年产19万吨合成氨合成工段初步工艺设计

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

2.2合成氨常见工艺方法

在合成氨的生产中，它的最后一道工序是氨的合成。它主要是把精制的氢氮气体在催化剂的作用下合理的合成为氨。在合成系统中，液氨就是其产品。合成氨行业上的各种工艺流程通常根据压力的高低加以区分[4]。 2.2.1高压法

该法的操作压力70～100MPa，温度为550～650℃。该法有较高的合成效率，反应后混合气中的氨易被分离，流程简单、设备紧凑。但高得合成效率使反应放热量大，使催化剂得温度上升，如果控制不当，不能及时散热，会使催化剂烧坏甚至失活，因此催化剂的使用寿命不长。加上操作过程是高温高压，设备选取及材质都有较高要求，加大了投资。现在工业上采用此法的不多。 2.2.2低压法

该法法的操作压力为10MPa左右，温度控制在400～450℃。该法对压力和温度要求都较低，所以对设备要求不高，管理简单方便，还有较高催化剂的活性。但缺点在于此法所用的催化剂对毒物很敏感，很快会中毒，缩短其寿命，所以要严格控制原料气的精制纯度。加上低压操作，使得合成效率不高，分离不易，流程也不简单。实际生产中，该法已经淘汰。 2.2.3中压法

该法的操作压力为20～60MPa，温度控制在450～550℃。现在中压法技术已经成熟，而且经济性不错。选取正确的合成压力，就要结合设备投资和压缩功耗综合分析。在动力消耗中，全厂消耗最大的当属合成氨的合成系统。但压力并不是功耗取决因素，还要结合工艺指标和流程的布置来判断。实践证明，压力控制在13～30MPa是最好的。经分析，压力控制在15～30Mpa之间，功耗没什么区别，所以现在普遍使用这种方法。

2.3合成氨生产的特点

合成氨生产有以下特点[5]：

①工艺流程长、设备管道多； ②各工序生产操作相互影响； ③生产过程有高度的连续性；

④高温、高压、易燃、易爆、易中毒、易灼伤的条件下生产。

合成氨的生产过程中，有很多繁杂的工序，全程都在高温、高压、易燃、易爆、易中毒等条件下进行，要谨慎控制各种反应因素，稍不留意将不堪设想。加上生产的流程长、有很强的连续性，一直在高温和高压下生产的设备，再加上内部介质的冲刷、渗透

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和外部条件的侵蚀，会增加事故的发生率，特别是火灾、爆炸和重大设备的事故时有发生。但是，我们只要不断认识这一客观规律并熟悉这一客观规律就能实现安全生产。

所以，高温、高压、高纯度是合成氨生产过程中的必然要求。生产期间有一系列化学反应、燃烧、传热、分离等程序。压力、温度、浓度等因素对反应的进行都有影响。这些又受到设备质量、煤质、水质、季节、操作水平、调度与管理等因素的影响，就会让合成氨的生产更加复杂。

2.4氨合成过程的基本工艺步骤

要循环氨合成就应做到以下几点[2]：压缩氮氢原料气且补入循环系统；合成氨及预热循环气；分离氨；回收利用热能；循环使用未反应气体，为保持惰性气体的平衡放出部分循环气等。

(1)气体的压缩和除油

为使新鲜原料气及循环气压缩达到合成所需压力，需要在过程中安装压缩机。使用往复式压缩机时，气体中混合的润滑油和水蒸汽会呈细雾状在气流中漂浮。其中的油不但会造成催化剂中毒，还会在热交换器壁上附着，使交换器传热效率降低，所以一定要去除它。可以用油分离器来去除压缩机每段出口的油，还需滤油器安装于合成系统。一些气体中不含油水的压缩机如离心式压缩机及无油润滑的往复式压缩机，不用安装滤油设备。

(2)气体的预热和合成

对压缩后的氢氮混合气升温，使其达到催化剂的起始活性温度，方可放入催化剂层合成。氨常规运作，采用氨合成产生的热量来对气体加热，也就是换热器中利用反应后的高温气体来对反应前的氢氮混合气加热，使其达到反应温度。当反应达不到自热，要使用塔内电加热炉或塔外加热炉供热。

(3)氨的分离

之所以要进行氨的分离是因为氢氮混合气在氨合成塔催化层里不是全部都会反应生成氨。水吸收法冷凝法是常用的氨的分离方法。

冷凝法是现在常用的分离方法。水和氨冷却气体的过程是在水冷器和氨冷器里操作。后面再安装氨分离器，用来从气相把冷凝下来的液氨分离，将其降压再进入液氮贮槽。氨冷凝时，在液氨里会溶解一些氢氮气及惰性气体。将贮槽里的液氨进行减压，这些气体就会释放出来，称其为“贮罐气”。

(4)气体的循环

通过合成塔的氢氮混合气氨，大多数没有合成为氨。，为了减少情性气体含量，会放空些许剩余的氢氮气，再混合新鲜原料气巡回合成塔内继续氨的合成，这就形成了循环法工艺流程。在设备、管道中流动的气体会有压力丧失，所以过程中要安装循环压缩机来降低压差。

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(5)惰性气体的排除

通过以下三种方法可带出氨合成循环系统的情性气体：①系统泄露些许；②液氨中溶解些许；③放空是主要方式。

在氨合成循环系统中，过程中惰性气体含量各不相同，选择惰性气体含量最高且氨含量最低的位置放空，使放空损耗达到最少。所以，要选取新鲜气加入前且氨已基本分离位置进行放空。采用水吸收法或冷凝法可回收利用放空气中的氨，余下的气体当燃料。

有些工厂设置二循环合成系统，合成系统放空气进入二循环系统的合成塔，接着进行合成反应，放空分离氨后部的分惰性气体，剩下的继续在二循环系统里循环。这样，增加了放空气中惰性气体含量，从而减少了氢氮气损失。

(6)反应热的回收利用

氨的合成反应是放热反应，需要回收该部分反应热。回收的方法有以下几种：

①对反应前的氢氮混合气预热。在塔内放置换热器，拿反应后的高温气体加热反应前的氢氮混合气，让催化剂的达到活性温度。但是该法不能充分吸收热量。现在大多数氨厂用此法来回收。

② 对反应前的氢氮混合气和副产蒸汽预热。既在塔内设置换热器预热反应前的氢氮混合气，又利用余热副产蒸汽。根据不一样副产蒸汽锅炉的设置，有塔内副产蒸汽合成塔(内置式)和塔外副产蒸汽合成塔(外置式)两类。现在通常是采用塔外副产蒸汽合成塔，因为能相对完全的吸收热量。现在使用比较普遍的是在中型氮厂。

③对反应前的氢氮混合气和预热高压锅炉给水预热。该法能使塔内换器的面积较小，继而是塔的体积缩小，还能完全回收热。现在都是一些大型合成氨厂用该法对热量进行回收。

2.5氨合成工艺的选择

氨合成的生产工艺条件的选取要实现产量高，消耗低，工艺简单，设备便宜，操作简单及安全可靠等特点。因此做到以下三点：

①对氨的合成和分离有利； ②对催化剂保护及寿命的延长有利； ③对余热回收利用有利。

因此，氨合成方法的选取要考虑到压力、合成塔的结构型式及其热回收方法。增加压力，有利于反应的平衡和速率。中压法有成熟的技术还经济性。在15～30Pa的范围内，功耗的区别很小，因此采用中压法合成氨技术非常普遍。通常，中小型氮肥厂用32MPa ,大型厂用10～20MPa。

回收合成反应热是节能的途径之一，是必不可少的。不仅要增加热回收率,多产蒸汽, 还要增加回收蒸汽的压力和过热度。高压过热蒸汽的价格较贵,投入较大,要依据整体流程来统一考虑。

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综上所述，该设计使用32Mpa的中压法。用预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收热量，而塔型的选择见设备选型部分。

2.6 生产流程简图

合成塔 废热锅炉 热交换器 放空 油分离器 水冷器

循环机 新鲜气 冷交换器 氨分离器 弛放 氨冷器 液氨储槽 图2.1工艺流程图

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