摘要：氨作为重要的化工产品，在人们的生产生活中占有重要地位。农业中用到的大部分氮肥，包含尿素、铵、氯化铵等复合肥都是以氨为原料的。据统计，世界每年合成氨产量不少于一亿吨，大部分都是用做原料来生产化肥，所以合成氨的重要性不言而喻，本文将结合安徽晋煤中能化工股份有限公司的车间操作规程，对合成氨的生产工艺流程进行分析和整理。

        关键词：合成氨；生产工艺；反应

        一、氨合成的基本原理

        氨合成反应是在高温、高压、并有催化剂存在条件下进行的放热、体积缩小、可逆的反应。其化学反应式如下：

        N2+3H22NH3+Q

        由于氨合成反应是可逆、放热、体积缩小的反应，根据化学平衡移动定律（勒沙特列原理），提高压力，降低温度，降低进塔氨含量，控制合适的氢氮比，有利于反应向生成氨的方向进行，即有利于氨的合成。

        二、氨合成的反应机理

        在催化剂的作用下，氢与氮生成氨的反应是一多相气体催化反应，多相气体催化反应的历程一般由以下几个步骤所组成：

        1、气体反应物扩散到催化剂外表面；

        2、反应物自催化剂外表面扩散到毛细孔内表面；

        3、气体被催化剂表面（主要是内表面）活性吸附；

        4、吸附状态的气体在催化剂表面上起化学反应，生成产物；

        5、产物自催化剂表面解吸；

        6、解吸后的产物从催化剂毛细孔向外表面扩散；

        7、产物由催化剂外表面扩散至气相主流。

        以上七个步骤是氢和氮自气相空间向催化剂表面接近，其绝大部分自外表面向催化剂的毛细孔的内表面扩散，并在表面上进行活性吸附。吸附氮与吸附氢及气相氢进行化学反应，依次生成NH, NH2, NH3,后者自表面脱附后进入气相空间。

        三、安徽晋煤中能化工股份有限公司氨合成的工艺流程

        氨的合成主要包含脱硫、转化、变换、脱碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及输入氨库和氨吸收八个工序，下面主要针对徽晋煤中能化工股份有限公司的氨的合成部分进行阐述。

        来自压缩七段出口的新鲜气，经七段油分分离后，在冷交气体出口氨冷前补入，进入氨冷器冷却后，进入氨分离器分离液氨，并在下部进入冷交换器管内上行（降低水冷后气体），由上部出来进入循环机加压，加压后的气体先进入油分离器分离油滴，然后进入热交与水加热器来的热气预热交换后进入合成塔（为调节炉温在油分离后至水冷进口设置一近路管线，在油分离器后至合成塔底部及g3冷激设副线以便调节催化剂床层温度）。循环气在合成塔进行反应生成氨，从合成底部出来进入废热锅炉以副产1.3MPa的蒸汽供尿素岗位使用，废热锅炉出来的气体进入水加热器与变换来的脱盐水换热后进入热交换器与油分来的循气换热，然后经水冷却器冷却，水冷后的气体进入冷交换器与氨分来的冷气体进行交换后分离出液氨，分离液氨后的气体再与压缩来的新鲜气混合进入氨冷，如此循环直至氢氮气合成为氨。

        冷交换器，氨分离器分离出来的液氨送往液氨贮槽，大部分供尿素使用，小部分供合成，铜洗氨冷蒸发吸热使用，所得气氨送冷冻压缩机，压缩冷凝后继续使用。

        系统放空去提氢岗位，经膜分离提取９５％的氢，渗透氢送二级提氢 ，尾气送余热回收。液氨贮槽的驰放气送往氨回收岗位。

        由变换来的脱盐水经水加热器加热后去脱氧槽和外工段，经除氧槽除氧后的热水由热水泵加压后送至废热锅炉和外工序。（工艺流程图如下所示）

        四、氨合成的生产工艺条件

        氨合成的生产工艺条件必须满足产量高，消耗定额低，工艺流程及设备结构简单，操作方便安全可靠等，要求决定生产条件最主要因素是压力，温度、空速，气体组成和催化剂等。

        1、压力

        提高压力，对氨合成的平衡和反应速度都是有利的，在一定的空速下，合成塔压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力也就越大，氨产率是随着压力的升高而上升的。

        氨合成压力的高低，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素。氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压缩功，循环气压缩功，和氨分离的冷冻功。提高操作压力，原料气压缩功增加，但合成压力提高时，由于氨净值增高，单位氨成品所需的循环量减少，因而循环气压缩功减少。同时压力高也有利于氨的分离。在较高的温度下气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。

        氨合成压力高，对设备的材质和制造的要求较高，同时高压下反应温度一般较高，催化剂，设备、管道使用寿命短，操作管理也比较困难，对安全生产不利，因此压力也不宜过高。小型氨厂一般操作压力大都采用16.0--32.0MPa.

        2、温度

        根据化学反应平衡，氨合成反应与其他可逆反应一样，在较低的温度时，提高反应温度正反应速度比逆反应速度增加显著，合成率高，氨产量高。当反应温度达到最大值后再继续提高温度，逆反应速度比正反应速度增加显著，此时总反应速度随温度提高而下降，因此氨合成反应同样存在着最适宜温度。在安徽中能化工公司实际操作中，根据不同时期，不同型号的触媒，制定适当的温度，初期触媒层温度控制较低，后期控制较高，一般触媒温度控制在400---500℃之间。

        3、空速

        当操作压力、温度及进塔气体组成一定时，增加空速也就是增快气体通过催化剂床层的速度，气体与催化剂接触时间缩短，使出塔气体氨含量降低，但增加空速即增加了单位时间内气体间接触次数，也就是氢、氮气合成次数增多，即氨产量有所增加。所以一般实际操作中，在条件许可时尽可能增大空速来提高氨产量。

        4、进塔气体成份

        （1）氢氮比

        根据氨合成原理，一个分子的氮需三个分子的氢参与反应，当氢氮比为3时，可获得最大的平衡氨浓度。但以氨的反应机理可知，氮的活性吸附是氨合成反应过程的控制步骤，因此适当提高氮气浓度，对氨合成反应速度是有利的。在安徽中能化工公司实际生产中，进塔循环气的氢氮比一般控制在2.5--2.8。

        （2）惰性气体

        惰性气体（CH4 Ar)不参加反应，也不毒害催化剂，随着合成反应的进行，惰性气体留在循环气中，随着新鲜气又不断补充，这样循环气中的惰性气体含量会越来越高，但由于它的存在会降低氢氮气的分压，对化学平衡和反应速度都是不利的，导致氨的生成率下降。

        循环气中惰性气体含量的控制，与操作压力和催化剂活性有关。操作压力较高，催化剂活性较好时，惰性气体含量高一些，也可获得较高的合成氨。相反，催化剂使用后期活性差时，惰性气体含量应控制低一些，一般生产中惰性气体含量控制在10---18%。

        （3）进塔氨含量

        目前合成氨厂一般采用冷凝法分离反应后气体中的氨，由于不可能把循环气中的氨完全冷凝下来，所以返回塔进口气体中多少含有一些氨。进塔气体中氨含量主要决定于氨分离时冷凝温度和分离效率，冷凝温度越低，分离效率越好，进塔气体中氨含量就越低。但将进口氨含量降得过低，势必将循环气冷至很低的温度，使冷冻功耗增大。下载本文