(完整版)年产30万吨合成氨合成工段工艺设计毕业论文

第一章 合成氨综述

1.1氨的用途

氮元素是生命存在的基础,它是构成蛋白质的重要物质。在我们生活的大气环境中存在有大量的氮,其主要以氮气的形式存在于空气中,其体积占78%(体积分数)以上。把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程,称为固定氮。在实际生产中,固定氮的方法有电弧法、氰氨法及合成氨法。目前,固定氮最方便、最经济的方法就是合成氨,也就是直接由氮和氢合成为氨,再进一步制成化学肥料或用于其它工业。

氨是最重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位。氨主要用于农业生产。合成氨是氮肥工业的基础,氨气本身是重要的氮素肥料,与此同时,氨也可以用于生产其他氮肥,如硝酸铵、复合肥等,这部分约占70%的比例,称之为“化肥氨”。氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料,这部分约占30%的比例,称之为“工业氨”[5] 。氨气可作为生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料[6]。在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中,氨气及其加工产品都是不可缺少的。

1.2 氨的性质

1.2.1氨的物理性质

氨气在常温下是无色有刺激性气味的气体,对人体的眼、鼻、喉等有刺激作用,接触时应小心。如果不慎接触过多的氨而出现病症,应及时吸入新鲜空气和水蒸气,并用大量水冲洗眼睛。氨极易溶于水,在常温、常

压下,1体积水能溶解约700体积的氨。因此,用水喷淋处理漏氨事故,能收到较好的效果。

氨气在水中的溶解度随着压力增大而降低,氨水在溶解时放出大量热,氨水中的氨极易挥发。常压下气态氨气需冷却到-33.35℃(沸点)才能液化,而在常温下需加压到0.87MPa时才能液化。液氨为无色液体,气化时吸收大量的热,因此可以作为制冷剂。 1.2.2氨的化学性质

氨气溶于水以后叫氨水,其显弱碱性,化学性质类似于其他碱性物质,如可以与酸性物质反应,能与一些氧化物反应等。其他的性质如下:

(1) 氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物,并能进一步与水作用,制得硝酸:

(2) 氨与酸或酐反应生成盐类,是制造氮肥的基本反应:

(3) 氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵,进一步脱水成为尿素:

3?CO2? 2NHNHCOO 2N4 H(4) 氨与二氧化碳和水作用,生成碳酸氢铵:

H?3?CO2?2O NH CN4HH3O(5) 氨可与盐生成各种络合物,如CuCl26NH3、CuSO44NH3。

1.3合成氨的生产方法

合成氨的生产主要包括以下步骤 :第一步是造气,即制备含有氢、氮的原料气。第二步是原料气的净化,具体流程有脱硫、转化、变换、脱碳、甲烷化[7]等。第三步是压缩和合成,将纯净的氢、氮混合压缩到高压,

在催化剂与高温条件下合成为氨。合成的氨需要进行冷却分离,才能得到产品,分离后的气体要继续回到合成系统中,补充原料气后继续参与反应。目前氨合成的方法,由于采用的压力的不同,一般可分为低压法、中压法和高压法三种[8]。

(1) 低压法

操作压力低于20MPa的称低压。采用活性强的亚铁氰化物作催化剂,但它对毒物很敏感,所以对气体中的杂质(CO、CO2)要求十分严格。也可用磁铁矿作催化剂,操作温度低。但低压法合成率不高,合成塔出口气体中含氮约8%-10%,催化剂的生产能力比较低,合成流程复杂,生产成本较高,在实际生产中并不适用。

(2) 中压法

压法与低压法中间,但从经济效果来看,设备投资费用和生产费用都比较低。

(3) 高压法

是,催化剂的生产能力较大,氨合成的效率高,合成氨出口气体中含氨达25%-30%。此种方法氨分离效果好,设备和流程比较紧凑,设备规格小,投资少,但由于在高压高温下操作,对设备和管道的材质要求比较高,合成塔需用高镍优质合金钢制造。高压法合成率高,但催化剂层内的反应热不易排除而使催化剂长期处于高温下操作,容易失去活性。

1.4合成工艺条件的选择

1.4.1 操作压力

从化学平衡和反应速率两个方面考虑,提高操作压力对反应是有利的,它不仅能提高设备的生产能力,还可以简化氨的分离流程。但是对设

备的材质和加工提出了更高的要求,操作中催化剂易碎,这会增加反应气体的流动阻力和影响催化剂的使用寿命,操作安全性较差。目前高压法已经淘汰。为保证具有较高的平衡氨浓度,在降低压力的同时,要求催化剂在比较低的反应温度下即有较高的反应活性。所以要根据能量消耗、原料费用、设备投资等综合技术经济效果来选择操作压力。 1.4.2 反应温度

合成氨反应是一个可逆放热反应,当温度升高时,平衡常数下降,平衡时氨含量必定减少,因此必须及时的将反应热移除,以降低合成塔的温度。因此从化学平衡角度考虑,应尽可能采用较低的反应温度。在合成氨反应中使用催化剂是较好的选择,而催化剂必须在一定的温度范围内才具有活性,所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性范围内。生产过程中,随着反应的进行,转化率不断增加,最佳温度随转化率增加而降低。在实际生产中,应尽可能沿着最佳温度曲线进行。 1.4.3 空速

空速是反应气在催化剂床层的停留时间的倒数。空速大,单位体积催化剂处理的气量大,能增加生产能力。但是空速过大,催化剂与反应气体的接触时间太短,部分反应物未参与反应就离开了催化剂表面,进入气流,导致反应速率下降。另外,气量过大,使设备负荷及动力消耗增大,氨分离不完全。因此,空速要保持在一定的范围。 1.4.4 合成塔进口气体组成

(1) 氢氮比

根据理论分析,当原料气中H2与N2的摩尔比为3:1时[9],氨的含量最高。但从动力学角度分析,最适宜氢氮比随着氨含量的变化而变化。从氨的合成反应动力学机理可知,氮的活性吸附是合成氨反应过程中速度的

控制步骤,因此适当提高氮气浓度,对氨合成反应速度有利。在实际生产中,进塔气体的氢氮比控制在2.8~2.9比较适宜。

(2) 惰性气体含量

惰性气体来源于新鲜空气,它们不参与反应因而在系统中积累。惰性气体的存在,无论从化学平衡还是动力学上考虑均属不利。但是,维持过低的惰性气体含量又需要大量排放循环气,导致原料气消耗随之增大。因此,循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。在产中,一般要保持新鲜气中含惰性气体的体积分数在0.5%-1.0%之间,并控制循环气中惰性气体的体积分数在10%-15%之间。

(3) 初始氨含量

当其他条件一定时,进塔气体中氨含量越高,氨净值越小,生产能力越低。初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。对于冷冻法分离氨,初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。为过分降低冷凝温度而过多的增加氨冷负荷在经济上并不可取。操作压力为30MPa左右时,一般进塔氨含量控制在3.2%~3.8%。中国有些厂采用水吸收法分离氨,初始氨含量可在0.5%以下。

1.5合成氨工业的发展

合成氨是化学工业中产量很大的化工产品。目前,合成氨年总消费量(以N计)约为78.2Mt,其中工业用氨量约为10Mt,约占总氨消费量的12%。合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等。世界以天然气制氨的比例约占71%,俄罗斯为92.2%、美国为96%、荷兰为100%;中国仍以煤、焦炭为主要原料制氨, 天然气制氨仅占20%。生产合成氨的方法主要区别

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