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第2章合成氨


第2章 合成氨

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第2章 合成氨
? 2.1 概述
1、氨的性质:
物理性质:冰点-77.7℃,汽化热大,所以 可作为冷冻剂使用。有刺激性气味。 化学性质:较活泼,可制化肥、硝酸等。 氨的用途:生产化肥(固氮)、生产硝酸、纯碱、 含氮无机盐、化纤、塑料。

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第2章 合成氨
? 2.1 概述
2、合成氨的原料 原料:(包括提供H2的原料和燃料) 固体原料:焦碳、煤 气体原料:天然气、重油、焦炉气等 液体原料:石脑油、重油、原油等 常用的原料有:焦碳、煤、天然气、重油
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第2章 合成氨
? 2.1 概述 3、工艺过程
原料气的制备(造气)、 原料气的变换及精制(净化)、 氨的合成(压缩和合成)。

下面是分别以无烟煤和天然气为原料合成氨的原 则流程框图:
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第2章 合成氨

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第2章 合成氨
? 2.2 原料气的制取
? (一)由煤制取合成氨原料气的原理与工艺 C + H2O(g) = CO + H2 131KJ/mol C + 2H2O(g) = CO2 +2H2 90.3KJ/mol 反应所需的能量,由下列反应提供: C + O2 = CO2 2C + O2 = CO
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? 2.2 原料气的制取
煤气的类型: 空气煤气:H2:0.9%,CO:33.4%、N2:64.6% 水煤气:H2:50%,CO:37.3%、N2:5.5% 半水煤气:H2:37%,CO:33.3%、N2:22.4% (接近H2:N2=3.2:1) 半水煤气可采取分阶段制得空气煤气及水煤气, 然后将两者按一定比例混合而成。

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? 2.2 原料气的制取
半水煤气的制取工艺: 一般采用固定床间歇式煤气发生炉 ,分五个阶段制 气的工作循环,间歇式地(周期)送入空气和水蒸气。 一个工作循环的时间为3~4分钟。

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? 第一阶段(吹风阶段): 从下往上往炉中吹送空气。O2使C燃烧,产生CO, 送往气柜,与随后的水煤气调和成半水煤气。
CO2+N2

CO+N2

空气

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第二阶段(一次上吹): 水蒸气从下往上,一次地吹过炽热的C层,产生水煤 气送往气柜,炭层的温度上移,温度下降。
水蒸气 开始:CO+N2

水煤气
后期:H2

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第三阶段(下吹制气): 将蒸汽改换方向,从上往下,目的是下层温度低, 需要调整炭层的温度,生成水煤气。
水蒸气 水煤气

调整 炉温

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第四阶段(二次上吹): 从下往上吹送蒸汽。目的是吹净炉底的水煤气,以 防后接吹风时残存的水煤气与空气混合而发生爆炸。
水蒸气 水煤气

吹净底 部的水 煤气

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第五阶段(空气吹净): 由下往上吹入空气,将占炉内空间的水煤气吹净, 送入气柜。

吹净全 部的水 煤气
空气

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? (二)由烃类转化造气(甲烷蒸汽转化法) ? 2.2 原料气的制取
原料:天然气(以甲烷为主)或气态烃 造气原理:采用加压蒸气转化法生产半水煤气 主反应式: CH4 + H2O(g) = CO + 3H2 206.3KJ/mo (1) CH4 + 2H2O(g) = CO2 + 4H2 165.1KJ/mol (2) 副反应式:CH4 = 2H2 + C 2CO = CO2 + C CO + H2 = H2O + C

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? 2.2.1 甲烷蒸气转化反应的热力学分析
反应平衡常数与温度的关系 :

反应平衡常数与平衡组成的关系:

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2.2.1 甲烷蒸气转化反应的热力学分析
平衡组成 : ? 设nm和nw分别为迸气中甲烷和水蒸气的量,x为甲烷 蒸气转化反应(1)中转化的甲烷量,y为变换反应(2)转 化的一氧化碳的量。 ? 得到如下方程组:

? 通过上述方程组,可以得到一定温度下平衡系统各组 分的组成。
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? 2.2.1 甲烷蒸气转化反应的热力学分析
影响甲烷蒸气转化平衡组成的因素 : (1)温度: 根据计算:当水碳比(H2O/CH4)=2,627℃时, 转化率α=32.9%;827℃时,α=82.2%,所以易在高 温下反应。 (2)压力: 加压对反应不利,但加压在总过程中能节省压缩 的能量(因为仅需对CH4加压),故采用3~4 MPa。
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? 2.2.1 甲烷蒸气转化反应的热力学分析
影响甲烷蒸气转化平衡组成的因素 : (3)水碳比(S): S高时,α高,故易采用高水碳比,但过高的水碳 比,会明显降低设备的生产能力,增大能耗,所以易 采用S=3。

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? 2.2.2 甲烷蒸气转化反应的动力学分析
甲烷蒸气转化反应为一级反应,动力学方程见表2.1,如:

(1)由方程式可见,反应速率与反应物CH4和H2O的分压 成正比,因此提高二者的压力有利于加快总反应的速率。 (2)经研究发现 ,对于甲烷蒸气转化的气固相催化反应, 气体的扩散速度(内扩散)对反应速率有显著的影响 。 工业生产中采用较小的催化剂颗粒或将催化剂制成环状 或带漕沟的圆柱状都将会提高转化反应的速率。
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r=k· (CH4)·(H2O)/[10P(H2)+P(H2O)] p p

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? 2.2.3 过程析碳及处理
析碳反应: CH4 == 2H2 + C (吸热) 2CO == CO2 + C (放热) CO + H2 == H2O + C (放热) 析出的碳沉积在转化反应催化剂的表面,有碍转 化反应的进行,在管壁处会出现高温区。

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? 2.2.3 过程析碳及处理
防止析碳的主要措施:
适当提高水蒸气用量,降低反应压力,选择适宜 的催化剂,控制原料的预热温度不要太高。甚至可停 止送原料气,完全采用水蒸气进行除碳。

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? 2.2.4 气态烃类蒸气转化催化剂
无催化剂时:950℃下反应2小时,CH4转化率仅为平 衡转化率的68%,如果再提高温度,还会发生甲烷的 热裂解反应,生成C和H2。 采用催化剂时:反应温度可降为600~800℃。

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? 2.2.4 气态烃类蒸气转化催化剂
主催化剂:Ni(NiO占10~25%);助催化剂:Cr2O3、 Al2O3 、TiO2等 ; 载体:Al2O3或耐火材料类载体。(起分散作用,防止 镍晶体熔结) S对Ni产生毒害作用: T<700℃时为不可逆性中毒, T>700℃时为可逆性中毒。故要求催化剂颗粒细小, 以减小气体的内扩散阻力。 卤素、砷都可使镍中毒,要求S、X、As<0.5ppm。
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? 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式
甲烷蒸气转化的两段转化: (为什么要采取两段转化?) 工艺条件:3~4 MPa,一段转化温度700~800℃ ,二 段转化1000℃ ,水碳比S=3~4,空间速度(根据炉 型、分段情况、催化剂的不同以及反应的不同时期来 确定) (怎样确定工艺条件?)

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第2章 合成氨
? 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式 工艺流程框图:

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? 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式
工艺流程示意图——凯洛格法
800~820℃

1200℃

1000℃ 380~ 400℃

去预热

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汽包 烟囱二段 转化炉

氧化锌 脱硫罐

辅助锅炉
二段转化炉

对流段 辐射段(一段炉) 第二废热锅炉 第一废热锅炉

钴钼加氢 反应器

排风机

天然气蒸气转化工艺流程图

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? 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式 一段转化:
采用管子炉,3~4MPa下,在多根耐热合金钢管 内填放催化剂,侧壁(或顶部)设有多个烧嘴,燃烧 天然气,产生高温。炉膛温度:1000℃,管子内温 度:750~800℃。 进入一段的原料气:3~4MPa,H2O/CH4=3.5, 500~520℃; 出一段的转化气:850~860℃
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? 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式
一段转化炉 :

侧壁烧嘴 转化炉

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顶部烧嘴方箱转化炉

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? 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式
二段转化 : 转化气【一段】 + 空气【CO+H2):N2=3~3.1 】 + 水蒸气【少量】 → 加压到3.3~3.5 MPa → 二段转化炉顶部喷出燃烧,使温度升高到1200℃,并进 入催化剂层反应:CO + H2O == CO2 + H2 出二段的转化气达1000℃。组成为:
一段转化气 二段转化气 69~71 57~58 H2 CO 5~10 10~14 11~13 7~8 CO2 8~10 0.2~0.3 CH4 N2 / 21~22 32

夹 套 溢 流 水
六角 形砖 温度计套管

空气蒸 气入口 一段转化气

空气蒸 气入口

铬基催化剂

壳体 水夹套

一段 转化气

筋板 多孔形环板

耐火材料衬里 转化催化剂

耐火球 拱型 砌体 二段转化气 人孔

夹层式空气分布器

凯洛格型二段转化炉

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? 2.3 原料气的净化
原料气的净化工艺包括: 原料气脱硫→一氧化碳变换→二氧化碳的脱除 (脱碳) →原料气的精制(少量CO的脱除) 原料气脱除硫化物:是防止后续的一氧化碳变换和脱碳 反应的催化剂中毒; 一氧化碳变换反应:是为了提高原料气中H2含量和防止 合成氨反应催化剂(铁系催化剂)中毒; 二氧化碳的脱除:是防止合成氨反应催化剂中毒。
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? 2.3.1 原料气的脱硫
原料气中的硫化物主要是H2S、少量CS2、COS、RSH (硫醇)、C4H4S(噻吩)。 含量:半水煤气中:H2S 1~2g/m3,4~6g/m3 , 有机 S 0.05~0.2g/m3 重油部分氧化制得的煤气中:H2S 1~2g/m3 COS 0.03~0.4g/m3 要求进入变换炉管的气体含硫量: <0.5~1ppm(0.5~1mg/m3)

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? 2.3.1 原料气的脱硫
脱硫方法: 干法脱硫:即固体吸收剂脱除H2S或有机S:ZnO法、 活性炭法、分子筛法、钴-钼加氢法。(用于S含量不 高的原料气) 湿法脱硫: 氧化法:砷碱法、改良砷碱法、氨水催化 法、ADA法、改良ADA 化学吸收法:烷基醇胺法(弱碱性溶液对 H2S的吸收)、乙醇胺法。 物理法:用溶剂选择性吸收H2S,吸收液 降压时释放出H2S。如聚乙二醇二 甲醚法。 36

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? 2.3.1 原料气的脱硫
(1)干法脱硫 ZnO脱硫法(用于大型厂精细脱硫)——先加氢后脱硫 加氢反应(放热): CS2 + 4H2 == 2H2S + CH4 COS + H2 == H2S + CO RSH + H2 == RH + H2S R-S-R’ + 2H2 == RH + R’H +H2S 主催化剂:钴-钼催化剂(12~13.5%Co) 催化剂载体:Al2O3 同时还可以使烯烃变为饱和烷烃。
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第2章 合成氨
? 2.3.1 原料气的脱硫
ZnO脱硫法: 脱硫反应:H2S + ZnO == ZnS + H2O C2H5SH + ZnO == ZnS + C2H4 + H2O C2H5SH + ZnO == ZnS + C2H5OH 反应条件:温度:300~400℃,反应后H2:5%~6%, 空速:500~1500 /h(气态烃),0.5~6/h(液态烃) 优点:既能脱除有机硫,又能脱除无机硫 ;S<1×10-6。 缺点:脱硫剂再生困难
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第2章 合成氨
? 2.3.1 原料气的脱硫
(2)湿法脱硫 改良ADA法脱硫(用于中型厂) 分为四步: ①pH=8.5~9.2的稀碱溶液吸收硫化氢 Na2CO3 + H2S == NaHS + NaHCO3 ②硫氢化物被氧化为S 2NaHS + 4NaVO3 + H2O == Na2V4O9 + 4NaOH + 2S 以上两步为脱硫,在脱硫塔中进行。

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? 2.3.1 原料气的脱硫
③氧化剂(偏钒酸钠)再生
Na2V4O9 + 2ADA(O) + 2NaOH +H2O == 4NaVO3 + 2ADA(H)

④ADA再生
2ADA(H还原态) + O2 == 2ADA(O氧化态) + 2H2O

以上两步为再生,在再生塔中进行。

工艺条件:pH=8.5~9.2;T=40~50℃;加压(在造气 反应之前);再生空气量;使用酒石酸钾钠、FeCl3、 EDTA作活化剂
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第2章 合成氨
? 2.3.1 原料气的脱硫
改良ADA法的 工艺流程图:

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第2章 合成氨
? 2.3.2 一氧化碳变换
什么是一氧化碳变换? 将CO变换为H2和CO2的反应 CO + H2O(g) == CO2 + H2 (放热) 为什么原料气要进行一氧化碳变换? 水煤气含CO:35%~37%;半水煤气含CO : 25%~34%;天然气转化气含CO :12%~14%。CO 含量的增多会使合成氨催化剂中毒而失去活性,所以 通过一氧化碳变换反应将其除去,并且增加了原料气 的H2含量,再由后续工艺进一步脱除CO2。 分为中温变换 、低温变换,一般为中变-低变换 串联流程(低变为中变的后继流程) 。

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第2章 合成氨
? 2.3.2 一氧化碳变换
催化剂 : 中变催化剂 : 主催化剂:Fe2O3(含量80~90%),使用前要先用CO 或H2将其还原成Fe3O4 助催化剂:Cr2O3 (CrO:7~10%)(含少量的Al2O3、 MgO) 近年来开发了中温变换钴-钼催化剂(Al2O3载 体),CoO3~3.5%, MoO310~15%,少量碱金属,活 性温度低(250~400℃),不受S的毒害。
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第2章 合成氨
? 2.3.2 一氧化碳变换 低变催化剂 : 主催化剂:CuZn催化剂(活性组分为细铜粉) 助催化剂:ZnO或Al2O3、Cr2O3,是增强Cu的 热稳定性,以免被烧坏。 成分:CuO:15.3~31.2%、ZnO:32~62%、 Al2O3:30~40.5%

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第2章 合成氨
? 2.3.2 一氧化碳变换 变换过程工艺条件 :
压力:<2.2~3Mpa(较高压力有利于析碳反应,why?) CO2+2H2 == C+2H2O 温度:330~450℃ (具有一个最适宜反应温度T0, why?) 水蒸气比例(水碳比S):3~5(H2O/CO)以较高的比 例合适。(可以有效地减少析碳,why?)

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? 放热的可逆反应具有一个最 适宜反应温度 最适宜反应温度——即最大反 应速率时的温度
T0 ? Te ? Te RTe E2 1? ln E 2 ? E1 E1

E1为正向反应的活化能 E2为逆向反应的活化能
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第2章 合成氨
? 2.3.2 一氧化碳变换
反应器分为二段或多段,段间进 行冷却。 冷却的方式有两种: 间接换热式——用原料气或饱和 蒸气进行间接换热; 直接冷激式——用原料气、水蒸 气或冷凝水直接加入反应系统 进行降温。

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第2章 合成氨
? 2.3.2 一氧化碳变换
工艺流程 : (1)中变-低变 串联流程 :
废热 锅炉 高 变 炉 低变炉

饱和器 高变废 热锅炉 甲烷化炉 进气预热器

釜液 再沸器

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160℃ 气

(2)半水煤气加 压变换流程—— 多段变换流程

140℃ 水

320~330 ℃气

400℃ 气

170℃ 水
260 ℃气

155℃ 气

200 ℃气

165℃ 水

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下横梁 支柱

活动 压紧板 密封垫

夹紧 螺栓

固定 压紧板

上横梁 部件
板片 连接口

板式换热器 50

螺旋板式换热器

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管式冷却器 52

第2章 合成氨
? 对于CO<15%,采用中低串联流程(烃类原 料),变换气中CO为0.3%。 ? 对于CO>15%,采用多段变换流程(煤为原 料),变换气中CO为3%。

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第2章 合成氨
? 2.3.3 二氧化碳的脱除
因为变换气中含CO2:16~30%,它会使合成氨 催化剂中毒,而且也稀释了原料气,同时与最后的工 序——原料气精制(即少量CO脱除)工序中使用的氨 气反应(半水煤气法),生成碳酸氢氨结晶,易堵塞 管道,所以必须加以脱除。 脱除的CO2可加以回收利用(生成碳氨、尿素), 也可用于联碱的生产。 脱碳方法(溶液吸收法),包括: 物理吸收法:低温甲醇法等 化学吸收法:热钾碱法、氨水法、乙醇胺法等
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第2章 合成氨
? 2.3.3 二氧化碳的脱除
(1)苯菲尔法脱碳 ——二乙醇胺催化热钾碱法(大型厂) 脱碳:K2CO3 + CO2 + H2O == 2KHCO3

甲碱再生:2KHCO3 == K2CO3 + H2O + CO2
活化剂为:二乙醇胺[CH2CH(OH) 2NH2,DEA] 在K2CO3溶液中加入少量活化剂,可大大加快CO2的 吸收速度,降低CO2的分压,同时还可除去原料气中的 H2S等酸性组分。
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第2章 合成氨
? 2.3.3 二氧化碳的脱除
K2CO3的浓度(wt%):25~30, DEA的浓度(wt%):2.5~5, 偏钒酸钾(KVO3):0.6~0.9%, 少量消泡剂(高级醇、聚醚、有机硅酮等)。

偏钒酸钾作为氧化剂(缓蚀剂),与设备中的铁 作用形成氧化铁保护膜 ,自身生成焦钒酸钾。

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第2章 合成氨

苯菲尔法脱除CO2的工艺流程

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壳管式冷凝器 管壳式水冷凝器 (含贮液器)

翅片式冷凝器

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第2章 合成氨
? 2.3.3 二氧化碳的脱除
(2)含砷热钾碱法(G-V法): 以As2O3为助剂(催化),提高碱液对CO2的吸收。 K2CO3 + As2O3 + 2H2O == 2KH2AsO3 + CO2 吸收反应(脱碳): KH2AsO3 + CO2 + H2O == KHCO3 + H3AsO3 K2CO3 + CO2 + H2O == 2KHCO3 80~90℃ 钾碱再生: 2KHCO3 == K2CO3 + H2O + CO2 105~110℃
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第2章 合成氨
? 2.3.3 二氧化碳的脱除
工艺条件: 砷钾碱液组成:K2O 200 kg/m3, As2O3 120 kg/m3, As2O3 20 kg/m3 ,

净化气中CO2含量 <0.2%。

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第2章 合成氨

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第2章 合成氨
? 2.3.4 少量CO的脱除(原料气的精制)
目的:进一步脱除微量的CO、CO2。 方法: 铜氨溶液法(半水煤气法的中小氨型厂) 甲烷化法(天然气蒸汽转化法的大型氨厂) 液氮洗涤法

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第2章 合成氨
? 2.3.4 少量CO的脱除
(1)铜氨液洗涤法: 铜氨溶液的制备:
Cu2+ + NH3 + HAc == [Cu(NH3) 4]Ac(Ⅱ)
[Cu(NH3) 4]Ac(Ⅱ) + CO == [Cu(NH3) 2]Ac(Ⅰ) + CO2 (醋酸比Cu2+过量10%,氨过量)

吸收CO的反应:
[Cu(NH3) 2]Ac + CO + NH3 == [Cu(NH3) 3CO]Ac 放热

吸收CO2的反应:
2NH3 + CO2 + H2O == (NH4) 2CO3

(NH4) 2CO3 + CO2 + H2O == 2NH4HCO3
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第2章 合成氨
? 2.3.4 少量CO的脱除
? 采取低温(8~12℃)、加压(10~12MPa)、高铜 比(Cu+/Cu2+ =5~8)。吸收后温度上升10~20℃。 ? 利用溶解于铜氨液中的CO的还原能力,将Cu2+还原成 Cu+ ,再加热将溶解的CO解吸,为再生过程。 ? NH3总量:9~11mol/L; ? 游离NH3占NH3总量的38~45%; ? 总铜量:2.2~2.5 mol/L; ? 醋酸:2.3~2.6 mol/L。
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NaOH 洗CO2

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第2章 合成氨
? 2.3.4 少量CO的脱除
(2)甲烷化法
CO + 3H2 == CH4 + H2O -206KJ/mol CO2 + 4H2 == CH4 + 2H2O -165KJ/mol

工艺条件: 温度:200~400℃(>600℃为其逆反应); 压力:<5MPa,催化剂:0801型Ni-Al催化剂 (Ni:15~35%,Al2O3为载体)。
当进气温度小于300℃,进气CO为0.7%时,出口 气CO<10ppm。 (当t<150℃时,Ni易生成剧毒、挥发性的NiCO,所以选择
t>200℃)
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甲烷化法精制原料气流程 67

第2章 合成氨
? 2.4 氨的合成
? 2.4.1 氨合成反应的热力学基础 1、化学平衡及平衡氨含量 N2 + 3H2 == 2NH3 △H=-46.22KJ/mol 易于低温、高压、催化剂条件下进行, 30.4MPa、400℃:平衡氨含量为0.4818 30.4MPa、550℃:平衡氨含量为0.1797 40.5MPa、400℃:平衡氨含量为0.5539

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第2章 合成氨
? 2.4.1 氨合成反应的热力学基础 2、影响平衡氨含量xNH3的因素
x NH 3 (1 ? x NH 3 ? x i )
2

?K

?

P

r 1 .5

P ? ( r ? 1) 2

(1)T、P:见下表

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第2章 合成氨
? 2.4.1 氨合成反应的热力学基础
(2)r=H2/N2=3:1,最大氨含量时的氢氮比=2.9~3.0 (解上述方程得xNH3为最大值时r=3) (3)惰性气体组分xi(甲烷、氩气): 一般为10~15%,生产中放空一部分循环气(弛放 气),使惰性气体含量稳定。

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第2章 合成氨
? 2.4.2 氨合成反应的动力学基础 主催化剂:活性铁催化剂FeO2 4~38%(未还原前主要 是Fe2O3) 助催化剂:Al2O3、 K2O、 CaO 或MgO。AlO、MgO 的作用是防止活性Fe微晶长大,使晶粒间形成更多的 空隙,增大催化剂的表面积。 催化剂毒物:CO、CO2、H2O等(可逆); H2S、SO2等;PH3、AsH3(不可逆) 催化剂活性温度:400℃ 催化剂的还原与使用: 预还原(通入H2)、钝化(100~140℃下使α-Fe 缓慢氧化,形成FeO保护膜)。
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第2章 合成氨
? 2.4.2 氨合成反应的动力学基础 2、反应机理与动力学方程 铁催化反应动力学方程:
1 PH .25

rNH 3 ? k 1 PN 2

PNH 3

? k2

PNH 3
1 PH .25

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第2章 合成氨
?
3、影响反应速率的因素 (1)温度:为放热的可逆反应,存在一个最适宜温度 (反应速率最快)(Tm<Te) (2)压力:压力P增大,反应速率也增大,所以要求在 高压下进行合成。 (3)氢氮比:仍要求H2:N2略低于3。反应机理为氮 的活性吸附所控制。 (4)惰性气体:增加惰性气体组分的含量,总反应速 率下降。 (5)空间速度
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2.4.2 氨合成反应的动力学基础

第2章 合成氨
? 2.4.3、氨的合成
1、最佳工艺条件的选择 压力:中小型厂(中压法) :30~32Mpa;大型厂(低 压法) :7.5~15Mpa。 温度:尽量采取接近最适宜温度下进行反应,Tm是随转 化率增大而下降。 反应初期的转化率小,T大(>600℃),所以 只能是以350~400℃进入(不能高于催化剂的活性 温度),可利用反应的自热升高温度,达到Tm 。 在催化剂不同使用时期,可采用不同的反应温度, 初期480℃,中期500℃,后期520℃。
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第2章 合成氨
? 2.4.3、氨的合成
空间速度:中小型厂,30MPa、400~500℃时:24000 h-1 大型厂,15MPa、400~450℃时:5000~10000 h-1 合成气体的初始组成: 新鲜气中氢氮比=3,与循环气混合后,得到的气体氢氮比 =2.8~2.9 惰性气体含量:弛放气。循环气体中惰性气体含量的控制: 中压法:16~20%;低压法:8~15%。 初始氨含量:越低越好,但是要使循环气体中的氨含量降低,必须 增加冷冻能力,但这样做会增大动力消耗,也是循环气的温度 过低。 中压法:控制在3.2~3.8%;低压法:控制在2~3.2%。 76

第2章 合成氨
? 2.4.3、氨的合成 合成氨的工艺条件: 中小型厂(中压法): 操作压力30MPa,425~490℃,氢氮比 =2.8~2.9,空间速度24000 h-1,出口气氨含量为 14~18%。循环气中惰性气体含量控制在16~20%, 氨含量控制在3.2~3.8%。 大型厂(低压法): 操作压力15MPa,410~490℃,氢氮比 =2.8~2.9,空间速度9000 h-1,出口气氨含量12%, 循环气中惰性气体含量控制在8~15%,氨含量控制在 2~3.2%。
77

第2章 合成氨
? 2.4.3、氨的合成
2、氨合成塔 一、介绍并流(三)套管合成塔的结构及工作原理(中 小型厂) 合成塔、并流三套管、单管并流示意图:

78

单管并流合成塔示意图

电加 热器

内件

外筒

支架

79

第2章 合成氨

并流三套管示意图

单管并流示意图

80

第2章 合成氨
合成塔由内件和外筒所组成: ? 外筒:承受高压,不承受高温,采取层板包扎式。 ? 内件:承受高温,不承受高压,易受氢腐蚀。 内件包括: ? 催化剂筐:催化剂床层+并流套管(冷管)+气体分配盒 ? 热交换器:列管式热交换器,螺旋板式,波纹板式 ? 电加热器(在中心管内):催化剂的升温还原,催化剂 使用后期活性低时维持反应的热平衡(即补充热量)

81

第2章 合成氨
? 2.4.3、氨的合成
二、介绍轴向冷激式合成塔的结构及原理(大型 厂)

82

冷激式合成塔催 化剂床层的温度 分布

83

凯洛格型立式轴向四段冷激式合成塔示意图

催化剂框 上筒体 换热器

中心管 卸料管 下筒体 冷激管

含 氨 混 合 气
波纹 连接管

冷燃气 接管 人孔

筛板

氧化 铝球 塔底封 头接管

84

第2章 合成氨
? 2.4.3、氨的合成
3、氨的合成及分离工艺流程 原则流程框图

85

第2章 合成氨
? 2.4.3、氨的合成
3、氨的合成及分离工艺流程 典型的两级分氨工艺流程框图:(中小型厂)
14~18% NH3
液氨 驰放 新鲜 气

86

循环 气氨

10~ 30 ℃
氨 合 成 塔

30~ 50℃ 10~ 20 ℃
油 分 离 器

冷 交 换 塔

循环器

液 氨
氨冷器 水冷器

氨 分 离 器

两级分氨工艺流程图 (中小型厂)

87

第2章 合成氨
两级分氨工艺流程图(大型厂)——凯洛格氨合成工艺 流程

88

放空气 氨冷却器

离心 压缩机
15.5MPa 69℃ 250~ 300℃

放空气 分离器
43℃

锅炉给水 预热器
284℃

水冷 却器 冷热 交换器 水 冷 却 器 氨 冷 冷 却 凝 器 液 分 离 器 氨冷 却器
24℃ 141℃

新鲜气甲烷 化气换热器

-9℃ -4℃

高压 -23℃氨分 离器

塔前 换热器

-23℃

氨 合 成 塔

氨冷 却器 低压氨 分离器 开工加热炉

凯洛格的氨合成工艺流程

89

放空气 氨冷器

氨 合 成 塔

第2章 合成氨
热热 交换器

氨分 离器

水冷 冷热 却器 交换器

氨分 离器

锅炉给水 预热器
压缩机 循环段

第一 氨冷器

第二 氨冷器

离心式 压缩机 水冷 分离器 水冷 却器 却器 分离器 水冷 却器 分离器

托普索氨合成工艺流程 90


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