一、裝置(zhi)簡介
合(he)(he)成(cheng)氨是(shi)氮(dan)肥的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)，而氮(dan)肥是(shi)農業(ye)生(sheng)(sheng)產(chan)不(bu)(bu)可或缺(que)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)資(zi)料(liao)(liao)(liao)。氨是(shi)重要的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)，通(tong)過(guo)與(yu)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)(su)化(hua)合(he)(he)可以生(sheng)(sheng)產(chan)胺(an)(an)（重要的(de)(de)(de)(de)(de)有機化(hua)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)）、苯(ben)胺(an)(an)（重要的(de)(de)(de)(de)(de)染料(liao)(liao)(liao)原(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)）、酞(tai)胺(an)(an)（重要的(de)(de)(de)(de)(de)抗生(sheng)(sheng)素(su)(su)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)）、硝酸（重要的(de)(de)(de)(de)(de)軍事(shi)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)業(ye)原(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)）等。在合(he)(he)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中，其副產(chan)品如一(yi)氧化(hua)碳、硫等也可成(cheng)為其他化(hua)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)產(chan)品的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。簡單(dan)地說(shuo)，合(he)(he)成(cheng)氨的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)原(yuan)(yuan)理就(jiu)是(shi)把(ba)氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)和氫氣(qi)(qi)(qi)按(an)一(yi)定(ding)比例混合(he)(he)組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)氣(qi)(qi)(qi)，在一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)、壓力條(tiao)件(jian)和催化(hua)劑作用(yong)下進行化(hua)合(he)(he)而成(cheng)。根(gen)據采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)不(bu)(bu)同(tong)以及采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)方法不(bu)(bu)同(tong)，合(he)(he)成(cheng)氨的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)有很多種。就(jiu)目(mu)前的(de)(de)(de)(de)(de)大型合(he)(he)成(cheng)氨裝置所采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)來源(yuan)來說(shuo)，有氣(qi)(qi)(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)（包括天然氣(qi)(qi)(qi)、煉(lian)廠干氣(qi)(qi)(qi)等）、液(ye)體(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)（包括輕質(zhi)液(ye)態(tai)烴(jing)和重質(zhi)液(ye)態(tai)烴(jing)）、固體(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)（例如煤）。就(jiu)合(he)(he)成(cheng)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)來說(shuo)，目(mu)前常用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)有Topsoe 工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)、Braun 工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)、ICI工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)等。不(bu)(bu)同(tong)類型的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)和不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)，采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)流(liu)程(cheng)和生(sheng)(sheng)產(chan)參數有較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)別。這里以氣(qi)(qi)(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)＋Braun工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)為例介紹。
二(er)、典型合成氨(an)裝(zhuang)置的工(gong)藝及特(te)點(dian)
以燃料氣為原料的合成氨工藝，主要(yao)分為脫(tuo)硫、轉化、變換、凈化、壓縮(suo)與合成、冷凍(dong)共六(liu)個環節(jie)。
1. 脫硫(liu)
由(you)于硫(liu)對后(hou)續工序中的(de)催化劑有害，因此對原料(liao)(liao)氣進行(xing)脫(tuo)硫(liu)的(de)目的(de)是(shi)將原料(liao)(liao)氣中的(de)硫(liu)含量脫(tuo)除至一定含量以下。原料(liao)(liao)氣先經過(guo)壓(ya)縮(suo)機加壓(ya)，然(ran)后(hou)逐(zhu)步(bu)換熱進入加氫(qing)(qing)轉化器(qi)，在(zai)催化劑的(de)作(zuo)用下原料(liao)(liao)氣中的(de)各種有機硫(liu)與氫(qing)(qing)氣反應生成硫(liu)化氫(qing)(qing)，然(ran)后(hou)進入脫(tuo)硫(liu)槽內通過(guo)氧(yang)化鋅(xin)將硫(liu)化氫(qing)(qing)脫(tuo)除。
2. 轉化(hua)
轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)就是將烴類(lei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體與(yu)(yu)水蒸氣(qi)(qi)(qi)(qi)、空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)（為合(he)成氣(qi)(qi)(qi)(qi)提供氮(dan)），在一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)條件下化(hua)(hua)合(he)生成氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)、一(yi)(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳、二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳等(deng)混(hun)合(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體的(de)(de)(de)(de)過程。其中，混(hun)合(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體中會殘留甲(jia)(jia)烷(wan)不凝氣(qi)(qi)(qi)(qi)。常用的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)方法(fa)(fa)（美國(guo)凱(kai)洛格(ge)法(fa)(fa)）分為兩段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)，分別為蒸汽轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)和(he)部分氧(yang)(yang)化(hua)(hua)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)。典型的(de)(de)(de)(de)合(he)成氨轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)工序的(de)(de)(de)(de)工藝流程如圖2.32所示。脫(tuo)硫(liu)后的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)態烴與(yu)(yu)中壓蒸汽混(hun)合(he)，進入(ru)一(yi)(yi)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐預熱(re)段(duan)(duan)加熱(re)，然后進入(ru)輻射段(duan)(duan)，在催化(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下進行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)反應(ying)。一(yi)(yi)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)反應(ying)流出物中含殘存甲(jia)(jia)烷(wan)，需要進一(yi)(yi)步進行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)，即將一(yi)(yi)段(duan)(duan)反應(ying)流出物引入(ru)二(er)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐，與(yu)(yu)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)蒸汽的(de)(de)(de)(de)混(hun)合(he)物在二(er)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐內燃燒，進一(yi)(yi)步將甲(jia)(jia)烷(wan)脫(tuo)除(chu)。三段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐的(de)(de)(de)(de)反應(ying)流出物先進入(ru)廢熱(re)鍋爐，副產蒸汽，然后逐(zhu)漸(jian)冷卻送到(dao)變換工序。
3. 變換
變換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)的目的是(shi)將轉化(hua)后(hou)的反應流(liu)出(chu)物（粗(cu)原料(liao)氣(qi)）中的一(yi)氧化(hua)碳與(yu)水蒸(zheng)(zheng)氣(qi)進(jin)行(xing)反應，以達到把一(yi)氧化(hua)碳變換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)成二氧化(hua)碳并(bing)進(jin)行(xing)脫除(chu)。常用(yong)的變換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)工(gong)藝是(shi)將來自轉化(hua)工(gong)序的粗(cu)原料(liao)，與(yu)中壓蒸(zheng)(zheng)汽混(hun)合后(hou)進(jin)入(ru)高溫變換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)爐(lu)并(bing)在催化(hua)劑的作(zuo)用(yong)下進(jin)行(xing)變換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)，進(jin)入(ru)低溫變換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)爐(lu)做進(jin)一(yi)步變換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)。
4. 凈化
凈(jing)(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)目(mu)的(de)是脫除(chu)(chu)粗原(yuan)料(liao)氣中(zhong)的(de)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)，并使其(qi)一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)的(de)總含(han)量降(jiang)低。凈(jing)(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)通(tong)常(chang)(chang)分兩步(bu)(bu)進(jin)(jin)行。第(di)一(yi)(yi)步(bu)(bu)是采用(yong)吸收解(jie)吸的(de)方法（例(li)如，苯菲爾溶液吸收法）脫除(chu)(chu)大量的(de)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)，此(ci)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)過(guo)(guo)程(cheng)也常(chang)(chang)稱為(wei)脫碳(tan)(tan)。由(you)于一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)會(hui)造(zao)成合成氨催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)的(de)中(zhong)毒，所(suo)以還(huan)需要(yao)第(di)二(er)(er)步(bu)(bu)，即(ji)利用(yong)甲(jia)烷(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)方法進(jin)(jin)一(yi)(yi)步(bu)(bu)對粗原(yuan)料(liao)氣中(zhong)的(de)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和(he)一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)進(jin)(jin)行脫除(chu)(chu)。此(ci)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)過(guo)(guo)程(cheng)也常(chang)(chang)稱為(wei)甲(jia)烷(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)過(guo)(guo)程(cheng)。第(di)一(yi)(yi)步(bu)(bu)凈(jing)(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)類似于煉油裝(zhuang)置的(de)酸性水汽提(ti)，其(qi)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)流程(cheng)示(shi)意圖(tu)如圖(tu)2.33所(suo)示(shi)。解(jie)吸出來的(de)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)將作為(wei)尿(niao)素裝(zhuang)置的(de)原(yuan)料(liao)送到尿(niao)素生產裝(zhuang)置。第(di)二(er)(er)步(bu)(bu)凈(jing)(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)是利用(yong)一(yi)(yi)定的(de)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)條(tiao)件（壓力取決(jue)于凈(jing)(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)壓力），并在催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)的(de)作用(yong)下使原(yuan)料(liao)氣中(zhong)的(de)一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)與(yu)氫氣化(hua)(hua)(hua)(hua)合成甲(jia)烷(wan)，從而達(da)到脫除(chu)(chu)一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)的(de)目(mu)的(de)。
5. 壓(ya)縮與(yu)合成
凈(jing)化(hua)(hua)后(hou)的(de)(de)(de)原料氣(qi)(qi)(qi)(qi)在高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)壓(ya)條件和催化(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)作用(yong)下(xia)化(hua)(hua)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氨氣(qi)(qi)(qi)(qi)。典型(xing)的(de)(de)(de)氨合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)工藝(yi)流程示意圖如圖2.34所示。原料氣(qi)(qi)(qi)(qi)經(jing)壓(ya)縮機(ji)一級(ji)壓(ya)縮后(hou)，再(zai)(zai)與循環(huan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)匯(hui)合(he)(he)進(jin)(jin)行(xing)二(er)(er)級(ji)壓(ya)縮。經(jing)逐(zhu)次換熱(re)(re)后(hou)，送入(ru)第一合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)(ta)進(jin)(jin)行(xing)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)反應(ying)(ying)。合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)(ta)底部出(chu)來的(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)(qi)(qi)（含氨氣(qi)(qi)(qi)(qi)、氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)、甲(jia)(jia)烷(wan)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)等(deng)(deng)），經(jing)過廢熱(re)(re)鍋爐（用(yong)于副(fu)產蒸(zheng)汽）降熱(re)(re)后(hou)進(jin)(jin)入(ru)第二(er)(er)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)(ta)、第三合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)(ta)，逐(zhu)次再(zai)(zai)進(jin)(jin)行(xing)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)反應(ying)(ying)。從第三合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)(ta)出(chu)來的(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)(qi)(qi)經(jing)過逐(zhu)次降溫，進(jin)(jin)入(ru)分離器(qi)。分離器(qi)頂部出(chu)來的(de)(de)(de)循環(huan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)（含氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)、甲(jia)(jia)烷(wan)、氦氣(qi)(qi)(qi)(qi)和少量的(de)(de)(de)氨氣(qi)(qi)(qi)(qi)等(deng)(deng)），經(jing)換熱(re)(re)后(hou)循環(huan)利用(yong)。分離器(qi)底部出(chu)來的(de)(de)(de)液氨經(jing)降壓(ya)后(hou)送入(ru)冰(bing)機(ji)氨罐。
6. 冷凍
合成(cheng)工段出來的液(ye)氨(an)(an)最后(hou)被送至冷凍工段，經氣(qi)化和壓縮（冰(bing)機），得到成(cheng)品(pin)液(ye)氨(an)(an)。成(cheng)品(pin)液(ye)氨(an)(an)可送至儲(chu)罐或用戶。
三、介質特點
合成(cheng)氨(an)生產(chan)裝置中含有(you)許多具有(you)特殊性質的介(jie)質，包(bao)括(kuo)一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)碳(tan)、二氧(yang)(yang)(yang)化(hua)碳(tan)、氫氣、硫(liu)化(hua)氫、氨(an)和高溫氮氣。一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)碳(tan)常態下是一(yi)(yi)(yi)種(zhong)無(wu)色(se)、無(wu)臭、無(wu)味氣體，比空氣略輕，在(zai)水中的溶(rong)解度(du)(du)甚低，但易溶(rong)于氨(an)水，主要(yao)表(biao)現為一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)碳(tan)在(zai)血(xue)中與血(xue)紅蛋(dan)白結合而造(zao)成(cheng)組織缺(que)氧(yang)(yang)(yang)，被GB 5044列為高度(du)(du)危害(hai)介(jie)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(qi)等設備的配管設計。
