簡議合成氨工藝中的方法與技巧

馬永勝

摘 要：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。合成氨主要用作化肥、冷凍劑和化工原料生產(chǎn)，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。本文簡述了合成氨工藝流程，對合成氨工藝中的方法與技巧進(jìn)行了論述分析。

關(guān)鍵詞：合成氨；工藝流程；方法；技巧

1 合成氨工藝流程的分析

世界上的氨除少量從焦?fàn)t氣中回收副產(chǎn)外，絕大部分是合成的氨。①原料氣制備。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(zhuǎn)化法制取合成氣。②凈化。對粗原料進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫氮以及氣體精制過程。③氨合成。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(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%-20%，所以采用未反應(yīng)氫氮循環(huán)的流程。

2 合成氨工藝中的方法與技巧分析

合成氨工藝采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法，首先油田伴生氣加壓至4.05MPa，經(jīng)預(yù)熱升溫到371℃在脫硫工序脫硫后與水蒸汽混合，進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行轉(zhuǎn)化制H2反應(yīng)，一段轉(zhuǎn)化爐出來的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐，在此引入空氣，轉(zhuǎn)化氣在二段爐內(nèi)燃燒掉一部分H2，放出熱量以供進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，同時獲得N2。二段轉(zhuǎn)化氣經(jīng)廢熱鍋爐余熱回收后，進(jìn)入變換系統(tǒng)，氣體中的CO與水蒸汽反應(yīng)，生成CO2和H2，從變換系統(tǒng)出來的氣體經(jīng)脫碳、甲烷化后為合成氨提供純凈的氫氮混合氣，氫氮混合氣經(jīng)壓縮至14.0MPa，送入合成塔進(jìn)行合成氨反應(yīng)。

結(jié)合鈷鉬催化劑的特征，加氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)可在260～400℃范圍內(nèi)進(jìn)行。但溫度對各個轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響是不同的，有機硫在350℃時，隨溫度上升其反應(yīng)速度增加較快，但高于370℃后，反應(yīng)速度的增加就不顯著；若達(dá)到430℃以上，則烴類加氫分解及其它副反應(yīng)將加劇，從預(yù)防高溫下的結(jié)焦和裂化反應(yīng)考慮，應(yīng)對催化劑床層的最高溫度加以限制，最適宜的操作溫度須根據(jù)原料烴和催化劑的性能來確定。

氫分壓對轉(zhuǎn)化深度和轉(zhuǎn)化速度都有重要影響。氫分壓增加，轉(zhuǎn)化速度加大，循環(huán)氫氣量與所要求的脫硫率和原料烴的性質(zhì)有關(guān)。對天然氣脫硫，以加氫轉(zhuǎn)化后氣體中的H2濃度在3～5.5%為宜。加氫轉(zhuǎn)化的氫氣是一秒鐘都不能中斷的，因為氫氣不僅是脫硫的原料，而且又可以防止高級烴裂解析碳或結(jié)焦。

甲烷化以后的合格氫氮氣是氨廠最理想的氫源，并且其可以依靠自身的壓力進(jìn)入加氫轉(zhuǎn)化器。氣體從合成氣壓縮機的低壓缸出口引出，不經(jīng)冷卻送到加氫轉(zhuǎn)化器的入口，與已經(jīng)預(yù)熱的原料天然氣匯合后進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行加氫反應(yīng)。當(dāng)合成氣壓縮機停車或其它原因而使富氫氣量低于某一給定值，就需要改合成回路的吹出氣以保證氫流量。合成氣壓縮機停車時，這個臨時氫源一般只能用4個小時，壓力就不夠了。此時還有另外兩個氫源，一個來自二氧化碳吸收塔的出口，一個來自合成氣壓縮機吸入罐的出口。這兩個配氫線從原料氣壓縮機的段間引入。

烴類蒸汽轉(zhuǎn)化是一個吸熱反應(yīng)，因此無論從加快反應(yīng)平衡還是提高速度方面來看，提高溫度有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，溫度愈高，殘余甲烷含量愈低。但轉(zhuǎn)化溫度高，會使?fàn)t管使用壽命降低、燃料消耗增加。另外，過低的甲烷含量有可能使二段轉(zhuǎn)化爐超溫。所以，一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度控制指標(biāo)應(yīng)綜合多種因素進(jìn)行考慮，一般轉(zhuǎn)化爐的反應(yīng)溫度通常為800℃左右。

并且水蒸汽濃度愈高，對轉(zhuǎn)化反應(yīng)愈有利，在其它條件相同時，水碳比愈大，殘余甲烷含量愈低。因此，在烴類蒸汽轉(zhuǎn)化過程中加入過量的水蒸汽。由于加入過量的水蒸汽，轉(zhuǎn)化后剩余的水蒸汽能夠滿足后續(xù)變換工序的需要，同時還為脫碳工序提供再生熱源，因此，適當(dāng)提高水碳比對后續(xù)工序也是有利的。但水碳比并非愈大愈好，當(dāng)水碳比增大到一定數(shù)值后，對轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響已不明顯。另外，水碳比增加，即蒸汽量增大，爐管阻力將加大，導(dǎo)致燃料消耗增加，同時還會影響二段爐的操作控制，因此過大的水碳比既不經(jīng)濟(jì)，又不利于穩(wěn)定操作。

二段轉(zhuǎn)化反應(yīng)是在一個自熱式的內(nèi)襯耐火材料的圓筒式反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行的，在此引入空氣，空氣中的氧與一段轉(zhuǎn)化出口氣中的H2發(fā)生燃燒，燃燒熱用來進(jìn)一步轉(zhuǎn)化殘余甲烷。同時補入系統(tǒng)的空氣量，可滿足合成反應(yīng)對氮氣的需要。

應(yīng)用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法合成氨廠普遍采用兩段變換。第一段為高溫變換，大部分CO在這一段通過變換反應(yīng)脫除，操作溫度在330～485℃，溫升不超過120℃，高變出口CO含量為2～4%；第二段為低溫變換，CO濃度在這一段趨向平衡值，操作溫度在180～260℃，溫升不超過45℃，低變爐出口CO濃度為0.2～0.5%。

壓力對變換反應(yīng)平衡無影響，而變換催化劑的活性卻隨壓力提高而增加。在相同的溫度、水氣比和空速條件下，壓力愈高，變換率也愈大，但其效果愈來愈小。高變催化劑在使用之前先要活化，將Fe2O3還原為Fe3O4。

3 結(jié)束語

合成氨工業(yè)是基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。氨是化學(xué)工業(yè)的重要原料之一，具有非常廣泛的用途，因此對合成氨工藝中的方法與技巧進(jìn)行分析具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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