項(xiàng)目八合成氨生產(chǎn)任務(wù)3氨合成條件的確定氨的合成原理熱效應(yīng)熱力學(xué)分析-平衡動(dòng)力學(xué)分析-速率氨的合成條件轉(zhuǎn)化率反應(yīng)速率安全生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性氨的合成流程溫度、壓力的準(zhǔn)備反應(yīng)熱的利用反應(yīng)物的分離未反應(yīng)物的利用氨合成塔耐高溫耐高壓氨的合成羅茨鼓風(fēng)機(jī)2.5→49kPa造氣脫硫變換合成脫碳變脫壓縮一段壓縮二段0.8MPa壓縮四段2.8MPa壓縮三段壓縮五段壓縮六段12.5MPa銅洗壓縮七段28MPa中型煤制合成氨生產(chǎn)各崗位間的聯(lián)系一、氨合成原理1、合成化學(xué)反應(yīng)方程式（反應(yīng)原理）

氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)：這是一在高溫、高壓并有催化劑存在條件下進(jìn)行的放熱、體積縮小、可逆的反應(yīng)。一、氨合成原理1、合成化學(xué)反應(yīng)方程式（反應(yīng)原理）依據(jù)氨合成反應(yīng)特點(diǎn)，要提高氨合成轉(zhuǎn)化率，必須使合成反應(yīng)向生成物方向移動(dòng)，需要在低溫、高壓下進(jìn)行。另提高反應(yīng)物濃度（H2、N2）或降低生成物濃度（NH3）亦有利于合成反應(yīng)高的合成率。一、氨合成原理1、合成化學(xué)反應(yīng)方程式（反應(yīng)原理）氨合成反應(yīng)能否順利進(jìn)行，首先需要確定合適的合成反應(yīng)條件，而反應(yīng)條件確定的依據(jù)是：在安全性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，其合成轉(zhuǎn)化率要高，另合成反應(yīng)速率要盡可能快。其合成條件的具體實(shí)施取決于采用的合理的氨合成工藝流程及結(jié)構(gòu)合理的合成塔。下述從熱效應(yīng)、化學(xué)平衡、反應(yīng)速率、安全性、經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面進(jìn)行分析。0.02990.02760.02560.02470.02390.02135500.05230.04750.04340.04160.03990.03655000.09960.08840.07900.07490.07130.06414500.21150.18180.15760.14740.13840.12544000.51360.42350.35270.32930.29800.259635040.5330.3920.2715.210.130.1013壓力/MPa溫度/℃表8-4不同溫度、壓力下氨合成反應(yīng)的KP值2、氨合成反應(yīng)的化學(xué)平衡分析結(jié)論：溫度低，壓力高，KP值增大，即有利于氨合成另還有氣體組成亦影響氨合成一、氨合成原理3、氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng)分析表8-5由純3H2+N2生成17.6%NH3，系統(tǒng)的△HF、△HM、△HR

單位kJ/kmol溫度/℃壓力/MPa0.110203040300△HF-51129-53026-55337-57518-59511△HM0419247050917399△HR-51129-52607-52867-52427-52113400△HF-52670-53800-55316-56773-58283△HM0251119327424647△HR-52670-53549-54123-54031-53636500△HF-53989-54722-55546-56497-57560△HM012635611933098△HR-53989-54596-55150-5530455462說明：△HF、△HM、△HR分別為反應(yīng)熱、混合熱和總反應(yīng)熱4、氨合成的催化劑分析⑴化學(xué)組成

氨合成的催化劑常見的是以鐵為主體并添加促進(jìn)劑的催化劑價(jià)廉易得、活性良好、使用壽命長(zhǎng)。

活性組分：金屬鐵。未還原得鐵系催化劑，活性組分為FeO和Fe2O3。Al2O3、MgO是通過改善還原態(tài)鐵的結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)促進(jìn)作用的(屬結(jié)構(gòu)型促進(jìn)劑)；K2O和CaO可使金屬電子的逸出功降低，有利于氮的活性吸附，從而提高催化劑的活性（屬電子型促進(jìn)劑）；CaO可以降低固體的熔點(diǎn)和粘度，有利于Al2O3和Fe3O4固熔體的形成；CaO的加入可使催化劑晶粒減小，比表面增大，以提高催化劑的低溫活性；SiO2除具有“中和”等堿性組分的作用外，還可提高催化劑的抗水毒害和耐燒結(jié)性能。

通常制得的催化劑為黑色不規(guī)則顆粒，有金屬光澤。堆密度隨粒度增大而增大。催化劑還原后Fe3O4晶體被還原成細(xì)小的α-Fe晶體，疏松地處于Al2O3骨架上，其結(jié)構(gòu)變成多孔海綿狀，這些孔呈不規(guī)則樹狀，內(nèi)表面積約為4～16㎡/g。⑵催化劑的結(jié)構(gòu)4、氨合成的催化劑分析4、氨合成的催化劑分析催化機(jī)理5、氨合成的動(dòng)力學(xué)分析⑴化學(xué)反應(yīng)速率影響因素

由化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素分析可知：溫度和組成一定時(shí)，增加壓力使總反應(yīng)速度加快；壓力一定時(shí)，溫度升高，其反應(yīng)速率增大。⑵化學(xué)反應(yīng)速率方程⑶擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)速度的影響同一粒徑時(shí)，隨溫度變化，氨含量增加到一定之后降低；同一溫度下，隨粒徑增加，氨含量增加；綜上分析可知，要使氨合成反應(yīng)速率高，必須控制較高的反應(yīng)溫度、高的反應(yīng)壓力和顆粒小的催化劑。二、氨合成的工藝條件

概述：工藝條件的選擇，一方面應(yīng)盡量滿足反應(yīng)本身的要求，同時(shí)考慮實(shí)際可能的條件，使單位產(chǎn)品的總能耗最低，做到長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1、溫度氨合成反應(yīng)溫度決定于所使用的催化劑及合成塔的結(jié)構(gòu)。因是可逆放熱反應(yīng)，故存在一個(gè)最適宜溫度。具體的溫度主要受采用的催化劑的活性溫度限制。(最佳適宜溫度實(shí)施方案見氨合成塔結(jié)構(gòu))

2、壓力從化學(xué)平衡和反應(yīng)速率角度可知：提高壓力對(duì)反應(yīng)有利，但壓力高低直接影響到設(shè)備的投資、制造和合成氨功耗。能量消耗主要包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。從圖示總功耗在15～30MPa間較小。注意：壓力與總費(fèi)用的關(guān)系。二、氨合成的工藝條件安全性、經(jīng)濟(jì)性

3、空間速度空間速度的大小，不僅與氨凈值（合成塔進(jìn)出口氨含量之差）、循環(huán)氣量、系統(tǒng)阻力降和催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度有關(guān)，還直接影響到反應(yīng)熱的合理利用?？账俚挠绊懭绫硭荆嚎臻g速度/h-11×1042×1043×1044×1045×104出塔氨含量，%21.719.0217.3316.0715.0生產(chǎn)強(qiáng)度/[㎏NH3/(m3·h)]13502417337041604920二、氨合成的工藝條件

4、合成塔進(jìn)口氣體組成

包括：氫氮比、惰氣含量、初始氨含量

⑴最適宜H2/N2比與反應(yīng)偏離平衡的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)接近平衡時(shí)比為3，可獲得最大平衡氨含量；遠(yuǎn)離平衡時(shí)比為1最適宜。實(shí)踐證明：適宜比應(yīng)略低于3（一般為2.5～2.9）。二、氨合成的工藝條件

4、合成塔進(jìn)口氣體組成

⑵惰氣的存在，對(duì)平衡、反應(yīng)速率及動(dòng)力消耗都不利。但要保持較低的惰氣含量需要排放大量的循環(huán)氣，導(dǎo)致原料氣單耗增高。生產(chǎn)中必須根據(jù)新鮮氣中