合成氨过程如何选择和控制工艺条件?

Question

合成氨过程如何选择和控制工艺条件?

Answer 1

氨合成的生产工艺条件必须满足产量高,消耗定额低,工艺流程及设备结构简单,操作方便及安全可靠等要求.决定生产条件的因素是压力、温度、空间速度、气体组成和催化剂等.
一、压力
提高压力,对氨合成反应的平衡和反应速率都是有利的,在一定的空速下,合成压力越高,出口氨浓度越高,氨净值越高,合成塔的生产能力也越大.氨产率是随着压力的升高而上升的.
氨合成压力的高低,是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素.氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压缩功,循环气压缩功和氨分离的冷冻功.提高操作压力,原料气压缩功增加.但合成压力提高时由于氨净值增高,单位氨产品所需的循环气量减少,因而循环气压缩功减少.同时压力高也有利于氨的分离,在较高温度下气氨即可冷凝为液氨,冷冻功减少.实践证明,操作压力在 20~35MPa时总能量消耗较低.
二、温度
氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行,而催化剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性,所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性温度范围内.
通常,将某种催化剂在一定生产条件下具有最高氨生成速率的温度称为最适宜温度,不同的催化剂具有不同的最适宜温度,而同一催化剂在不同的使用时期,其最适宜温度也会改变.例如,催化剂在使用初期活性较强,反应温度可以低些；使用中期活性减弱,操作温度要提高；使用后期活性衰退,操作温度要比使用中期更提高一些.此外,最适宜温度还和空间速度,压力等有关.
空间速度对最适宜温度的影响.在一定空速下,开始时氨产率随着温度的升高而增加；达到最高点后,温度再升高,氨产率反而降低,不同的空间速度都有一个最高点,也就是最适宜温度.所以为了获得最大的氨产率,合成氨的反应随空间速度的增加而相应的提高,在最适宜温度以外,无论是升高或降低温度,氨产率都会下降.
催化剂层内温度分布的理想状况应该是降温状态,即进催化剂层的温度高,出催化剂层的温度比较低,这是一个高速反应（催化剂层上部）与最大平衡（催化剂层下部）相结合的方法,因为刚进入催化剂层的气体中含氨量低,距离平衡又远,需要迅速地进行合成反应以提高含氨量,因此催化剂层上部温度高就能加快反应速率.当气体进入催化剂层下部,气体中含氨量已增高了,催化剂温度低就可以降低逆反应速率,从而提高了气体中平衡氨含量.
催化剂层中温度分布是不均匀的,其中温度最高的点称为热点.
三、空间速度
当操作压力、温度及进塔气组成一定时,对于既定结构的合成塔,增加空间速度也就是增快气体通过催化剂床层的速度,气体与催化剂接触时间缩短,使出塔气中氨含量降低,即氨净值降低.但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少,所以当空速增加时,氨合成的生产强度有所提高,氨产量有所增加.在其他条件一定时,增加空间速度能提高催化剂生产强度.但空速增大,将使系统阻力增大,压缩循环气功耗增加,冷冻功也增大.同时,单位循环气量的产氨量减少,所获得的反应热也相应减少.当单位循环气的反应热降到一定程度时,合成塔就难以维持“自热”.
一般中压法合成氨,空速在20000～40000h－1之间.
四、合成塔进塔气体组成
合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量.当氢氮比为3时,可获得最大的平衡氨浓度,但从氨的反应机理可知,氮的活性吸附是氨合成反应过程中控制步骤,因此适当提高氮气浓度,对氨合成反应速率是有利的.在实际生产中,进塔循环气的氢氮比控制在2.5～2.9比较合适.由于氨合成时氢氮比是按3:1而消耗的,因此补充的新鲜气的氢氮比应控制在3,否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来,造成循环气中氢氮失调.
惰性气体（CH4、Ar）不参加反应,但由于它的存在会降低氢氮气的分压,对化学平衡和反应速率都是不利的,导致氨的生成率下降.同时,由于惰性气体不参与反应,当通过合成塔时,会将塔中的热量带走,造成催化剂层温度下降,而且,还会使压缩机作虚功.
惰性气体来自新鲜气.随着合成反应的进行,惰性气体留在循环气中,新鲜气又不断补充在循环气中,这样循环气中的惰性气体会越来越多,因此必须将惰性气体排出.生产中采用不断排放少量循环气的办法来降低系统惰性气体含量.放空量增加,可使循环气中惰性气体含量降低,提高合成率,但是氢和氮也随之被排出,从而造成氢氮气的损失增大.因此,控制循环气中的惰性气体含量过高或过低都是不利的.
循环气中惰性气体含量的控制,还与操作压力和催化剂活性有关.操作压力较高及催化剂活性较好时,惰性气体含量高一些,也能获得较高的合成率.相反,循环气中惰性气体含量就应该低一些.一般循环气中惰性气体含量控制在12%～18％较为合适.
目前一般采用冷凝法分离反应后气体中的氨,由于不可能把循环气中的氨完全冷凝下来,所以返回合成塔进口的气体多少还含有一些氨.进塔气中的氨含量,主要决定于进行氨分离时冷凝温度和分离效率.冷凝温度愈低,分离效果愈好,进塔气中氨含量也就愈低.降低进塔气中氨含量,可以加快反应速率,提高氨净值和催化剂的生产能力.但将进口氨含量降得过低.势必将循环气冷至很低的温度,使冷冻功耗增大.
合成塔进口氨含量的控制也与合成压力有关.压力高,氨合成反应速率快,进口氨含量可控制高些,压力低,为保持一定的反应速率,进口氨含量应控制得低些.当采用中压时,进塔气中氨含量控制在3.2%～3.8％.