合成氨技术ppt培训课件

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1、化工工艺学,黄淮学院：张景迅,3.2 合成氨,3.2.1 概述,一、氨的性质,（一）、物理性质 标准状态下是无色气体，具有特殊的刺激性臭味。20下将氨气加压0.8MPa时，液化为无色的液体。液氨或干燥的氨对大部分物质不腐蚀，在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀。氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨空气混合物的爆炸界限较窄。 （二）、化学性质（略）,3.2.1 概述,二、氨的用途,85的氨用来制化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。 氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。 氨的其他工业用途也十分广泛，例如：做制冰、空调、冷藏等系统的致冷剂。,3.2

2、.1 概述,三、生产方法,（一）氰化法,（二）直接法,此法是在高压、高温和有催化剂时，氮气和氢气直接合成为氨的一种生产方法。目前工业上合成氨基本上都用此法。,3.2.1 概述,四、合成氨工业发展,（一）国外合成氨简介,1913年，在德国第一个工业化的合成氨装置，日产30t.一次大战后，在德国被迫公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方法。但氨产量增长缓慢。二战结束后，由于技术进步，高速发展。 在原料构成方面：由以固体燃料（焦炭，煤等）为原料转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、重油）为原料来合成氨。 在生产规模上：大型化，日产1800t氨; 1950s，只有200t。 在能耗上，新工艺的开发

3、，能耗的降低。计算机的应用实现了自动化操作控制。,（二）我国合成氨简介,3.2.1 概述,50年代，在恢复与扩建老厂的同时，从苏联引进了三套年产50kt的装置； 60年代，又从英国引进了一套年产100kt的装置，且又在全国建设了一大批小型氨厂； 70年代，我国又从西方国家引进多套大型装置（年产300 kt 以上）； 80年代后，我国设计的装置开始用于生产； 2004年我国产量为4222万吨,居世界第一。,3.2.1 概述,（三）合成氨生产工艺概述,目前的主要生产过程： (1) 制气 用煤或原油、天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。 (2) 净化 将原料气中的杂质：CO、CO2、S等脱除到pp

4、m级。 (3)压缩和合成 合成氨需要高温、高压，净化后的合成气原料气必须经过压缩到1530MPa、450左右，在催化剂的作用下才能顺利地在合成塔内反应生成氨。,3.2.1 概述,造气,除尘,脱硫,CO变换,脱CO2,压缩,脱除少量CO和CO2,合成,空气、煤(或天然气)、蒸汽,氨,（四）合成氨的基本过程,3.2.1 概述,3.2.1 概述,3.2.1 概述,3.2.2 原料气的制备,3.2.2.1 烃类蒸气转化法3.2.2.2 重油部分氧化法3.2.2.3 固体燃料气化法,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,一、化学原理,气态烃原料是各种烃的混合物。主要成分为CH4， 此外还有一些其他烷烃和少量烯

5、烃。,烷烃：,烯烃：,气态烃的蒸气转化可用甲烷蒸气转化表述,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,主反应,副反应,析碳反应,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,转化反应特点：,过程析碳处理：,碳黑生成后主要有以下几点不利： 堵塞反应管道增大压降、使局部区域高温损坏催化剂、 增大反应阻力。 通常水碳比大于2 可保证不析碳。 除碳,是可逆反应。 是体积增大的反应 是吸热反应。 为使正反应进行得更快更完全，就必须由外部供给大量热量。,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,影响甲烷蒸汽转化平衡组成的因素,高温、高水碳比和低压下进行为好。,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,二、甲烷蒸气转化催化剂,1、对催化剂的要求： 高

6、活性高强度较好的热稳定性和抗析碳能力,2、催化剂的活性组分、助催化剂和载体,活性组分：从性能和经济方面考虑，活性组分，镍为最佳。 NiO为最主要活性成份。真正起作用的是Ni。 助催化剂：本身无催化活性，但能提高镍的活性、延长寿命和增加抗析碳能力。一般为铝、铬、镁、钛、钙等金属的氧化物。一般载体都有助催化剂的作用 镍催化剂的载体：使镍高度分散、晶料变细、抗老化和抗析碳等作用。常用的有氧化铝、氧化钾、氧化钙等。,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,三、烃类蒸气转化的工业方法,（一）、转化的分段,1、分段转化 的流程 ： （1）在较低温度下，在外热式一段转化炉内进行烃类蒸气转化反应； （2）在较高温度下

7、，在二段转化炉中加入 空气，利用反应热将甲烷转化反应进行到底。,2、二段转化的化学反应,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,3、为什么用二段转化方式？,转化率高必须转化温度高，全部用很高温度，设备和过程控制都不利，设备费用和操作费用都高。采用二段方式，一段温度只在800左右，对合金钢管要求低，材料费用降低。在二段才通入空气，使与一段的H2反应产生高温，保证二段中转化较为完全。,（二）、工艺条件选择,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,1、压力：理论上，低压对CH4转化有利；但实际常加压操作：压力为3.55.0 MPa 为什么要加压？,加压优点： （1）节省压缩功，动耗 转化后体积增大；合成氨也要加压，

8、而加压转化得体积较小，节省后期压缩功。 （2）热回收价值 水蒸气过量，加压操作水蒸气冷凝温度提高，放出热量更多。 （3）设备容积，投资费用,二段炉温度：主要按甲烷控制指标来确定。 一般要求出口气体 , 出口温度应为1000C左右(平衡温度)。,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,2、温度： 理论上，温度越高反应越有利。 一段转化炉温度：一般选择760800 。 原因：一段转化炉的受热程度受到管材耐温性能的限制，主要考虑投资费用及设备寿命，一段炉最重要最贵的合金钢管950C时寿命8.4万小时，960C时6万小时。 一段炉投资约为全厂30，其中主要为合金钢管。,3、水碳比：,3.2.2.1 烃类蒸气转

9、化法,水碳比增大，残余甲烷含量降低，且可防止析碳，对转化有利。 经济因素：能耗上升，原料浪费 工业上一般： 3.54。原则：不析碳，原料充分利用，能耗小。,4、空间速率：,简称空速， 每立方米催化剂每小时通过原料气的立方米数，单位m3/m3h。 催化剂活性高时增加空速，可提高生产能力。 空速过高，增加阻力、动力消耗，转化率降低。 实际操作时，二段转化为了使催化剂即将更换时仍能满足工艺要求，可选低一点。 原则：生产能力和催化剂用量。,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,（三）、烃类蒸气转化工艺流程,天然气蒸汽转化的Kellogg（凯洛格）工艺流程现代大型氨最重要的特点是充分回收生产过程的余热，并产生

10、高压蒸气作为动力。由转化系统回收的废热，约占合成氮厂总需热量的50。因余热利用充分合理大大降低了合成氨的生产成本。,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,（四）、烃类蒸气转化主要设备,顶部烧嘴炉（图）炉型 侧壁烧嘴炉（图）梯台烧嘴炉 （图）冷底式按结构 套管式炉管 热底式 单管式排管式2、二段转化炉: 为一立式圆筒，壳体材质是碳钢，内衬耐火材料，炉外有水夹套，凯洛格型 （图）。,1、一段转化炉,排管式,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,一段转化炉 是烃类蒸汽转化的关键设备之一。它由对流段和辐射段组成。,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,3.2.2.1 烃类蒸气转化法,二段

11、转化炉燃烧之前，转化气与空气必须充分混合，以避免局部过热而损坏炉体。因而通入的空气先要经一空气分布器。一种空气分布器的形式如下图。,3.2.2.2 重油部分氧化法,重油：常减压蒸馏及各种深度加工所得残渣油的统称。 是烷烃、环烷烃及芳香烃为主的混合物。 C含量 85%87%, H含量 11%13%，虚拟分子 。,一、化学原理,1.喷嘴喷出的油滴受到气化炉内幅射热的作用，蒸发成油蒸汽,2.部分油蒸气与氧气完全燃烧，放出大量热：,3.2.2.2 重油部分氧化法,3.部分油蒸气与CO2或水蒸气反应，吸收热：,4.重油气化的化学反应与烃类的蒸气催化转化反应有某些类似之处，烃类催化转化中的一些主要反应在重

12、油气化中也同样发生。,主要反应,3.2.2.2 重油部分氧化法,5.析碳反应,析碳反应,危害：C利用率，催化剂活性 ，阻力，影响净化工序,总结：两个阶段： （1）氧化：不可逆，快 （2）转化反应：可逆，慢（甲烷和C黑转化最慢） 与烃类蒸汽转化制气区别： 无催化剂，三相反应，开始就有氧气。,3.2.2.2 重油部分氧化法,二、重油部分氧化法的工艺条件,用最少的重油和气化剂(氧和蒸汽)，得到最大的一氧化碳和氢产率。 烃类转化反应的速度远低于氧化反应速度。 CH4和C黑转化反应速度最慢，起着控制作用，直接影响生产强度和经济指标。,温度： 甲烷、炭黑转化：可逆吸热 升高温度：转化率提高，反应速率提高，

13、残余量下降 温度并不是越高越好：烧坏耐火衬里和喷嘴 适宜温度：12001370 ,压力： 体积增大反应，低压有利转化率提高； 普遍采取加压操作,原因： 加压，提高浓度，反应速度； 加压气化喷嘴雾化效果好，有利于降低C，CH4含量； 设备体积； 节省动力。,3.2.2.2 重油部分氧化法,蒸气用量： 蒸汽油比：kg蒸汽/kg油,3.2.2.2 重油部分氧化法,蒸汽作用： 作为气化剂与各种烃类及炭黑进行反应，降低生成气中甲烷和炭黑的含量； 降低氧耗，增加氢的产量； 缓冲剂作用，控制炉温，防止烧坏喷嘴和气化炉耐火衬里； 还能作为重油的雾化剂提高雾化效果，促使气化剂与油雾混合均匀，加快反应速度。 蒸汽

14、油比过小，反应温度 ，甲烷和炭黑的含量； 蒸汽用量，转化反应速度 ，甲烷和炭黑含量； 蒸汽油比过大，蒸汽消耗 ，反应温度 ，反应速度有效气产率 。 一般为0.40.5公斤蒸汽/公斤重油。,3.2.2.2 重油部分氧化法,三、防止炭黑生成的措施,1、雾化效果好的喷嘴使重油充分雾化后和水蒸汽等均匀混合，进入高温气化炉后，来不及裂解就进行气化反应。2、重油预热过程中温度太高、防止裂解析碳。3、适当的水蒸汽，加速炭黑的转化反应速度。4、原料油中加入微量的硝酸钙。,3.2.2.2 重油部分氧化法,四、重油部分氧化法工艺流程,3.2.2.2 重油部分氧化法,3.2.2.3 固体燃料气化法,比较烃类蒸气转化

15、法和重油部分氧化法，从反应原理、工艺条件、工艺流程及主要设备等方面分析，自学固体燃料气化法。,3.2.3 原料气的净化,3.2.3.1 脱硫3.2.3.2 CO变换3.2.3.3 CO2脱除3.2.3.4 少量CO脱除（最终净化）,3.2.3.1 脱硫,原料气中的硫化物：主要是 硫化氢（H2S），其次是 二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS）、硫醇（RSH）、硫醚（RSR ）和噻吩等有机硫。硫化物的危害：（ 1）催化剂中毒：显著影响甲烷转化、中温变换、低温变换、甲醇合成、氨合成等催化剂的活性。（ 2）腐蚀设备和管道，危害后面工段的生产。,脱硫方法分类：活性炭吸附法（脱除有机硫化物和少量H2S

16、）干法脱硫 接触反应法（用ZnO等进行接触反应脱除）转化法（加氢转化，有机硫转化为H2S ，再脱除）,3.2.3.1 脱硫,以弱碱性吸收剂吸收H2S，吸收液（富液）温度升高和压强降低时分解释放出H2S，解吸的吸收液（贫液）循环使用。氨水催化法、改良蒽醌二磺酸法（ADA法）及有机胺法。,用溶剂选择性地溶解H2S，吸收液压强降低时释放出H2S，溶剂循环使用。低温甲醇洗法、碳酸丙烯酯法和聚乙二醇二甲醚法。,将化学、物理两种方法结合起来。环丁矾法。,3.2.3.1 脱硫,一、干法脱硫,优点：脱硫效率高、操作简便、设备简单、维修方便。 缺点：脱硫剂的硫容量有限再生困难；需定期更换脱硫剂，劳动强度较大。 硫容量：单位质量或体积的脱硫剂所能脱除硫的最大数量。 适用：含S量低、净化度要求高的情况。,