手機(jī)版|
二維碼|
氮和氫在高溫高壓下，經(jīng)催化劑催化可快速合成為氨，這一過程誒稱為合成氨反應(yīng)。氨是化肥工業(yè)的原料，因此工業(yè)上利用合成氨反應(yīng)生產(chǎn)氨就是合成氨工業(yè)。在最初，合成氨工業(yè)是為戰(zhàn)爭服務(wù)的，其生產(chǎn)的氨作為炸藥工業(yè)的原料，一戰(zhàn)結(jié)束后，合成氨工業(yè)轉(zhuǎn)向為工業(yè)農(nóng)業(yè)服務(wù)，并且需求量快速增長。
合成氨反應(yīng)式如下： N2+3H2 - 2NH3 (該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，等號上反應(yīng)條件為：“高溫高壓”，下為：“催化劑”)
氮?dú)饪扇≈诳諝?，將空氣液化分離而得氮?dú)猓蚴箍諝馔ㄟ^燃料層燃燒，將生成的CO和CO2除去而制得。氫氣一般常用含有烴類的各種燃料，即通過用焦炭、無煙煤、天然氣、重油等為原料與水蒸氣作用的方法來制取。
氨的生產(chǎn)過程，粗略的講可分成四步：原料的生產(chǎn)；原料氣的凈化；氨的合成；氨的分離。除氨的合成外，其它過程的轉(zhuǎn)化率和分離率都比較高。由于氨合成的轉(zhuǎn)化率較低，反應(yīng)后的氣體經(jīng)氨分離后循環(huán)返回合成塔。
1、以氣態(tài)烴為原料
制取合成氨的原料氣的氣態(tài)烴主要有天然氣，此外還有煉廠氣、油田氣、焦?fàn)t氣及裂解氣等。生產(chǎn)合成氨原料氣的方法按熱量供給的方式不同，主要有蒸汽轉(zhuǎn)化法和間歇催化轉(zhuǎn)換法。以天燃?xì)鉃樵系膬?yōu)點(diǎn)是，冷熱交替較少，而且變化幅度不大。有明顯的節(jié)能效果。
1）蒸汽轉(zhuǎn)化法
蒸汽轉(zhuǎn)化法分兩段進(jìn)行，一段爐裝有催化劑的轉(zhuǎn)化管內(nèi)，蒸氣與氣態(tài)烴進(jìn)行吸熱的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)所需熱量由管外提供。氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化到一定程度后，送入裝有催化劑的二段爐內(nèi)。加入適量的空氣，與部分可燃性氣體燃燒，為剩余的烴進(jìn)一步轉(zhuǎn)化提供熱量，同時為合成氨的生產(chǎn)提供氮?dú)狻?/p>
該法投資省、能耗低，是生產(chǎn)合成氨最經(jīng)濟(jì)的方法，目前在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。
2）間歇催化轉(zhuǎn)換法
間接催化轉(zhuǎn)換法的生產(chǎn)過程分為吹風(fēng)和制氣兩個階段，并不斷交替進(jìn)行。在吹風(fēng)階段，氣態(tài)烴與空氣在燃燒爐內(nèi)燃燒，生成的煙道氣使催化劑達(dá)到烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的溫度。在制氣的階段，氣態(tài)烴與蒸汽在催化劑層進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，制取合成氨原料氣。
該法不需要制氧裝置，投資省、建廠快，但熱利用率低、原料烴消耗高、操作復(fù)雜，因而應(yīng)用受到限制。
2、以固體燃料為原料
將固體燃料無煙煤或焦炭氣化以制造合成氨原料氣，簡稱造氣。造氣常用的氣化劑有空氣、富氧空氣、氧氣和水蒸氣等。
以空氣為氣化劑制取的煤氣稱為空氣煤氣，以水蒸氣為氣化劑制取的煤氣稱為水煤氣，以空氣和適量水蒸氣為氣化劑制取的煤氣，則為混合煤氣。半水煤氣特指組成符合（CO+H2）與N2體積之比為3.1~3.2的混合煤氣，即合成氨原料氣。
目前工業(yè)上的以固體燃料為原料制取合成氨原料氣的方法，根據(jù)氣化方式不同，主要有固定床間歇?dú)饣?、固定床連續(xù)氣化法、沸騰床連續(xù)氣化法、氣流床連續(xù)氣化法。
這是我國眾多的小化肥廠所采用的流程，這個流程的缺點(diǎn)是冷熱過程交替，溫度變化幅度很大，能耗過大。
3、以重油為原料
以重油作為制氨原料時，采用部分氧化法造氣。重油部分氧化是指重質(zhì)烴類和氧氣進(jìn)行部分燃燒，由于反應(yīng)放出的熱量，使部分碳?xì)浠衔锇l(fā)生熱裂解以及裂解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，最終獲得了以H2和CO為主體，含有少量CO2和CH4（CH4通常在0.5%以下）的合成氣。
重油部分氧化制取合成氣（CO+H2）的工藝流程由四個部分組成：原料油和氣化劑（O2+H2O）的預(yù)熱、油的氣化、出口高溫合成氣的熱能回收、炭黑清除與回收。
粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。
1、變換過程
在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為12%~40%。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。目前廣泛應(yīng)用的變換催化劑有銅催化劑和鐵鉻催化劑。變換的目的就是把一氧化碳變換成氫和易于除凈的CO2，變換過程既是原料氣的凈化，又是原料氣制作的繼續(xù)。變換后的氣體稱為“變換氣”。
2、脫硫脫碳過程
各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除。以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。
工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。
3、氣體精制過程
經(jīng)CO變換和CO2脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得大于10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù))。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過程。 目前在工業(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。甲烷化反應(yīng)是在以鎳為主的催化劑的作用下，在280～380 ℃，以及原有的壓強(qiáng)（0.6～3MPa）下進(jìn)行的。
合成氨的用途很廣，除了本身可以作為化肥外，還可以加工成各種氮肥和含氮復(fù)合肥。在工業(yè)中，氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成塑料、含氮無機(jī)鹽等工業(yè)部門。除此之外，在其他工業(yè)用途也十分廣泛，一般是使用高壓液化鋼瓶存儲，也是冷庫設(shè)備常用的制冷劑。它的發(fā)展將對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。
其中約有80%氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%為其它化工產(chǎn)品的原料。合成氨主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的1/2。硝酸、各種含氮的無機(jī)鹽及有機(jī)中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料。液氨常用作制冷劑，貯運(yùn)商品氨中有一部分是以液態(tài)由制造廠運(yùn)往外地。
此外，為保證制造廠內(nèi)合成氨和氨加工車間之間的供需平衡，防止因短期事故而停產(chǎn)，需設(shè)置液氨庫。液氨庫根據(jù)容量大小不同，有不冷凍、半冷凍和全冷凍三種類型。液氨的運(yùn)輸方式有海運(yùn)、駁船運(yùn)、管道運(yùn)、槽車運(yùn)、卡車運(yùn)。
