馬永勝

摘 要：合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。合成氨主要用作化肥、冷凍劑和化工原料生產(chǎn)，生產(chǎn)合成氨的主要原料有天然氣、石腦油、重質油和煤（或焦炭）等。本文簡述了合成氨工藝流程，對合成氨工藝中的方法與技巧進行了論述分析。

關鍵詞：合成氨；工藝流程；方法；技巧

1 合成氨工藝流程的分析

世界上的氨除少量從焦爐氣中回收副產(chǎn)外，絕大部分是合成的氨。①原料氣制備。將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉化法制取合成氣。②凈化。對粗原料進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質，主要包括變換過程、脫硫脫氮以及氣體精制過程。③氨合成。將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有10%-20%，所以采用未反應氫氮循環(huán)的流程。

2 合成氨工藝中的方法與技巧分析

合成氨工藝采用烴類蒸汽轉化法，首先油田伴生氣加壓至4.05MPa，經(jīng)預熱升溫到371℃在脫硫工序脫硫后與水蒸汽混合，進入一段轉化爐進行轉化制H2反應，一段轉化爐出來的轉化氣進入二段轉化爐，在此引入空氣，轉化氣在二段爐內燃燒掉一部分H2，放出熱量以供進一步轉化，同時獲得N2。二段轉化氣經(jīng)廢熱鍋爐余熱回收后，進入變換系統(tǒng)，氣體中的CO與水蒸汽反應，生成CO2和H2，從變換系統(tǒng)出來的氣體經(jīng)脫碳、甲烷化后為合成氨提供純凈的氫氮混合氣，氫氮混合氣經(jīng)壓縮至14.0MPa，送入合成塔進行合成氨反應。

結合鈷鉬催化劑的特征，加氫轉化反應可在260～400℃范圍內進行。但溫度對各個轉化反應的影響是不同的，有機硫在350℃時，隨溫度上升其反應速度增加較快，但高于370℃后，反應速度的增加就不顯著；若達到430℃以上，則烴類加氫分解及其它副反應將加劇，從預防高溫下的結焦和裂化反應考慮，應對催化劑床層的最高溫度加以限制，最適宜的操作溫度須根據(jù)原料烴和催化劑的性能來確定。

氫分壓對轉化深度和轉化速度都有重要影響。氫分壓增加，轉化速度加大，循環(huán)氫氣量與所要求的脫硫率和原料烴的性質有關。對天然氣脫硫，以加氫轉化后氣體中的H2濃度在3～5.5%為宜。加氫轉化的氫氣是一秒鐘都不能中斷的，因為氫氣不僅是脫硫的原料，而且又可以防止高級烴裂解析碳或結焦。

甲烷化以后的合格氫氮氣是氨廠最理想的氫源，并且其可以依靠自身的壓力進入加氫轉化器。氣體從合成氣壓縮機的低壓缸出口引出，不經(jīng)冷卻送到加氫轉化器的入口，與已經(jīng)預熱的原料天然氣匯合后進入脫硫塔進行加氫反應。當合成氣壓縮機停車或其它原因而使富氫氣量低于某一給定值，就需要改合成回路的吹出氣以保證氫流量。合成氣壓縮機停車時，這個臨時氫源一般只能用4個小時，壓力就不夠了。此時還有另外兩個氫源，一個來自二氧化碳吸收塔的出口，一個來自合成氣壓縮機吸入罐的出口。這兩個配氫線從原料氣壓縮機的段間引入。

烴類蒸汽轉化是一個吸熱反應，因此無論從加快反應平衡還是提高速度方面來看，提高溫度有利于轉化反應的進行，溫度愈高，殘余甲烷含量愈低。但轉化溫度高，會使爐管使用壽命降低、燃料消耗增加。另外，過低的甲烷含量有可能使二段轉化爐超溫。所以，一段轉化爐出口溫度控制指標應綜合多種因素進行考慮，一般轉化爐的反應溫度通常為800℃左右。

并且水蒸汽濃度愈高，對轉化反應愈有利，在其它條件相同時，水碳比愈大，殘余甲烷含量愈低。因此，在烴類蒸汽轉化過程中加入過量的水蒸汽。由于加入過量的水蒸汽，轉化后剩余的水蒸汽能夠滿足后續(xù)變換工序的需要，同時還為脫碳工序提供再生熱源，因此，適當提高水碳比對后續(xù)工序也是有利的。但水碳比并非愈大愈好，當水碳比增大到一定數(shù)值后，對轉化反應的影響已不明顯。另外，水碳比增加，即蒸汽量增大，爐管阻力將加大，導致燃料消耗增加，同時還會影響二段爐的操作控制，因此過大的水碳比既不經(jīng)濟，又不利于穩(wěn)定操作。

二段轉化反應是在一個自熱式的內襯耐火材料的圓筒式反應爐內進行的，在此引入空氣，空氣中的氧與一段轉化出口氣中的H2發(fā)生燃燒，燃燒熱用來進一步轉化殘余甲烷。同時補入系統(tǒng)的空氣量，可滿足合成反應對氮氣的需要。

應用烴類蒸汽轉化法合成氨廠普遍采用兩段變換。第一段為高溫變換，大部分CO在這一段通過變換反應脫除，操作溫度在330～485℃，溫升不超過120℃，高變出口CO含量為2～4%；第二段為低溫變換，CO濃度在這一段趨向平衡值，操作溫度在180～260℃，溫升不超過45℃，低變爐出口CO濃度為0.2～0.5%。

壓力對變換反應平衡無影響，而變換催化劑的活性卻隨壓力提高而增加。在相同的溫度、水氣比和空速條件下，壓力愈高，變換率也愈大，但其效果愈來愈小。高變催化劑在使用之前先要活化，將Fe2O3還原為Fe3O4。

3 結束語

合成氨工業(yè)是基礎化學工業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。氨是化學工業(yè)的重要原料之一，具有非常廣泛的用途，因此對合成氨工藝中的方法與技巧進行分析具有重要意義。

參考文獻：

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[2]李長新.合成氨生產(chǎn)合成工段工藝研究[J].科技資訊，2014（25）.