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1、氨的合成工艺摘要：目前，合成氨的反应机理，是先利用氮分子在铁催化剂的表面进行化学吸附， 减弱氮原子间的化学键，然后让化学吸附的氢原子与表面上的氮分子不断地作用，在 催化剂表面生成NH、NH2及NH3，最后让氨分子在表面上脱吸生成气态的氨。 关键词：合成氨 无机化工 净化过程 催化机理氨是无机化工中的重要产品，在工农业生产中占有重要位置。农业生产上使用的氮肥，都是以氨为原料生产的。由于合成氨的广泛使用，使氨成为大宗的化工产品，现在世界上每年的合成氨产量已经超过 1亿吨，其中的有80%氨用来生产化肥，20% 用作其它的化工产品原料。所谓合成氨是指将氮和氢在高温高压环境下利用催化剂直 接合成的氨，分
2、子式为nh3。世界上的氨绝大部分是合成氨，只有少量是从焦炉气中 回收来的。合成氨的原料分为气体原料、液体原料和固体原料。经过百年的研究发展，合成氨技术 日臻成熟，形成了很多种不同的工艺流程，这些工艺都是由三个基本部分组成，分为原料气 的制备过程、净化过程和氨的合成过程。一、工艺流程（一）合成氨的工艺流程1原料气制备。首先利用天然气和煤等原料制成含氮和氢的粗原料气。一般情况下 固体原料煤和焦炭，采用气化方法制成合成气；渣油则采用非催化部分氧化方法得到 合成气；而石脑油和气态烃类是利用二段蒸汽转化法制得合成气。2.净化。将粗原料气再进行净化处理，除去杂质气体。该过程主要有变换过程、脱 硫脱碳过程和
3、气体精制过程三步。（1）一氧化碳变换过程在合成氨的生产中，各种方法的原料气都含有 CO,所占的比例在12%40%。而 CO在合成氨生产中是无用的，所以，要除去原料气中的 CO,保留氢和氮。具体变换 过程如下：CO+H2O-H2+CO2 =-41.2kJ/ mol 0298HACO在变换过程中会释放很多热量，必须采取分段进行的方式以利于反应热的回 收利用。第一步是高温变换，让大部分 CO变换为h2和CO2；第二步是低温变换， 进一步将CO的含量降到0.3%左右。（2）脱硫脱碳过程粗原料气中含有硫和碳的氧化物，这些氧化物会使合成氨在生产过程中出现催化 剂中毒，必须在氨的合成工序前进行脱除，工业脱硫
4、的方法很多，通常是采用化学或 物理吸收的方法，主要有低温甲醇洗法和聚乙二醇二甲醚法等。粗原料气经过CO变换以后，气体中含有 H2、CO、CO2和CH4等组分，而CO2 既能使氨合成催化剂中毒，同时又是制造碳酸氢铵和尿素等氮肥的重要原料。所以在 CO2的脱除过程中要兼顾这两方面。多数情况采取溶液吸收法脱除 co2。具体脱除分为两大类，物理吸收法和化学 吸收法。（3）气体精制过程原料气虽然经过CO变换和CO2脱除，但还含有少量的CO和co2。生产工艺规 定CO和CO2总含量不能大于10cm3/m3（体积分数），否则容易导致催化剂中毒。所以， 在原料气进入合成工序之前，要进行最终的净化，也就是精制过
5、程。最终净化法分为 甲烷化法和深冷分离法。甲烷化法是在催化剂的作用下使少量CO、co2和h2反应，生成ch4与H2O的一种净化过程。利用这种方法可以使气体CO、CO2的含量降低到10cm3/m3以下，在脱除碳的过程中要消耗部分 H2，而且使惰性气体CH4的含量增加。 甲烷化法反应如下：CO+3H2-CH 4+H2O =- 206.2kJ/mol 0298HACq+-CH 4+2H2O =- 165.1kJ/mol 029沁深冷分离法是液氮洗法，在深度冷冻（-100 C）的条件下利用液氮吸收少量 CO， 同时也能脱除甲烷和大部分氩，获得 100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法常和 空分、
6、低温甲醇洗结合在一起使用。3.合成氨。将经过净化的氮、氢混合气进行压缩产生高压，再利用催化剂的作用合成氨。由于反应后气体中氨的含量降低，只有10%20%，所以，采取未反应氢氮气循环流程方式。氨合成化学反应如下：N2+3H2-2NH 3（g） =-92.4kJ/mol（二）合成氨的催化机理目前，合成氨的反应机理，是先利用氮分子在铁催化剂的表面进行化学吸附，减 弱氮原子间的化学键，然后让化学吸附的氢原子与表面上的氮分子不断地作用，在催化剂表面生成NH、NH2及NH3，最后让氨分子在表面上脱吸生成气态的氨。反 应方程式为：xFe + fFe XNFe N + H 吸 fFe NHXXFe NH +
7、H 吸 fFe NHOxx 2Fe NH + H 吸 Fe NH xFe+NHx 2x 33如果没有催化剂的作用，氨的合成反应需要的活化能很高。加入铁催化剂后，反应分为生成氮化物和氮氢化物两个阶段。前一阶段的反应活化能是126kJ/mol167kJ/mol，后一阶段的反应活化能为13kJ/mol。反应活化能降低，反应速率加快。（三）催化剂的中毒催化剂在合成氨的过程中，因接触了少量的杂质而使活性显著降低甚至被破坏的 现象称为催化剂中毒。中毒又分为永久性中毒和暂时性中毒两种。在合成氨反应中的 铁催化剂，CO、CO2、O2和水蒸气等都能够使催化剂中毒。利用纯净的氮、氢混合 气体通过中毒的催化剂，又能
8、恢复催化剂的活性，这种中毒称为暂时性中毒。相反， 含S、As、P的化合物会使铁催化剂永久性中毒，即催化剂中毒后，完全失去活性， 即使再用纯净的氮、氢混合气体处理，也很难恢复其活性。二、生产方法合成氨的主要原料有重质油、天然气、石脑油和煤（或焦炭）等。1. 重质油制氨。重质油是指经过各种深度加工剩余的渣油，可以用部分氧化法制取合 成氨的原料气，生产过程要比天然气蒸气转化法简单，但此方法需要用到空气分离装 置将制得的氧用于重质油气化，而氮作为氨的合成原料以外，液态的氮还用来脱除甲 烷、一氧化碳和氩气的洗涤剂。2. 天然气制氨。天然气先经过脱硫，在通过二次转化，分别经过一氧化碳变换和二氧化碳脱除等工
9、序，得到氮氢混合气体，使其一氧化碳和二氧化碳的浓度降到0.1 %0.3 % （体积），在经过甲烷化作用除去得到氢氮摩尔比是3的纯净气，经过压缩机压缩后送入氨合成回路得到氨冏。用石脑油做原料的合成氨生产流程和这一流程基本一样。3. 煤（焦炭）制氨。由于石油化工与天然气化工的快速发展，用煤（焦炭）做原料制 取氨的方法已经很少采用了。近年来随着能源格局的显著变化，煤制氨的方法又重新 被重视起来，国外主要采用粉煤气化技术制氨，中国的转向型煤制气技术也已经非常 成熟。总结随着合成氨技术的不短发展，合成氨的生产原理不会出现新的不会出现新变化， 合成氨技术发的展也将继续围绕着提高运行周期、降低生产成本、改善经济性的为 基本目标，体现在大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、运行周期长等方面进行技术的研究开发。参考文献：沈之宇,张庆武，阎镜予,薛美盛，吴刚，孙德敏;合成氨生产系统的两步逐级正交优化J;中国 科学技术大学学报；2010年02期李彬;氨复合吸附剂的制备研究D；四川大学；2009年陈运根,刘华彦，孙勤，程榕，贾继宁;氨合成工艺技术的新进展J；化肥工业;2010年05期李贵贤，崔锦峰，张建强,张汉鹏，索继栓;天然气制氨工艺技术比较与进展J;化肥工业;2011 年01期
