錦峰,張建強(qiáng),張漢鵬,索繼栓;李貴賢,崔錦峰,張建強(qiáng),張漢鵬,索繼栓;天然氣制氨工藝技術(shù)比較與進(jìn)展[J];化肥工業(yè);2011年01期用石腦油做原料的合成氨生產(chǎn)流程和這一流程基本一樣。3.煤（焦炭）制氨。由于石油化工與天然氣化工的快速發(fā)展，用煤（焦炭）做原料制取氨的方法已經(jīng)很少采用了。近年來(lái)隨著能源格局的顯著變化，煤制氨的方法又重新被重視起來(lái)，國(guó)外主要采用粉煤氣化技術(shù)