合成氨
王俊丽
一、氨合成
（一）氨合成概述
成氨工业诞生于本世纪初，其规模不断向大型化方向发展，目前大型氨厂的产量占世界合成氨总产量的80%以上。氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。
德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。
合成氨反应式如下：N2+3H2≈2NH
3目前中国主要是以煤为主，油气并存的局面，晋开公司就是采用晋城的煤来合成氨，其基本流程图如下：无烟煤、蒸汽、空气→造气→脱硫→变换→脱二氧化碳→压缩→合成氨
（二）原料气的制备
现在我国主要采用三种工艺进行制气：固定床、流化床和气流床。晋开公司使用的是间歇固定床式工艺法来制造原料气。固体燃料油加料机从煤气发生炉顶部间歇加入炉内。吹风时，空气经鼓风机加压自上而下经过煤气发生炉，出风气经过燃料室及废热锅炉回收热量后放空。蒸汽上吹制气时，煤气经过燃料室及废热锅炉回收余热后，再经洗气箱及洗涤塔进入气柜。二次上吹时，气体流向和上吹相同。空气吹净时，气体经燃料室、废热锅炉、洗气箱和洗涤塔进入气柜。此法发生的化学反应为C + O2 →
CO2
C + H2O →
CO + H2
（三）脱硫工段
1、工艺流程
从造气系统来的半水煤气进入气柜，从气柜出口水封进入除尘塔降温除尘，然后送入罗茨风机。从罗茨风机出来的半水煤气经脱硫前冷却塔降温后进入脱硫塔，与脱硫喷淋而下的脱硫溶液逆向接触，除去半水煤气的硫化氢。脱除了硫化氢的半水煤气进入清洗塔，进行清洗、降温后分别进入三个并联的静电除焦塔，除焦除尘后煤气汇入煤气总管，送往压缩机，经压缩机加压后，从压缩机三段出口进入变换。吸收硫化氢后的栲胶溶液经塔底自调阀调节，保持一定液位，靠塔内压力和位差进入再生泵，由再生泵加压后打入再生槽，完成脱硫溶液的再生和析硫过程，再生后的贫液通过再生槽的液位调节器进入循环槽，经脱硫泵打入脱硫塔循环使用。
2、栲胶脱硫
这种方法用栲胶溶液在脱硫塔内与半水煤气逆流接触脱除气体中的硫化氢，吸收硫化氢后的富液经再生泵送往喷射再生槽，再生槽自吸空气喷射再生。
3、反应原理
主要反应：
Na2CO3 + H2S = NaHS + NaHCO3
2NaHS + 4NaVO3 +H2O =4NaOH +2S +Na2V4O9
（四）变换工段
1、变换工段的基本原理
压缩三段送来的半水煤气，在一定温度下CO和水蒸气在催化剂的作用下，发生变换反应生成二氧化碳和氢气，使一氧化碳满足生产要求后送往后序工序
2、变换工段工艺流程
来自压缩三段的半水煤气经丝网除油器分离油水后，经净化炉进一步除油，出油后的半水煤气进入潜热交换器的壳程与管程的变换气换热，温度升高后，此时向半水煤气中添加蒸汽，调节合适的汽气比后进入后换热器的管程与壳程的变换器换热，适当调节冷煤气复线阀的开度，使进变换炉气体温度符合要求后进入变换炉的一段，经过变换炉的一段上部抗毒剂除去对触媒有害的成分，然后进入下部的触媒进行反应，经过一段反应温度升高后，进入后换热器的壳程换热后温度下降，接着进入增湿器的一段，利用喷水气化法对一段进一步降温增加水蒸气含量后进入变换器二段，经过二段抗毒剂及触媒层反应后，进入二段增湿器，经过降温增加水蒸气含量后，进入变换炉三段进一步反应，使一氧化碳满足要求后，离开变换炉。完成一氧化碳变换反应后的变换气经过前热交换的管程后进入软水交换器，与软水换热后，用循环水进一步降温，然后经变换器分离器降冷却下来的蒸汽分离出来后，变换气离开变换系统进入下个工序。
3、反应原理
CO + H2O → CO2 +H2
（五）变压吸附脱碳
1、基本原理
利用固体吸附剂吸收变换气中的硫化氢、二氧化碳，完成变换气的初步净化，使净化气中的二氧化碳含量在百分之0.4-1.3之间。吸收二氧化碳、硫化氢的固体吸附剂经过水环真空泵得到解吸再生。
本装置采用的是变压吸附技术来脱除和提纯二氧化碳。变压吸附是以吸附剂内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点成分，不易吸附低沸点成分；高压下被吸附组分吸附总量增加而低压下被吸附组分总量减少的特点来实现分离。
2、工艺流程
原料气在压力1.5-1.8mpa下进入系统，经流量计计量后进入20台吸附器I及一组程控阀组成的变压吸附PSA-I系统。由吸附塔入口通入原料气，在出口获得8%-14%的半产品气。半产品气进入半产品气缓冲罐稳压后，进入20台吸附器II及一组程控阀组成的PSA-II系统，然后送出界外。PSA-II系统逆放初期解吸气经过一程控阀进入一系统
进入升压缓冲罐稳压后，通过程控阀进入一系统进行与升压；逆放后期通过程控阀就地高空排放。一系统采用20-7-10/V工艺，7塔同时进料，10次均压、逆放、抽真空解吸流程。原料气进入7台正在处于吸附状态的吸附器中，大部分CO2被吸附，其余大部分组分通过吸附剂，在吸附器顶部得到半产品气。其余13台吸附器分别进行其他步骤的操作。20台吸附器依次循环工作，时间上相互交错，以此达到原料气不断输入，半产品气不断输出的目的。二系统采用20-7-9/V工艺，20塔操作，7塔同时进料，9次均压，抽真空解吸流程。半产品气从底部进入7台正在吸附的吸附器中，二氧化碳几乎全部被吸附，其余组分穿过吸附剂，在吸附器顶部得到净化气。其余13台吸附器分别进行其他步骤的操作。20台吸附器依次循环工作，时间上相互交错，以此达到原料气不断输入，半产品气不断输出的目的。
（六）精脱硫工艺
1、基本原理
从变压吸附出来的净化气中含有一定量的硫化氢和有机硫，在一定条件下，在精脱塔里固体精脱硫剂的作用下，将大部分硫化氢及有机硫脱去在工艺指标范围内。
2、工艺流程
来自脱碳工序的净化气先经过第一精脱槽，再进第二精脱槽。一二精脱塔之间有切换复线，可实现两个精脱塔的串并及单独使用。
（七）气体的压缩
1、工作原理
在合成氨生产中，原料气的净化和合成是在一定的压力下进行的，因此需要对气体进行压缩，以达到所需的压力，同时完成气体的输送。晋开主要使用的是王府压缩机，它的压力范围十分广泛，效率较高。
2、工艺流程
来自净化工段的半水煤气，经过分离器分离水分后，进入压缩机一段加压。加压后的气体经冷却器冷却后和油水分离器分离油水后，再送入压缩机二段加压。加压后的气体经二段冷却器及油水分离器分离油水后，送变换工段。从变换气脱硫岗位来的变换气经三段汽水总分离器分离水分后，进入压缩机三段加压，加压后的气体经三段冷却器及油水分离器分离油水后送入变压吸附脱碳工序从脱碳来的净化气经四段总分离器分离油水后，依次进入四五段，然后逐段加压，每段加压、冷却的气体依次冷却、分离，送入下一段加压，由五段分离油水后进入下个工序。
(八）合成氨工艺
1、氨的主要特点
氨在标准状态下是无色气体，比空气密度小，具有刺激性气味。会灼伤皮肤、眼睛，刺激呼吸器官粘膜。空气个氨质量分数在0.5％-1.0%时，就能使人在几分钟内窒息。
氨的相对分子质量为17.3沸点(0.1013MPa)-33.5C冰点一77．7C,临界温度132.4C，临界压力ll．28MPa．液氨的密度0.1013MPa、-334C为0.6813kg?L‘。标准状态下气氨的密度7．714×10E4 kg-L 摩尔体积22．08L?mol-1液氨挥发性很强。气化热较大。 氨基易挥发，可生产含氨15%~30%(质量)的商品氨水，氨溶解时放出大量的热。氨水溶液呈弱碱性，易挥发。 液氨和干燥的气氨对大部分材料没有腐蚀性，但是在有水存在的条件下。对铜、银、锌等金属有腐蚀性。
氨是一种可燃性物质，自然点为630C，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸，常压，室温下的爆炸范围分别为15.5%~28%和13.5%~82% 氨的化学性质较活泼，能与碱反应生成盐。
2、合成氨工艺的流程
（1）分流进塔：反应气分成两部分进塔，一部分经塔外换热器预热，依次进入塔内换热管、中心管，送到催化剂第一床层，另一部分经环隙直接进入冷管束，两部分气体在菱形分布器内汇合，继续反应，这样使低温未反应气直接竟如冷管束，稍加热后，作为
一、二段间的冷激气，从而减少冷管面积和占用空间，提高了催化剂筐的有效容积，并强化了床层温度的可调性。同时仅有65~70%的冷气进入塔内换热器和中心管，减轻了换热器负荷，因而减少了换热面积，相对增加了有效的高压容积，也使出塔反应气温度提高（310~340℃），即回收热品位提高。气体分流进塔还使塔阻力和系统阻力比传流程小。
（2）进塔外换热器的冷气不经环隙，这样温度更低，使进水冷器的合成气温度更低（约75℃左右），提高了合成反应热的利用率，降低了水冷器的负荷和冷却水的消耗。
（3）水冷后的合成气直接进入冷交管间，由上而下边冷凝边分离，液氨在重力和离心力的作用下分离，既提高了分离效果，又减小了阻力。
（4）塔后放空置于水冷、冷交后，气体经连续冷却，冷凝量多，因此气体中氨含量低，惰气含量高，故放空量少，降低了原料气消耗。
（5）塔前补压：循环机设于冷交之后，气体直接进塔，使合成反应处于系统压力最高点，有利于反应，同时循环机压缩的温升不消耗冷量，降低了冷冻能耗。
（6）设备选用结构合理，使消耗低，运行平稳，检修量减少，工艺趋于完善。
（7）选用先进的自控手段，如两级放氨，氨冷加氨，废锅加水，系统近路的控制，均用了DCS计算机集散系统自动化控制，冷交、氨分用液位检测采用国内近几年问世的电容式液位传感器等新技术使操作更加灵活、平稳、可靠，降低了操作强度。
3、氨的净化和输送
由合成车间液氨仓库经液氨升压泵加压后的原料液氨，压力大于2 /20cmkg（表压）， 温度约
来自一段循环系统冷凝器回收的液氨，自氨冷凝器A、B流入液氨缓冲槽的回流室，其中一部分液氨正常为60%，作为一段吸收塔回流液氨用，而其余液氨经过液氨缓冲槽的中部溢流隔板，进入原料室与新鲜原料液氨混合后一起至高压氨泵，这样可使液氨保 持较低的温度以减少高压氨泵进口氨气化。氨缓冲槽压力维持在2/17cmkg左右，设置 在高为23米平面上，是为了具有足够的压头，使液氨回流进入一段吸收塔，同时也为了保证高压氨泵所需要的吸入压头。氨缓冲槽原料室的液氨，进入高压氨泵（单动卧式三联柱塞泵、打液能力为每台 hrM/243 ，反复次数180次/分、电动机250KW、三台高压氨泵一台备用）将液氨加压。
参考文献
（1）周有英，无机盐工艺学[M]，北京：化学工业出版社，1995. （2）倪进方，化工设计[M]，上海：华东理工大学出版社，1994.
（3）刘华，胡文启.钛白粉材料的生产和应用[M]， 北京：科学技术文献出版社，1992.
（4）江体乾，化学工艺手册[M]，上海：上海科技出版社，1990.
(5) 张子峰，合成氨生产技术，北京:化学工业出版社，2006.
