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化工工艺论文


氨合成工艺综述
摘要:合成氨在化工行业的重要作用和地位,世界合成氨的历史发展状况和今 后的发展趋势。我国的合成氨的起步和发展。

合成氨的地位 合成氨工业是基础化工行业的重要组成部分,有十分广泛的用 途 。是 生 产 硫 酸 铵 ,硝 酸 铵 ,碳 酸 氢 铵 ,氯 化 铵 ,尿 素 等 化 学 肥 料 主 要 原 料 .也 是 生 产 生 产 硝

酸 染 料 , 炸 药 , 医 药 , 有 机 合 成 , 塑 料 , 合 成 纤 维 ,石 油 化 工 等 工 业 产 品 的 重 要 原 料 ,合 成 氨 在 国 民 经 济 中 占 据 十分重要的地位。 合成氨的历史发展 1900 年 法 国 化 学 家 勒 夏 特 列 在 平 衡 移 动 基 础 上 理 论 计 算 ,认 为 氮气和氢气可以在高压条件下直接合成氨气,但是实验过程发生爆 炸,放弃了这个合成研究工作。 德 国 化 学 家 哈 伯 知 难 而 进 , 经 过 了 全 面 的 研 究 和 实 验 , 在 1908 年 在 实 验 室 用 氮 气 和 氢 气 在 600℃ , 200 个 大 气 压 的 条 件 下 合 成 氨 , 产 率 只 有 8%。 这 个 是 合 成 氨 工 业 的 重 大 突 破 。 哈 勃 于 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 。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 反 应 过 程 中 为 解 决 氢气和氮气合成转化率低的问题, 氨产品从合成反应后的气体中分 将 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=2NH3 根据哈伯的工艺流程,德国当时最大的化工企业——巴登苯胺 和纯碱制造公司, 织了以化工专家波施为首的工程技术人员将哈伯 组 的 设 计 付 诸 实 施 。工 程 师 们 改 进 了 哈 伯 所 使 用 的 催 化 剂 ,两 年 间 ,他 们 进 行 了 多 达 6500 次 试 验 ,测 试 了 2500 种 不 同 的 配 方 ,最 后 选 定 了 含 铅 镁 促 进 剂 的 铁 催 化 剂 。开 发 适 用 的 高 压 设 备 也 是 工 艺 的 关 键 ,当 时 能 受 得 住 200 个 大 气 压 的 低 碳 钢 ,却 害 怕 氢 气 的 脱 碳 腐 蚀 。波 施 想 了 许 多 办 法 ,最 后 决 定 在 低 碳 钢 的 反 应 管 子 里 加 一 层 熟 铁 的 衬 里 ,熟 铁 虽 没 有 强 度 ,却 不 怕 氢 气 的 腐 蚀 ,这 样 总 算 解 决 了 难 题 。哈 伯 的 合 成 氨 设 想 终 于 在 1913 年 得 以 实 现 , 个 日 产 30 吨 的 合 成 氨 工 厂 建 成 一 并 投 产 。合 成 氨 生 产 方 法 的 创 立 不 仅 开 辟 了 获 取 固 定 氮 的 途 径 ,更 重 要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的发展产生了重大的影 响。鉴于合成氨工业生产的实现和它的研究对化学理论发展的推动, 1918 年 诺 贝 尔 化 学 奖 授 予 了 德 国 化 学 家 哈 伯 。 到 20 世 纪 30 年 代 初 , 合 成 氨 已 经 成 为 世 界 上 广 泛 采 用 的 制 氨

方 法 。20 世 纪 70 年 代 以 来 ,合 成 氨 的 生 产 不 仅 促 进 了 如 高 压 、低 温 、 原料气制造、 体净化、 殊金属冶炼以及催化剂研制等方面的发展, 气 特 还 对 一 些 化 学 合 成 工 业 ,如 尿 素 、甲 醇 和 高 级 醇 、石 油 加 氢 精 制 、高 压聚合等起了巨大的推动作用 50 年 代 , 天 然 气 、 石 油 资 源 得 到 大 量 开 采 , 由 于 以 甲 烷 为 主 要 组分的天然气便于输送, 于加压操作, 降低氨厂投资和制氨成本, 适 能 在 性 能 较 好 的 转 化 催 化 剂 、耐 高 温 的 合 金 钢 管 相 继 出 现 后 ,以 天 然 气 为 原 料 的 制 氨 方 法 得 到 广 泛 应 用 。接 着 ,抗 积 炭 的 石 脑 油 蒸 汽 转 化 催 化 剂 研 制 成 功 , 缺 乏 天 然 气 的 国 家 采 用 了 石 脑 油 为 原 料 。 60 年 代 以 后 , 又 开 发 了 重 质 油 部 分 氧 化 法 制 氢 。 到 1965 年 , 焦 、 煤 在 世 界 合 成 氨 原 料 中 的 比 例 仅 占 5.8% 。 从 此 , 合 成 氨 工 业 的 原 料 构 成 由 固 体 燃 料 转 向 以 气 、液 态 烃 类 燃 料 为 主 的 时 期 。 由 于 高 压 设 备 尺 寸 的 限 制 ,50 年 代 以 前 , 最 大 的 氨 合 成 塔 能 力 不 超 过 日 产 200t 氨 ,60 年 代 初 不 超 过 日 产 400t 氨 。 随 着 由 汽 轮 机 驱 动 的 大 型 、 高 压 离 心 式 压 缩 机 研 制 成 功 ,为 合 成 氨 装 置 大 型 化 提 供 了 条 件 ,大 型 合 成 氨 厂 的 数 目 也逐年增多。合成氨厂大型化通常指规模

现代氨合成流程采用离心式压缩机。出塔气体先经过锅炉给水 预 热 器 , 收 一 部 分 热 能 后 再 通 过 换 热 器 , 进 塔 的 气 体 加 热 到 130~ 回 将 140℃ 。 出 塔 气 体 进 一 步 通 过 水 冷 却 器 , 冷 交 换 器 , 第 一 、 第 二 氨 冷 凝 器 ,冷 却 到 0℃ 以 下 ,大 部 分 氨 冷 凝 下 来 。在 氨 分 离 器 中 将 液 氨 分 离 后 ,循 环 气 经 冷 交 换 器 进 入 压 缩 机 ,与 新 鲜 气 混 合 ,再 经 换 热 ,最 后 进 入 氨 合 成 塔 。如 此 循 环 操 作 ,进 行 生 产 。为 了 回 收 循 环 气 中 弛 放 的 氢气,近年来工业上开发了膜分离、变压吸附和深冷分离三种方法, 有的氨厂已经采用 合成氨的主要步骤 氨气是是由氮气和氯气在高温高压条件下催化反应合成的。合 成氨的主要是三个步骤。 ( 1) 造 气 : 即 制 备 含 有 氢 , 氮 的 原 料 气 。 ( 2) 净 化 :不 论 采 用 何 种 原 料 和 何 种 方 法 造 气 ,原 料 气 中 对 合 成氨反应过程的有害的各种杂质, 须采用适当的方法去 必 除这些杂质。 ( 3) 压 缩 和 合 成 :将 合 格 的 氮 ,氢 混 合 气 压 缩 到 高 压 ,在 铁 催 化剂的存在下合成氨。 氢气常用含有烃类的焦炭,无烟煤,天然气,重油等各种燃料 与水蒸气作用的方法来制取。氮气则可将空气液化分离而得, 或使空气通过燃烧,除去氧气及其燃烧生成而制得。 合成氨的主要设备 造 气 机 ,压 缩 机 ,铜 洗 ,合 成 塔 ,转 化 炉 ,锅 炉 ,反 应 器 。 而 一 段 转 化 炉 ,二 段 转 化 炉 ,整 个 转 化 炉 约 占 全 厂 投 资 的 30%。 我国合成氨发展 我国的合成氨工业起步的相对比较晚。我国的合成氨工 业 起 步 于 20 世 纪 30 年 代 。 我 国 化 学 工 业 的 发 展 是 从 建 设 中 型

氮肥厂开始的一个是由著名爱国实业家范旭东先生创办的南京 永利化学工业公司铔厂—— 永利宁厂, 南京化学工业公司的 现 前身;另一个是日本占领东北后在大连开办的满洲化学工业株 式 会 社 。其 最 高 年 产 量 不 过 50KT。另 外 ,上 海 吴 蕴 初 的 天 原 还 有 一 套 电 解 水 制 氢 生 产 合 成 氨 、 酸 的 小 型 车 间 (32 年 吴 蕴 初 访 硝 问 Du pont 购 买 的 一 套 日 产 4t 液 氨 的 合 成 氨 中 试 装 置 )。整 个 合 成 氨 生 产 从 业 人 员 约 3400 人 , 技 术 人 员 150 人 。 解 放 后 , 新中国成立以后,经过数十年的努力,己形成了遍及全国的、 完整的合成氨工业布局。我国拥有多种原料、不同流程的大、 中 、 型 合 成 氨 厂 1000 多 个 。 小 1999 年 我 国 合 成 氨 产 量 为 34.5Mt, 列世界第一。 20 世 纪 70 年 代 是 世 界 合 成 氨 工 业 大 发 展 时 期 。 由 于 大 型 合 成 氨 的 优 越 性 , 1972 年 我 国 作 出 了 引 进 大 型 合 成 氨 装 置 的 决 定 。 73 年 开 始 , 首 批 引 进 了 13 套 年 产 30 万 吨 大 型 合 成 氨 成 套 装 置 (其 中 10 套 为 天 然 气 为 原 料 , 建 在 川 化 、 泸 天 化 、 云 南 、 贵 州 等 地 )。为 了 扩 大 原 料 范 围 ,78 年 又 第 二 批 引 进 了 4 套 年 产 30 万 吨 合 成 氨 装 置 。20 世 纪 90 年 代 ,又 先 后 引 进 了 14 套 具 有 20 世 纪 90 年 代 先 进 水 平 的 大 型 合 成 氨 成 套 装 置 , 从 而 掌 握 了 世界上几乎所有的先进工艺和技术。 同 时 从 20 世 纪 70 年 代 起 , 我 国 开 始 了 大 型 合 成 氨 成 套 装 置 的 自 行 设 计 、自 行 制 造 工 作 ,第 一 套 年 产 30 万 吨 的 合 成 氨 装 置 于 80 年 在 上 海 建 成 投 产 。 特 别 是 于 90 年 代 初 在 川 化 建 成 投 产 的 年 产 20 万 吨 合 成 氨 装 置 达 到 了 当 时 的 国 际 先 进 水 平 。 2005 年 中 国 氨 产 量 为 4596 万 吨 , 2006 年 中 国 合 成 氨 产 量 为 4937.9 万 吨 , 2007 年 中 国 合 成 氨 产 量 已 超 过 5000 万 吨 , 从 1994 年 后 中 国合成氨产量位列世界第一。

合成氨工艺的发展前景
根据合成氨技术发展的情况分析估计未来合成氨的基本生 产原理将不会出现原则性的改变其技术发展将会继续紧密围绕 降 低 生 产 成 本 ,提 高 运 行 周 期 改 善 经 济 性 的 基 本 目 标 进 一 步 集 中 在 “大 型 化 低 能 耗 结 构 调 整 、清 洁 生 产 、长 周 期 运 行 等 方 面 进 行技术的研究开发。 大 型 化 、 集 成 化 、 自 动 化 ,形 成 经 济 规 模 的 生 产 中 心 、 低 能 耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。 实施和环境友好的清洁生产时未来合成氨装置的必须和唯 一 的 选 择 。 生 产 过 程 中 不 生 产 或 很 少 生 产 副 产 品 、 废 物 ,实 现 或 接 近 "零 排 放 "的 清 洁 生 产 技 术 将 日 趋 成 熟 和 不 断 完 善 。 提高生产运转的可靠性,延长运行周期 是未来合成氨装置“ 改善经济性、增强竞争力”的必要保证。有利于“提高装置生产运转率、

延长运行周期”的技术,包括工艺优化技术、先进控制技术等越来越受重 视。 装置上的新技术 1. 增设预转化炉 2. 催化剂装填技术 3. 新型烧嘴 随着我国经济的快速发展, 能源供应与环境问题已经严重制约经济发展影 响社会稳定和谐的重要因素。 合成氨工业是基础化学工业之一,其提供的重要产 品氨在工农业及日常生活中用途极其广泛。由此可见,合成氨工业对一个国家的 经济发展起到举足轻重的作用。 而对于中国这样一个快速发展的国家,强大的合 成氨工业更是我国经济得以发展的必要前提。合成氨工业是农业的基础,它的发 展将对国民经济的发展产生重大影响


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