合成氨合成工艺(共9页).doc
《合成氨合成工艺(共9页).doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《合成氨合成工艺(共9页).doc(9页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上合成氨的生产工艺目录1.概述1.1产品性质1.2产品用途2.生产方法2.1 生产方法(流程图)2.2 工艺过程简述3.过程衡算及主要设备选择4.主要设备一览表5.环境保护、安全和工业卫生1. 概述1.1产品的性质氨(Ammonia,旧称阿莫尼亚)是重要的无机化工产品之一,在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥,除外,诸如、磷酸铵、以及各种含氮都是以氨为原料生产的。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。合成氨指由和在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。别名氨气,分子式为NH3,
2、英文名:synthetic ammonia。世界上的氨除少量从焦炉气中回收外,绝大部分是合成的氨。德国化学家(F.Haber, 1868-1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利,即“循环法”,在此基础上,他继续研究,于1909年改进了合成,氨的含量达到6%以上。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+3H22NH3(该反应为可逆反应,等号上反应条件为:高温 高压,下为:催化剂)合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料
3、和气体原料。经过近百年的发展,合成氨技术趋于成熟,形成了一大批各有特色的工艺流程,但都是由三个基本部分组成,即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。 1.2产品用途氨主要用于制造氮肥和复合肥料,氨作为工业原料和氨化饲料,用量约占世界产量的12。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。液氨常用作制冷剂。 贮运 商品氨中有一部分是以液态由制造厂运往外地。此外,为保证制造厂内合成氨和氨加工车间之间的供需平衡,防止因短期事故而停产,需设置液氨库。液氨库根据容量大小不同,有不冷冻、半冷冻和全冷冻三种类型。液氨的运输方式有海运、驳船运、管道运、槽车运
4、、卡车运。2.生产方法2.1生产方法(流程图)2.2工艺过程简述(1)原料气制备 将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭,通常采用气化的方法制取合成气;渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气;对气态烃类和石脑油,工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。(2)净化 对粗原料气进行净化处理,除去氢气和氮气以外的杂质,主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。 一氧化碳变换过程在合成氨生产中,各种方法制取的原料气都含有CO,其体积分数一般为12%40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2,因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下:CO+H2OH2+CO2 =-41.2kJ/
5、mol 0298H由于CO变换过程是强放热过程,必须分段进行以利于回收反应热,并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换,使大部分CO转变为CO2和H2;第二步是低温变换,将CO含量降至0.3%左右。因此,CO变换反应既是原料气制造的继续,又是净化的过程,为后续脱碳过程创造条件。 脱硫脱碳过程各种原料制取的粗原料气,都含有一些硫和碳的氧化物,为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒,必须在氨合成工序前加以脱除,以天然气为原料的蒸汽转化法,第一道工序是脱硫,用以保护转化催化剂,以重油和煤为原料的部分氧化法,根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多,通常是采用物理或
6、化学吸收的方法,常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。粗原料气经CO变换以后,变换气中除H2外,还有CO2、CO和CH4等组分,其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物,又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同,可分为两大类。一类是物理吸收法,如低温甲醇洗法(Rectisol),聚乙二醇二甲醚法(Selexol),碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法,如热钾碱法,低热耗本菲尔法,活化MDEA法,MEA法等。 气体精制过程经CO变换和CO2脱除后的原料气
7、中尚含有少量残余的CO和CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害,规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。因此,原料气在进入合成工序前,必须进行原料气的最终净化,即精制过程。目前在工业生产中,最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法,是在深度冷冻(-100)条件下用液氮吸收分离少量CO,而且也能脱除甲烷和大部分氩,这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气,深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺,要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7
8、%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下,但是需要消耗有效成分H2,并且增加了惰性气体CH4的含量。甲烷化反应如下:CO+3H2CH4+H2O =-206.2kJ/mol 0298HCO2+4H2CH4+2H2O =-165.1kJ/mol 0298H(3)氨合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压,在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序,是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行,由于反应后气体中氨含量不高,一般只有10%20%,故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下:N2+3H22NH3(g) =-
9、92.4kJ/mol合成氨的催化机理热力学计算表明,低温、高压对合成氨反应是有利的,但无催化剂时,反应的活化能很高,反应几乎不发生。当采用铁催化剂时,由于改变了反应历程,降低了反应的活化能,使反应以显著的速率进行。目前认为,合成氨反应的一种可能机理,首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附,使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用,在催化剂表面上逐步生成NH、NH2和NH3,最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为:xFe + N2FexNFexN +H吸FexNHFexNH +H吸FexNH2FexNH2 H吸FexNH3xFe+NH3
10、在无催化剂时,氨的合成反应的活化能很高,大约335 kJ/mol。加入铁催化剂后,反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126 kJ/mol167 kJ/mol,第二阶段的反应活化能为13 kJ/mol。由于反应途径的改变(生成不稳定的中间化合物),降低了反应的活化能,因而反应速率加快了。催化剂的中毒催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为:由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变,一旦制成一批催化剂之后,便可以永远使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中,其活性从小到大,逐渐达到正常水平,这就是催化剂的成熟期。接着,催化剂活性在一段时间里保持稳定,然后再下降,一直到衰
11、老而不能再使用。活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命,其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。催化剂在稳定活性期间,往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏,这种现象称为催化剂的中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如,对于合成氨反应中的铁催化剂,O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时,催化剂的活性又能恢复,因此这种中毒是暂时性中毒。相反,含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。催化剂中毒后,往往完全失去活性,这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理,活性也很难恢复。催化剂
12、中毒会严重影响生产的正常进行。工业上为了防止催化剂中毒,要把反应物原料加以净化,以除去毒物,这样就要增加设备,提高成本。因此,研制具有较强抗毒能力的新型催化剂,是一个重要的课题。3.过程衡算及主要设备选择过程衡算在燃料气化过程中 ,转化到半水煤气组成中的碳量称为有效消耗。 在实际气化过程中 ,还要以其他形式消耗大量的碳 ,如吹风过程中所燃烧的碳、灰渣中末燃尽的碳以及随着气体带走的尘粒中所含的碳等。 事实上转化为半水煤气中的碳量 ,仅是整个煤气生产过程中原料消耗的一部分 ,其与有效消耗碳量的比值即为碳的有效利用率。生产中 ,希望有效消耗所占总消耗的比例越高越好 ,这就需要努力提高燃料的利用率 ,
13、尽量减少其他形式的碳损失。 原料在气化过程中 ,转入到半水煤气中的碳 ,是以一氧化碳和二氧化碳 2种形式存在的 ,生成甲烷则是不希望发生的副反应。 假如使用的气化原料品种和气化条件已确定 ,则半水煤气中的一氧化碳和二氧化碳的总量也就相应为一定值。 根据国内目前的煤气生产水平 ,半水煤气中一氧化碳含量一般在 28% 31%范围内 ,二氧化碳含量在 7% 8%之间 。 例如 ,生产 1 t氨 ,半水煤气的消耗量用V半表示 ,半水煤气中一氧化碳和二氧化碳总含量为30% +7.5% =37.5%,则每生产 1t氨转入半水煤气中的碳含量为 : 0.375 (12/22.4) V半 =0.200 9V半
14、(kg/t)折成标准煤 : 0.200 9V半 0.84 =0.239V半 (kg/t)式 ,0.375为半水煤气中 CO +CO2组分百分含量 ;12为碳的原子量 ;22.4为标准状况下 ,每千摩尔体积 ,m3;V半为吨氨半水煤气消耗量 ,m;0.84为吨标准煤的含碳量。若吨氨消耗半水煤气 3 200 m,则在 CO 含量30%,CO2含量 7.5%的条件下 (CH4不计 ),吨氨理论消耗碳量为 :0.239 3 200 =764.8 (kg标准煤 )。 实际生产中 ,耗碳量并不是都转化到半水煤气中 。 若碳的有效利用率为 65%,则吨氨耗标准煤为 :764.8 0.65 =1176.6 (
15、kg)。 碳的利用率提高到 70%,则吨氨耗标准煤为 :764.8 0.7 =1092.6 (kg)。如果碳的有效利用率由 65%提高至 70%,则吨氨标准煤可下降 84 kg。 由此可见 ,努力提高碳的利用率是降低消耗的主要途径 ,也是提高企业经济效益的关键。 例如 ,1 个 10 万 t/a合成氨企业 ,煤气生产过程中碳的利用率由 65%提高至 70%,每年节约价值为 :10 0.084 800 =672 (万元 /a)。 式中 ,10为合成氨年产量 ,万 t;0.084为吨氨节约标煤量 ,t;800为目前吨标准煤入炉价格 ,元。 提高碳的有效利用率的途径包括提高吹风效率和控制气效率、降低
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 合成氨 合成 工艺
限制150内