合成氨工作原理与工艺流程

赵秋霞

摘要：本文通过介绍氨合成的基本原理，研究了温度，压力、空速以及氢氮比对氨合成反应的影响，阐述了往复循环机，透平循环机，合成塔工艺流程

关键词：氨工作；原理；工艺流程

Abstract: This paper introduces the basic principle of ammonia synthesis, analyzes the effects of temperature, pressure, space velocity and ratio of hydrogen to nitrogen of ammonia synthesis reaction, elaborated the reciprocating cycle engine, turbine circulation machine, synthetic tower process

Key words: ammonia; principle; technical process

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

一、氨合成的基本原理

氨是由气态氢和氮在氨触媒的作用下反应生成的，其反应式为：3H2+N2=2NH3+热量这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，对其反应机理存在着不同的观点，一般认为：氮在铁催化剂上被活性吸附，离解为氮原子，然后逐步加氢，连续生成NH、NH2和NH3。即：

N2（扩散）→2N（吸附）→2NH(吸附）→2NH２（吸附）→ 2NH３（脱附）→2NH３（扩散到气相）由质量作用定律和平衡移动原理可知：1.温度升高，不利于反应平衡而有利于反应速度。 2.压力愈高愈有利于反应平衡和速度。3.氢氮气（比例3:1）含量越高越有利于反应和速度。4.触媒不影响反应平衡，但可以加快反应速度。

二、温度对氨合成反应的影响

1、氨合成反应是一个可逆放热反应。当反应温度升高时，平衡向着氨的分解方向移动；温度降低反应向着氨的生成方向移动。因此，从平衡观点来看，要使氨的平衡产率高，应该采取较低的反应温度。

2、但是从化学反应速度的观点来看，提高温度总能使反应的速度加快，这是因为温度升高分子的运动加快，分子间碰撞的机率增加，同时又使化合时分子克服阻力的能力加大，从而增加分子有效结合的机率。

3、总之，温度低时，反应有利于向合成氨的方向进行，但是氨合成的反应速度较低；提高温度不利于向氨的合成方向移动，但反应速度可以增加。在实际生产中反应温度的选择主要决定于氨合成催化剂的性能。

三、压力对氨合成反应的影响

1、氨的合成反应是一个分子的氮与三个分子的氢结合生成两个分子的氨，即氨合成反应是分子数目减少、体积缩小的反应，提高压力，可使反应向着生成氨的方向进行。对于氨合成反应来说，提高压力就是提高反应气体的浓度，从而增加反应分子间碰撞的机会，加快了反应的速率。

2、总之，增加压力对氨的合成反应是有利的，既能增大平衡转化率，又能加快反应速率。但压力也不宜过高，否则，不仅增加动力的消耗，而且对设备和材料的要求也较高。根据我国具体情况，目前在小型合成氨厂，设计压力一般为31.4MPa。

四、空速对氨合成反应的影响

1、气体与催化剂接触时间的长短，通常用空速来表示。它的物理意义是：在标准状况下，单位时间内在1m3的催化剂上所通过的气体体积。其单位为m3(标)气体/（m3催化剂•h）,或简写为h-1。

2、在一定的合成条件下，空速增加，气体与催化剂接触时间减少，出合成塔气体氨含量降低。增加空间速度可以提高氨的产量。但由于空间速度的增加，每生产一吨氨所需的循环气量，输送气体所需克服的阻力等都要增大，因而消耗的能量也随之加大。尤其是空间速度过大，从合成塔出来的气体带出的热量增多，会使催化剂床层的温度难以控制，并使循环气中氨不易冷凝。

五、氢氮比对氨合成反应的影响

根据平衡移动原理，如果改变平衡体系的浓度，平衡就向减弱这个改变的方向移动。氨合成反应的进行，是按H2/N2=3：1的比例消耗的，因此提高氢气、氮气的分压，维持H2/N2=3：可以提高平衡氨含量。从氨合成反应速度可知，在非平衡的状态下，适当增加氮的分压对催化剂吸附氮的速度有利，因为氮的活性吸附是氨合成反应过程的控制步骤。在一般的生产条件下，氨产率只能达到平衡值的50%～70%，因此，在生产中应适当提高氮的比例，一般控制循环气中氢氮比在2.2～2.8之间较为适宜。

六、往复循环机工艺流程

经合成反应，水冷器冷却、氨分离器分离后的混合气体，进入循环机气缸压缩提高压力，再送入系统与新鲜气混合进入合成塔。

七、透平循环机工艺流程

1、主气体工艺流程从高压机来的新鲜气少部分进入保护气系统，大部分经过滤油器滤油后与从氨分出来的气体混合，经冷凝塔、氨冷器、再进入冷凝塔分离氨后，从冷凝塔二次出口出来，分两路从机身两侧对称进入高压筒体内，气体从电机与高压筒体的环隙纵向流过，带走电机散发的热量，然后再经中间接筒的气孔与保护气汇合进入叶轮，经压缩后送至合成塔。从合成塔出来的气体经水冷器冷却（Ⅱ系统先经中锅），再经氨分离器分离氨后与高压机来的新鲜气混合进入冷凝塔，依此循环。

2.、保护气工艺流程从高压机岗位来的少量新鲜气经小氨冷器冷却后进入气水分离器分离掉其中的水和油，再经硅胶干燥器吸收气体中残存的水份，干燥后的气体进入透平机电机的定子与转子间的环隙，直接带走电机的热量，与循环气在中间接筒汇合后再进入透平机的叶轮压缩。

3.、硅胶再生工艺流程由高压机送来的少量新鲜气或事故氮气（500-700Nm3/h）经氨冷器冷却、气水分离器分离水和油后，进入电加热器提高温度（≤180℃）后进入需再生的硅胶干燥器，依靠气体的热量将硅胶吸附的水份蒸发并进行干燥，出干燥器的气体由放空管放空或回收，同时将水份带走。当干燥器气体出口温度达100-120℃后表明再生合格。

八、合成塔工艺流程

1、自压缩机来的新鲜气分离油水后，进入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ系统与循环机来的循环气同时进入滤油器分离油污，经Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ系统冷凝塔上部予冷后，入氨冷器进行二次冷却，入冷凝塔下部进行二次分离，气体上升至冷凝塔上部予热后，经Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ系统主、副阀进入合成塔，在触媒的作用下合成为氨。Ⅰ、Ⅲ系统合成塔出口气体、Ⅱ系统合成塔二次出口气体（Ⅱ系统合成塔一次出口气体入中锅，再进合成塔）经水冷器，氨分离器进行一次冷却分离后，进入循环机补充压力送往滤油器，连续循环。

2、从压缩出来的氢氮气经滤油器分离掉油、水等杂质后与循环气混合进入冷凝塔底部分离器，分离掉的液氨去球罐，循环气到上部换热器换热，出冷凝塔后进入透平循环机加压后，进入合成塔环隙与内件换热，从底部出合成塔后进入热交（管外）换热，换热后的气体再次进入合成塔底部换热器（管外）换热，而后由中心管到触媒层，触媒层内循环气由上至下开始合成反应，出触媒层后进入合成塔底部换热器（管内）换热，而后出合成塔进锅炉换热产蒸汽，出锅炉后循环气再次进入热交（管内）换热，进入水冷进行冷却，冷却后进入氨分离器分离液氨，分离掉的液氨去球罐，循环气进冷凝塔上部换热器（管内）冷却，而后进氨冷器进一步冷却，出氨冷器后与补气油分来的新鲜气混合进入冷凝塔底部分离器，如此往复循环。一次、二次分离之液氨送往氨库-吹除气送往氨回收-氨冷器液氨来自氨库，气氨送往联碱或氨水站。