简议合成氨工艺中的方法与技巧

马永胜

摘 要：合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。合成氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料生产，生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。本文简述了合成氨工艺流程，对合成氨工艺中的方法与技巧进行了论述分析。

关键词：合成氨；工艺流程；方法；技巧

1 合成氨工艺流程的分析

世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大部分是合成的氨。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、脱硫脱氮以及气体精制过程。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。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%，所以采用未反应氢氮循环的流程。

2 合成氨工艺中的方法与技巧分析

合成氨工艺采用烃类蒸汽转化法，首先油田伴生气加压至4.05MPa，经预热升温到371℃在脱硫工序脱硫后与水蒸汽混合，进入一段转化炉进行转化制H2反应，一段转化炉出来的转化气进入二段转化炉，在此引入空气，转化气在二段炉内燃烧掉一部分H2，放出热量以供进一步转化，同时获得N2。二段转化气经废热锅炉余热回收后，进入变換系统，气体中的CO与水蒸汽反应，生成CO2和H2，从变换系统出来的气体经脱碳、甲烷化后为合成氨提供纯净的氢氮混合气，氢氮混合气经压缩至14.0MPa，送入合成塔进行合成氨反应。

结合钴钼催化剂的特征，加氢转化反应可在260～400℃范围内进行。但温度对各个转化反应的影响是不同的，有机硫在350℃时，随温度上升其反应速度增加较快，但高于370℃后，反应速度的增加就不显著；若达到430℃以上，则烃类加氢分解及其它副反应将加剧，从预防高温下的结焦和裂化反应考虑，应对催化剂床层的最高温度加以限制，最适宜的操作温度须根据原料烃和催化剂的性能来确定。

氢分压对转化深度和转化速度都有重要影响。氢分压增加，转化速度加大，循环氢气量与所要求的脱硫率和原料烃的性质有关。对天然气脱硫，以加氢转化后气体中的H2浓度在3～5.5%为宜。加氢转化的氢气是一秒钟都不能中断的，因为氢气不仅是脱硫的原料，而且又可以防止高级烃裂解析碳或结焦。

甲烷化以后的合格氢氮气是氨厂最理想的氢源，并且其可以依靠自身的压力进入加氢转化器。气体从合成气压缩机的低压缸出口引出，不经冷却送到加氢转化器的入口，与已经预热的原料天然气汇合后进入脱硫塔进行加氢反应。当合成气压缩机停车或其它原因而使富氢气量低于某一给定值，就需要改合成回路的吹出气以保证氢流量。合成气压缩机停车时，这个临时氢源一般只能用4个小时，压力就不够了。此时还有另外两个氢源，一个来自二氧化碳吸收塔的出口，一个来自合成气压缩机吸入罐的出口。这两个配氢线从原料气压缩机的段间引入。

烃类蒸汽转化是一个吸热反应，因此无论从加快反应平衡还是提高速度方面来看，提高温度有利于转化反应的进行，温度愈高，残余甲烷含量愈低。但转化温度高，会使炉管使用寿命降低、燃料消耗增加。另外，过低的甲烷含量有可能使二段转化炉超温。所以，一段转化炉出口温度控制指标应综合多种因素进行考虑，一般转化炉的反应温度通常为800℃左右。

并且水蒸汽浓度愈高，对转化反应愈有利，在其它条件相同时，水碳比愈大，残余甲烷含量愈低。因此，在烃类蒸汽转化过程中加入过量的水蒸汽。由于加入过量的水蒸汽，转化后剩余的水蒸汽能够满足后续变换工序的需要，同时还为脱碳工序提供再生热源，因此，适当提高水碳比对后续工序也是有利的。但水碳比并非愈大愈好，当水碳比增大到一定数值后，对转化反应的影响已不明显。另外，水碳比增加，即蒸汽量增大，炉管阻力将加大，导致燃料消耗增加，同时还会影响二段炉的操作控制，因此过大的水碳比既不经济，又不利于稳定操作。

二段转化反应是在一个自热式的内衬耐火材料的圆筒式反应炉内进行的，在此引入空气，空气中的氧与一段转化出口气中的H2发生燃烧，燃烧热用来进一步转化残余甲烷。同时补入系统的空气量，可满足合成反应对氮气的需要。

应用烃类蒸汽转化法合成氨厂普遍采用两段变换。第一段为高温变换，大部分CO在这一段通过变换反应脱除，操作温度在330～485℃，温升不超过120℃，高变出口CO含量为2～4%；第二段为低温变换，CO浓度在这一段趋向平衡值，操作温度在180～260℃，温升不超过45℃，低变炉出口CO浓度为0.2～0.5%。

压力对变换反应平衡无影响，而变换催化剂的活性却随压力提高而增加。在相同的温度、水气比和空速条件下，压力愈高，变换率也愈大，但其效果愈来愈小。高变催化剂在使用之前先要活化，将Fe2O3还原为Fe3O4。

3 结束语

合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，在国民经济中占有重要地位。氨是化学工业的重要原料之一，具有非常广泛的用途，因此對合成氨工艺中的方法与技巧进行分析具有重要意义。

参考文献：

[1]徐松华等.探讨节能减排技术在合成氨生产中的应用[J].科技信息，2011（25）.

[2]李长新.合成氨生产合成工段工艺研究[J].科技资讯，2014（25）.