合成氨工艺教学初探

　　合成氨工艺涵盖的知识面广，涉及到化工基础、化工机械及设备、化工制图、热力学和动力学等知识。许多教师没有接触过生产实际，加上大部分学校没有配套的教学器材和合成氨模拟装置，教学过程枯燥乏味，学生更加抽象难理解，往往课程结束了，却不知道学到了什么。因而在合成氨工艺的教学中，无论是教师还是学生都存在许多困难。在多年的教学过程中，我结合生产实际，逐步对合成氨工艺教学进行了一些探索。
　　一、教师应该是一个“双师型”的教师，才能胜任这门科的教学
　　教师一定要在合成氨生产系统进行过一定的生产实践，熟悉生产的设备、工艺流程、工艺条件。尤其是工艺条件的确定是合成氨工艺的难点，也是整个化工生产的难点，所有化工理论知识在这里交汇。温度、压力、浓度、流量、物料和热量的衡算等理论数据和实际生产要求的数据出现一定偏差，甚至出现脱节，造成教学的难点和学生的迷茫。所以如何把理论知识和生产知识结合起来进行对照、分析，就显得非常重要。
　　二、理清思路，抓住主线条
　　在课堂上要把氨的用途和氨的生产原理和生产过程进行简明扼要的讲解，让学生有一个初步的认识。
　　氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵、氯化铵及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的，同时氨还是生产纯碱的主要原料。
　　氨合成反应式如下：
　　N+3H?葑2NH+Q
　　合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。工艺流程都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程及氨合成过程。
　　1.原料气制备。
　　将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。
　　2.净化。
　　对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程及气体精制过程。
　　（1）一氧化碳变换过程。在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%—40%。合成氨需要的是H和N，因此需要除去合成气中的CO。
　　变换反应如下：
　　CO+H?葑HO+CO
　　由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO和H；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。
　　（2）脱硫脱碳过程。各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除。以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。粗原料气经CO变换以后，变换气中除H 和CO外，还有少量的CO和CH等组分，其中以CO含量最多。CO既是氨合成催化剂的毒物，又是制造纯碱、尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO的脱除必须兼顾这两方面的要求。一般采用溶液吸收法脱除CO。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)、碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法、MEA法。
　　（3）气体精制过程。经CO变换和CO脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO总含量不得大于30ppm。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。
　　目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(<-100℃)条件下用液氮吸收分离少量CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm/m以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO与H反应生成CH和HO的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO)含量脱除到10cm/m以下，但是需要消耗有效成分H，并且增加了惰性气体CH的含量。甲烷化反应如下：
　　CO+3H?葑CH+HO
　　CO+4H?葑CH+2HO
　　3.氨合成。
　　将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%—20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：
　　N+3H?葑2NH(g)
　　三、在教学过程中找到合成氨过程的一些共同点
　　1.脱硫、脱碳、气体精制的共同点。
　　（1）反应原理有共同点：大多都采用溶液吸收和再生两个过程。a.大都是采用碱性溶液吸收；b.吸收过程都是可逆反应；c.反应都放出热量；d.反应后气相介质体积减小；e.再生过程都是吸收的逆反应，都是吸热和体积增大的反应。
　　（2）使用的设备有共同点：a.都使用吸收塔和再生塔；b.吸收塔和再生塔都是钢板卷焊而成的；c.吸收塔必须承受吸收的高压力要求；d.吸收塔的直径小于再生塔。
　　（3）工艺条件有共同点：吸收过程采用低温、加压的方法，再生采用加热、减压的方法。
　　（4）工艺流程有共同点：为了节约能源和动力消耗吸收和再生过程采用互相换热的装置。
　　2.氨的合成和一氧化碳的变换有共同点。
　　（1）反应过程都使用催化剂，开车前必须对催化剂进行升温还原，停车时都要对催化剂进行钝化（缓慢氧化）保护。
　　（2）都是可逆反应，反应不彻底，变换采用两段以上的反应，合成采用气体循环的方式。
　　（3）反应前要求进入塔内气体温度高，都在450℃以上，反应后都是放热反应，反应后温度超出操作温度要求，所以工艺上都采取反应前后的气体进行间壁换热，达到节约热能的目的。
　　（4）因为都是可逆放热反应，化学热力学要求提高温度，以达到快的反应速度，而化学动力学要求降低温度，以提高最终转化率。
　　（5）由于都使用催化剂，同时考虑化学热力学和动力学对温度的相反影响，因此都存在最适宜温度，操作要在最适宜温度附近才能达到高产和合格产品。
　　总之，合成氨的教学需要理论和实践的有机结合，理论知识需要在实践中证明，实际操作需要靠理论知识来指导。教师应该在生产实践中锻炼自己，在理论知识上多下功夫，仔细研究教材和教法，才能达到教学目的。