氨合成

氨合成概述

氨合成的定义

氨合成：英文名（ammonia synthesis），指合成氨原料气（氮氢混合气）在高温、高压和催化剂存在下直接合成为氨的工艺过程。

反应方程式为：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)

氢气是合成氨生产过程中的主要原料，是氨合成的有效气体成分。在合成氨生产过程中提高氢气利用率,是降低生产成本最有效、最便捷的方式。

氨合成的工艺流程

氨合成反应是放热、缩小体积的可逆反应，温度、压力对此反应的化学平衡有影响。当混合气中氢氮摩尔比为3时，氨平衡浓度随着温度降低、压力增加而提高。但在较低温度下，氨合成的反应速度十分缓慢，需采用催化剂来加快反应。由于受到所用催化剂活性的限制，温度不能过低，因此为提高反应后气体中的氨含量，氨合成宜在高压下进行。当工业上用铁催化剂时，压力大多选用15.2～30.4MPa(150～300atm)，即使在这样压力条件下操作，每次也只有一部分氮气和氢气反应为氨，因此氨合成塔出口气体中氨浓度通常为10%～20%（体积）。决定反应的主要因素是铁催化剂的活性，反应所产生的氨与氮气、氢气的分离以及氮、氢气的循环使用。

反应催化剂

铁催化剂的活性氨合成采用添加有助催化剂的铁催化剂。助催化剂的成分有氧化钾、氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化钴等。开工前铁催化剂的主要成分为四氧化三铁(见金属氧化物催化剂)，它对氨合成反应没有催化作用，投用前需用氢气将其还原成金属铁才有活性。不同还原条件下得到的催化活性有很大差异。正常生产时，铁催化剂常因氮氢混合气中含有少量硫化合物、碳的氧化物等气体而降低活性，通常规定一氧化碳和二氧化碳不超过10ppm（体积）。铁催化剂的寿命(见催化剂寿命)与其制造质量、使用条件有密切关系，短的1～2年，长的可达8～9年。

氨的分离

氨合成的单程转化率不高，为了获得产品氨，需将氨气从氨合成反应器出口气体中分离出来。工业上通常用两种方法：

①冷凝法：利用氨的临界温度比氮、氢高的特点，只需把含氨混合气冷却，其中的氨即可从气态冷凝成液态。温度越低，冷凝的氨越多。工业生产都采用产品液氨作制冷剂。为了节省制冷剂用量，混合气先用水冷却。

②吸收法：利用氨气在水中的溶解度比氮、氢气大的性质，在高压下用水吸收，制成浓氨水。从浓氨水制取液氨尚需经过氨水精馏、氨气冷凝等步骤，消耗热能较多，工业上已很少采用。

循环流程

为使氨合成反应器出口气中的氮、氢气在氨气分离以后能继续循环利用，采用循环流程，以便返回到氨合成反应器。此法的保证条件是：

①不断补充新鲜氮氢混合气进入循环回路；

②从氨合成反应器出口气体中分离氨；

③为补偿循环回路气体压力损失设置循环气压缩机；

④回收利用氨合成反应热；

⑤为避免新鲜氮氢混合气中少量甲烷和氩等惰性气体在回路中积累过多，必须排放适量的循环气。

为此，设计有多种回路流程。早期氨合成流程多采用往复式循环压缩机，反应热未能充分利用。反应器出口气体先经水冷却，一部分氨被冷凝，再进入氨分离器。为降低循环气中甲烷、氩的含量，出氨分离器后的气体要少量放空，大部分则进入循环气压缩机，补充压力后进入滤油器，新鲜氮氢混合气也在此加入。

反应器出口气体通过冷交换器内上部的换热器与分离液氨后的循环气体换热，然后在氨冷凝器中冷却到0℃以下,使大部分氨冷凝并返回冷交换器内下部的分离器，在此分离出液氨。分离氨后的气体去上部换热器，被加热到20～30℃进氨合成塔，从而完成一个循环。

现代合成工艺

现代氨合成流程采用离心式循环压缩机。反应器出口气体先经过锅炉给水预热器，回收一部分热能后再通过换热器，将反应器入口气体加热到130～140℃。再通过水冷却器，冷交换器，第一、第二氨冷凝器,冷却到0℃以下，大部分氨冷凝下来。在氨分离器中将液氨分离后，循环气经冷交换器进入压缩机，与新鲜气混合，再经换热，最后进入氨合成反应器。如此循环操作，进行生产。为了回收循环气中弛放的氢气，近年来工业上开发了膜分离、变压吸附和深冷分离三种方法，有的氨厂已经采用。

参考资料