一、裝置簡介


  合成氨是氮肥的基礎原料，而氮肥是農業生產不可或缺的生產資料。氨是重要的化工原料，通過與不同的元素化合可以生產胺（重要的有機化工原料）、苯胺（重要的染料原材料）、酞胺（重要的抗生素原料）、硝酸（重要的軍事工業原材料）等。在合成的生產過程中，其副產品如一氧化碳、硫等也可成為其他化工產品的原材料。簡單地說，合成氨的生產原理就是把氮氣和氫氣按一定比例混合組成的原料氣，在一定的溫度、壓力條件和催化劑作用下進行化合而成。根據采用的原料不同以及采用的合成方法不同，合成氨的生產工藝有很多種。就目前的大型合成氨裝置所采用的原材料來源來說，有氣體原料（包括天然氣、煉廠干氣等）、液體原料（包括輕質液態烴和重質液態烴）、固體原料（例如煤）。就合成工藝來說，目前常用的有Topsoe 工藝、Braun 工藝、ICI工藝等。不同類型的原材料和不同的生產工藝，采用的生產流程和生產參數有較大的差別。這里以氣體原料＋Braun工藝為例介紹。



二、典型合成氨裝置的工藝及特點


  以燃料氣為原料的合成氨工藝，主要分為脫硫、轉化、變換、凈化、壓縮與合成、冷凍共六個環節。


 1. 脫硫 


   由于硫對后續工序中的催化劑有害，因此對原料氣進行脫硫的目的是將原料氣中的硫含量脫除至一定含量以下。原料氣先經過壓縮機加壓，然后逐步換熱進入加氫轉化器，在催化劑的作用下原料氣中的各種有機硫與氫氣反應生成硫化氫，然后進入脫硫槽內通過氧化鋅將硫化氫脫除。


 2. 轉化 


   轉化就是將烴類氣體與水蒸氣、空氣（為合成氣提供氮），在一定的條件下化合生成氫氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳等混合氣體的過程。其中，混合氣體中會殘留甲烷不凝氣。常用的轉化方法（美國凱洛格法）分為兩段轉化，分別為蒸汽轉化和部分氧化轉化。典型的合成氨轉化工序的工藝流程如圖2.32所示。脫硫后的氣態烴與中壓蒸汽混合，進入一段轉化爐預熱段加熱，然后進入輻射段，在催化劑的作用下進行轉化反應。一段轉化的反應流出物中含殘存甲烷，需要進一步進行轉化，即將一段反應流出物引入二段轉化爐，與空氣和蒸汽的混合物在二段轉化爐內燃燒，進一步將甲烷脫除。三段轉化爐的反應流出物先進入廢熱鍋爐，副產蒸汽，然后逐漸冷卻送到變換工序。


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 3. 變換 


   變換的目的是將轉化后的反應流出物（粗原料氣）中的一氧化碳與水蒸氣進行反應，以達到把一氧化碳變換成二氧化碳并進行脫除。常用的變換工藝是將來自轉化工序的粗原料，與中壓蒸汽混合后進入高溫變換爐并在催化劑的作用下進行變換，進入低溫變換爐做進一步變換。


 4. 凈化 


   凈化的目的是脫除粗原料氣中的二氧化碳，并使其一氧化碳和二氧化碳的總含量降低。凈化通常分兩步進行。第一步是采用吸收解吸的方法（例如，苯菲爾溶液吸收法）脫除大量的二氧化碳，此工藝過程也常稱為脫碳。由于一氧化碳和二氧化碳會造成合成氨催化劑的中毒，所以還需要第二步，即利用甲烷化的方法進一步對粗原料氣中的二氧化碳和一氧化碳進行脫除。此工藝過程也常稱為甲烷化過程。第一步凈化工藝類似于煉油裝置的酸性水汽提，其工藝流程示意圖如圖2.33所示。解吸出來的二氧化碳將作為尿素裝置的原料送到尿素生產裝置。第二步凈化是利用一定的工藝條件（壓力取決于凈化壓力），并在催化劑的作用下使原料氣中的一氧化碳和二氧化碳與氫氣化合成甲烷，從而達到脫除一氧化碳和二氧化碳的目的。


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 5. 壓縮與合成 


   凈化后的原料氣在高溫、高壓條件和催化劑的作用下化合成氨氣。典型的氨合成工藝流程示意圖如圖2.34所示。原料氣經壓縮機一級壓縮后，再與循環氣匯合進行二級壓縮。經逐次換熱后，送入第一合成塔進行合成反應。合成塔底部出來的合成氣（含氨氣、氫氣、氮氣、甲烷、氮氣等），經過廢熱鍋爐（用于副產蒸汽）降熱后進入第二合成塔、第三合成塔，逐次再進行合成反應。從第三合成塔出來的合成氣經過逐次降溫，進入分離器。分離器頂部出來的循環氣（含氫氣、氮氣、甲烷、氦氣和少量的氨氣等），經換熱后循環利用。分離器底部出來的液氨經降壓后送入冰機氨罐。


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 6. 冷凍 


   合成工段出來的液氨最后被送至冷凍工段，經氣化和壓縮（冰機），得到成品液氨。成品液氨可送至儲罐或用戶。



三、介質特點


  合成氨生產裝置中含有許多具有特殊性質的介質，包括一氧化碳、二氧化碳、氫氣、硫化氫、氨和高溫氮氣。一氧化碳常態下是一種無色、無臭、無味氣體，比空氣略輕，在水中的溶解度甚低，但易溶于氨水，主要表現為一氧化碳在血中與血紅蛋白結合而造成組織缺氧，被GB 5044列為高度危害介質。


  氨標準狀態下沸點為-33.35℃，臨界溫度為132.4℃，標準狀態下凝固溫度為-77.7℃，氨在常溫、常壓下為具有特殊性惡臭的無色有毒氣體，比空氣輕。在常壓下，冷卻到143℃或在148℃加壓到1.0MPa，氨可凝結為液體（稱為液氨）。液氨氣化時吸收大量的熱，所以氨可用作制冷劑。氨是極性分子，易溶于極性溶劑如水或酒精中。在常溫下，1 體積水約可溶解700體積氨。氨的水溶液叫做氨水。氨在常溫下穩定，但是在高溫下可分解成氫和氮。液氨易引起碳鋼和低合金鋼的應力腐蝕開裂（ASCC）。



四、合成氨裝置的配管設計


  主要是對塔、罐、泵、反應器等設備的配管設計。