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1、合成氨岗位任务与工艺原理 第一节 岗位任务 由压缩机七段（六段）出口总管送来的合格精炼气，在高温高压下，借助催化剂的作用，进行化合反应生成氨，经冷凝分离得到液氨，液氨送尿素车间生产尿素，部分液氨送有关岗位氨冷器，汽化后去冷冻岗位循环使用，合成放空气经提氢岗位回收后，氢气回压缩机四段加压后返回系统重复利用，尾气与净氨后的氨贮槽解吸气混合送造气吹风气回收燃烧炉助燃。第二节 基本原理1 氨合成的生产原理氨合成反应的化学方程式：N23H2 2NH3Q氨合成反应的特点：可逆反应 放热反应： A标准状况下（25）101325KPa B每生成1mol NH3放出46.22KJ热量体积缩小的反应：3摩尔氢与1
2、摩尔氮生成2摩尔氨，压力下降 必需有催化剂存在才能加快反应2 氨合成反应的平衡氨合成反应是一个可逆反应，正反应与逆反应同时进行，反应物质浓度的减少量与生成物质浓度的增加量达到相等，氨含量不再改变，反应就达到一种动态平衡。从平衡观点来看：提高反应温度，可使平衡向吸热反应方向移动，降低温度向放热方向移动。3 氨合成反应速度及影响合成反应的因素反应速度是以单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加量来表示的。影响氨反应速度的因素：3.1压力：提高压力可以加快氨合成的速度，提高压力就是提高了气体浓度，缩短了气体分子间的距离，碰撞机会增多，反应速度加快。3.2温度：温度提高使分子运动加快，分子间碰撞的
3、次数增加，又使分子克服化合反应时阻力的能力增大，从而增加了分子有效结合的机会，对于合成反应当温度升高，加速了对氮的活性吸附，又增加了吸附氮与氢的接触机会，使氨合成反应速度加快。3.3反应物浓度：反应物浓度的增加，增加了分子间碰撞的机会，有利于加快反应速度。归纳起来如下：反应过程必须在高压下进行，压力越高，越有利于氨合成反应的平衡和速度。反应温度对氨合成反应平衡和速度的影响互相制约。混合气中氮和氢的含量越高越有利于反应，惰性气体越少越好。3.4 催化剂的影响：催化剂又称触媒，它在化学反应中能改变物质反应速度，而本身的组成和质量在反应前后保持不变。催化剂的主要作用是降低反应的活化能，加快反应速度，
4、缩短达到反应平衡的时间。既然温度对合成氨反应平衡和速度的影响互相矛盾，就存在一个最佳的温度，反应速度对温度的要求是借助于催化剂实现的。4 合成催化剂的组成和结构铁系催化剂活性组分为金属铁，未还原前为FeO和Fe2O3，Fe2+/ Fe3+在0.47-0.57之间,可视为Fe3O4具有尖晶石结构。作为促进剂的成份有K2O 、CaO、 MgO、Al2O3、 SiO2 等。Al2O3的作用是当催化剂用氢还原时，氧化铁被还原成a-Fe,未被还原Fe3O4保持着尖晶石结构起到骨架作用，防止铁细晶长大，因而增大了催化剂表面，提高了活性。MgO的作用与Al2O3相似，也是结构型促进剂，通过改善还原态铁的结构
5、而呈现出促进作用。CaO为电子型促进剂，同时能降低熔体的熔点和粘度，有利于Al2O3与Fe3O4固熔体形成，还可以提高催化剂的热稳定性。K2O为电子型促进剂，它可以使金属电子逸出功降低，有助于氮的活性吸附，从而提高其活性。SiO2具有中和K2O、CaO碱性组分的作用。SiO2还具有提高催化剂抗水毒害和耐烧结性能，通常制成的催化剂为黑色不规则颗粒，有金属光泽。还原态催化剂的内表面积为4-16/g ，催化剂的活性温度一般为350-550之间。5 催化剂的还原Fe2O3和FeO并不能加快氨合成的反应速度，真正起催化作用是具有活性的a-Fe晶粒。5.1 还原方法分类：将Fe2O3和FeO变成金属a-F
6、e是催化剂还原过程。催化剂活性不仅与其组成和制造方法有关，而且还与还原过程的条件和控制方法有关。催化剂还原反应式为：Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O H298149.9kj/mol触媒整个还原过程为吸热反应，还原温度借助于电加热维持，随着还原的进行，催化剂开始具有活性，并伴有氨生成和放热。催化剂还原也可在塔外进行，即预还原，预还原有以下优点：（1）不受热能、塔结构和氨生成的影响，避免了合成塔内不适宜的还原条件对催化剂活性的损害，使催化剂得以在最佳条件下进行还原，有利于提高催化剂的活性。（2）缩短合成塔的升温还原时间，有利于强化生产。预还原后的催化剂，需用少量含O2气体加以钝化保护才能转移至
7、合成塔。5.2 还原条件的确定确定还原条件的原则：一方面是使Fe3O4和FeO充分还原为a-Fe，另一方面是还原生成铁结晶不因重结晶而长大，以保证有最大的比表面积和更多的活性中心，宜选取合适的还原温度，压力，空速和还原气组成。还原温度的控制对催化剂活性影响很大，提高还原温度能加快还原反应速度，缩短还原时间。还原温度过高会导致a-Fe晶体长大，催化剂表面积减小，活性降低。因此，在实际还原温度不超过它的正常使用温度。还原气中氢含量尽可能高（75%）水汽浓度尽可能低（2g/m3）水汽浓度的高低对催化剂的活性影响很大，尽可能采用高空速以保证还原气中的低水汽含量。在保证空速的前提下，还原压力低些为好。5
8、.3 催化剂的还原操作根据塔型号、催化剂还原分为分层还原和整体还原两种：根据温度变化、出水情况将整个还原分为升温阶段，还原期（初期、主期、未期）降温期、轻负荷等几个阶段。升温期按40-50 /小时，迅速将催化剂升温至300左右，此时基本无水放出。还原期根据出水情况提温，出水与提温交替进行。初期为吸附水，主期为化学水，初还原的催化剂活性高，床层升温快，容易过热进行一段时间，轻负荷生产可以避免催化剂衰老延长使用寿命。还原操作要点如下：还原期间温度、压力、循环量、气体成分等工艺条件要稳定。在正常情况下，不得同时变更多项工艺条件。严格控制水汽浓度或出水速度，合成塔出水汽浓度不大于3g/m3。还原过程中
9、要尽量做到高氢比、高空速、低压力，调节温度一般用循环量和电加热器，还原时一般不用副阀调节。视出水情况提温提压。严格控制升温曲线，避免温度出现反复波动。要定时分析合成塔出口气的水汽浓度。当前工序出现问题时，要及时切断新鲜气。还原放出水中氨含量大于80%达3小时可放入贮槽。当出塔水汽浓度连续三次分析0.1g/m3时，还原即可结束。（10）还原期间，因循环机跳闸应先停电加热器，保证足够的安全，以免烧断电炉丝。6 催化剂的使用6.1催化剂的中毒和老化：原料气中引起催化剂中毒的成分有：暂时性中毒：O2 、CO 、CO2 、H2O等永久性中毒：H2S、 SO2、 铜液等催化剂的衰老受温度影响，催化剂在使用
10、的过程中，由于过热或由于可逆中毒而被反复氧化还原，从而使细晶粒长大，改变了催化剂的结构，导致活性下降。6.2催化剂的保护催化剂升温还原之前应控制速度为30-50/h。防止产生平面温差。还原出水期间要缓慢升温，防止温度升得太快，防止晶粒长大降低活性。新还原的催化剂要保持一段时间的低负荷使未还原的部分继续还原。触媒用于生产期间，应稳定操作，使热温度波动在10度以下。合成系统停车检修时，升降温速度30-50 /h。停车后，合成塔要保持正压，关死进出口阀及副阀，开车时，要将管道内空气用氮气置换合格。6.3气固相催化反应机理气体反应物扩散到催化剂外表面反应物扩散到催化剂的内表面气体被催化剂表面活性吸附在催化剂表面上反应，生成氨产物自催化剂表面解吸产物自内表面向外扩散产物自催化剂外表面扩散到气相气相中 气相中 气相中N2（气相）N2（吸附）2NH（吸附）2NH2（吸附）2NH（吸附）NH3（气相） H2 H2 H26.4 工艺条件的选择（）根据触媒的型号及不同的使用时期控制较适宜的反应温度。（）根据设备的材质及动力消耗选择适宜的操作压力，30MPa左右对氨合成比较有利。（）根据触媒层的温度及管道尺寸选择适宜的空间速度。（）氨含量接近平衡时，最佳氢氮比趋近3：1。同时氮在氨中的溶解度比氢大，溶解于液氨中损失多于氢，因此在生产控制入塔氢氮比低于3：1，一般为2.8-2.9:1