合成氨系统工艺设计及计算

【摘 要】从能源危机至今，能源供应紧张，价格越来越高，世界各国对环境保护的要求也越来越高，严峻的形势迫使合成氨生产企业实施节能降耗技术改造。合成氨是非常重要的化工产品之一，在国民经济中起到十分重要的作用。合成氨工艺是最典型的化工生产工艺之一，它集原料前处理、反应、传热、传质、分离、产品后处理等为一体，设备多，流程长而复杂。合成氨还是一个消耗原料、燃料和动力很大的化工产品。

本文介绍了合成氨生产的用途、工艺流程、工艺合成的方法及计算，并进行热量衡算和系统的物料衡算，对合成氨的强化措施以及设备的工艺计算。

【关键字】合成氨；系统工艺；设计方法；计算

一、合成氨的性质及用途

1、合成氨的性质

合成氨指由氮气和氢气在高压催化剂存在下直接合成的氨，别名：氨气。世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大多数是合成的氨。合成氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料。

合成氨的主要元素是氮。氮是自然界里分布较广的一种元素。它是蛋白质的主要组成部分按重量计约占蛋白质的六分之一。可见氮元素对生命的重要性。空气中含氮含量很多，约79﹪（体积）。

以氮为原料合成氨是目前世界上用途最为广泛，也是最经济的一种方法。氨的用途很广。以氨为原料可以制造各种氮肥，氮肥施用量在化学肥量中占首位。氮本身就是一种高效肥料。合成氨工业是氮肥的基础，对农业增产起着十分重要的作用，而用化学肥料是农业增产的有效途径。

二、合成氨的工艺流程

（一）合成氨的工艺流程

1-氨合成塔；2-水冷器；3-氨分离器；4-循环压缩机；5-滤抽器；6-冷凝塔；7-氨冷器。

（二）氨的合成工艺说明

氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精制的氢氮混合气合成为氨。工业上合成氨的各种工艺流程一般以压力的高低来分类。

1、分类

（1）高压法：操作压力70—100MPa，温度为550—650度。优点是氨合成效率高，混合气中的氨易被分离。

（2）低压法：操作压力10MPa左右，温度为400—450度。优点是操作压力和温度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂活性较高。

（3）中压法：操作压力20—60MPa，温度为450—550度。其优缺点介于高压法与低压法之间，目前此法技术比较成熟，经济性比较好。

2、原料气制备

制备氢氮比为3：1的半水煤气。即造气，将无烟煤（或焦炭）由炉顶加入固定床层煤气发生炉中，并交替向炉内通入空气和水蒸汽，燃料气化后生成氢氮比为3：1的半水煤气。固定床半水煤气制造过程由吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹、空气吹净等5个阶段构成，为了调节氢氮比，在吹风末端要将部分吹风气吹入煤气，这个过程通常称为吹风回收。

以上五个阶段完成了制造半水煤气的主过程，然后重新转入吹风阶段，进入下一个循环。

3、净化

对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，只要包括变换过程，脱硫脱碳过程以及气体精致过程。

（1）一氧化碳变换

各种方法制取的原料气都含有CO其体积分数一般为12﹪—40﹪，先利用CO变换反应，在不同温度下分为高温变换以及低温变换。将一氧化碳含量降到0.25﹪左右。因此，一氧化碳变换式原料的制造的继续，又是净化过程。

（2）脱硫脱碳过程

各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱碳，以天然气为原料的蒸气转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂。一种有机煤为原料的部分转化，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂脱硫的位置。

（3）气体CO2精制过程

经CO变换和CO2脱出后原料中长尚含有少量的CO和CO2为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3分数。因此原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，既精制过程。

三、工艺计算

溶解在液氨中及漏损的气量约为新鲜气量的3%取94标米3，则消耗定额为：3265.99+91≈4370（标米3/吨氨）

四、结论

合成氨是化工专业学习设计的一个重要的环节，本文根据相关合成氨资料，进行物料衡算和热量衡算，选用大量的公式和数据，用简洁的文字、图表表达设计结果，制图以及计算辅助计算，这会使我们在能力方面得到一次全面训练。特此说明，以供参考。