一、裝置簡介
合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)是(shi)(shi)氮肥(fei)的基礎原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，而氮肥(fei)是(shi)(shi)農業(ye)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)不(bu)可(ke)或(huo)缺的生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)資料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)。氨(an)是(shi)(shi)重要(yao)的化(hua)(hua)工(gong)(gong)(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，通過與不(bu)同的元(yuan)素(su)化(hua)(hua)合(he)(he)可(ke)以(yi)(yi)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)胺（重要(yao)的有(you)機化(hua)(hua)工(gong)(gong)(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）、苯胺（重要(yao)的染料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)原(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）、酞胺（重要(yao)的抗生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）、硝(xiao)酸（重要(yao)的軍(jun)事工(gong)(gong)(gong)業(ye)原(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）等(deng)(deng)。在合(he)(he)成(cheng)(cheng)的生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)過程中，其(qi)副(fu)產(chan)品如一(yi)氧化(hua)(hua)碳、硫等(deng)(deng)也(ye)可(ke)成(cheng)(cheng)為(wei)其(qi)他化(hua)(hua)工(gong)(gong)(gong)產(chan)品的原(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)。簡單地說(shuo)，合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)的生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)就是(shi)(shi)把氮氣(qi)和(he)(he)(he)(he)氫氣(qi)按一(yi)定比例混合(he)(he)組成(cheng)(cheng)的原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)氣(qi)，在一(yi)定的溫度、壓力條件和(he)(he)(he)(he)催(cui)化(hua)(hua)劑作用下進行(xing)化(hua)(hua)合(he)(he)而成(cheng)(cheng)。根據采(cai)用的原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)不(bu)同以(yi)(yi)及(ji)采(cai)用的合(he)(he)成(cheng)(cheng)方法(fa)不(bu)同，合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)的生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)有(you)很多種(zhong)。就目前的大型合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)裝(zhuang)置所(suo)采(cai)用的原(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)來源來說(shuo)，有(you)氣(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)（包(bao)括(kuo)天然氣(qi)、煉(lian)廠干氣(qi)等(deng)(deng)）、液體(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)（包(bao)括(kuo)輕(qing)質液態(tai)烴和(he)(he)(he)(he)重質液態(tai)烴）、固體(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)（例如煤）。就合(he)(he)成(cheng)(cheng)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)來說(shuo)，目前常用的有(you)Topsoe 工(gong)(gong)(gong)藝(yi)、Braun 工(gong)(gong)(gong)藝(yi)、ICI工(gong)(gong)(gong)藝(yi)等(deng)(deng)。不(bu)同類型的原(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)和(he)(he)(he)(he)不(bu)同的生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)，采(cai)用的生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)流程和(he)(he)(he)(he)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)參數有(you)較(jiao)大的差別。這里以(yi)(yi)氣(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)＋Braun工(gong)(gong)(gong)藝(yi)為(wei)例介紹。
二、典型(xing)合成(cheng)氨裝置的(de)工藝及特(te)點(dian)
以燃(ran)料(liao)氣為(wei)原料(liao)的合(he)(he)成氨(an)工藝，主要分為(wei)脫硫、轉化(hua)、變換(huan)、凈化(hua)、壓(ya)縮(suo)與合(he)(he)成、冷凍(dong)共(gong)六個環節。
1. 脫硫
由(you)于硫(liu)(liu)對(dui)后(hou)續工序中的(de)(de)催化劑有害，因此對(dui)原料氣進(jin)(jin)行(xing)脫硫(liu)(liu)的(de)(de)目的(de)(de)是將(jiang)原料氣中的(de)(de)硫(liu)(liu)含(han)(han)量(liang)脫除(chu)至一定含(han)(han)量(liang)以下。原料氣先經過壓縮機加壓，然后(hou)逐步換熱進(jin)(jin)入加氫轉化器，在催化劑的(de)(de)作用(yong)下原料氣中的(de)(de)各種有機硫(liu)(liu)與氫氣反應(ying)生成硫(liu)(liu)化氫，然后(hou)進(jin)(jin)入脫硫(liu)(liu)槽(cao)內通過氧(yang)化鋅將(jiang)硫(liu)(liu)化氫脫除(chu)。
2. 轉化
轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)就是將烴類氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)與水(shui)蒸(zheng)氣(qi)(qi)(qi)(qi)、空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)（為(wei)(wei)合(he)(he)(he)成氣(qi)(qi)(qi)(qi)提供氮(dan)），在(zai)(zai)(zai)一定的(de)(de)(de)條件下化(hua)(hua)合(he)(he)(he)生成氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)、一氧化(hua)(hua)碳(tan)、二(er)氧化(hua)(hua)碳(tan)等混(hun)合(he)(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)(de)過程(cheng)。其中，混(hun)合(he)(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)中會(hui)殘留甲烷不(bu)凝氣(qi)(qi)(qi)(qi)。常(chang)用的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)方法(fa)（美國凱(kai)洛(luo)格(ge)法(fa)）分(fen)為(wei)(wei)兩(liang)段(duan)(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)，分(fen)別為(wei)(wei)蒸(zheng)汽(qi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)和(he)(he)部分(fen)氧化(hua)(hua)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)。典(dian)型的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)成氨轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)工(gong)序(xu)的(de)(de)(de)工(gong)藝流程(cheng)如圖2.32所示。脫硫后(hou)的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)態烴與中壓蒸(zheng)汽(qi)混(hun)合(he)(he)(he)，進(jin)(jin)(jin)入一段(duan)(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)預熱段(duan)(duan)(duan)(duan)加熱，然后(hou)進(jin)(jin)(jin)入輻射段(duan)(duan)(duan)(duan)，在(zai)(zai)(zai)催化(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)作用下進(jin)(jin)(jin)行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)反(fan)(fan)應。一段(duan)(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)反(fan)(fan)應流出物(wu)中含殘存甲烷，需(xu)要進(jin)(jin)(jin)一步進(jin)(jin)(jin)行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)，即(ji)將一段(duan)(duan)(duan)(duan)反(fan)(fan)應流出物(wu)引入二(er)段(duan)(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)，與空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)(he)蒸(zheng)汽(qi)的(de)(de)(de)混(hun)合(he)(he)(he)物(wu)在(zai)(zai)(zai)二(er)段(duan)(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)內燃燒，進(jin)(jin)(jin)一步將甲烷脫除。三(san)段(duan)(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)的(de)(de)(de)反(fan)(fan)應流出物(wu)先(xian)進(jin)(jin)(jin)入廢熱鍋爐(lu)，副(fu)產蒸(zheng)汽(qi)，然后(hou)逐漸冷卻送(song)到變(bian)換工(gong)序(xu)。
3. 變換
變(bian)(bian)(bian)換(huan)的目的是將轉(zhuan)化(hua)(hua)后的反(fan)應(ying)流(liu)出物（粗原料(liao)氣(qi)）中(zhong)(zhong)的一氧(yang)化(hua)(hua)碳與(yu)水蒸氣(qi)進行(xing)反(fan)應(ying)，以(yi)達到(dao)把一氧(yang)化(hua)(hua)碳變(bian)(bian)(bian)換(huan)成二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳并進行(xing)脫除。常用的變(bian)(bian)(bian)換(huan)工(gong)(gong)藝是將來自轉(zhuan)化(hua)(hua)工(gong)(gong)序的粗原料(liao)，與(yu)中(zhong)(zhong)壓蒸汽混合(he)后進入高溫變(bian)(bian)(bian)換(huan)爐并在催化(hua)(hua)劑的作用下(xia)進行(xing)變(bian)(bian)(bian)換(huan)，進入低溫變(bian)(bian)(bian)換(huan)爐做進一步(bu)變(bian)(bian)(bian)換(huan)。
4. 凈(jing)化
凈(jing)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)是脫(tuo)除(chu)粗(cu)原料(liao)氣(qi)中的(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)，并使其(qi)一氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)的(de)(de)總含量降低。凈(jing)化(hua)(hua)(hua)通(tong)常(chang)分兩(liang)步(bu)進行。第一步(bu)是采用(yong)吸收解吸的(de)(de)方法(fa)（例如(ru)，苯菲爾溶(rong)液(ye)吸收法(fa)）脫(tuo)除(chu)大量的(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)，此工(gong)藝過程也(ye)常(chang)稱為脫(tuo)碳(tan)(tan)(tan)。由(you)于一氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)會造(zao)成合成氨催(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)中毒，所以還需要(yao)第二(er)(er)步(bu)，即利(li)用(yong)甲(jia)烷化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)方法(fa)進一步(bu)對粗(cu)原料(liao)氣(qi)中的(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)一氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)進行脫(tuo)除(chu)。此工(gong)藝過程也(ye)常(chang)稱為甲(jia)烷化(hua)(hua)(hua)過程。第一步(bu)凈(jing)化(hua)(hua)(hua)工(gong)藝類似于煉油裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)酸性水汽(qi)提，其(qi)工(gong)藝流程示(shi)(shi)意圖如(ru)圖2.33所示(shi)(shi)。解吸出來的(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)將作為尿(niao)素(su)裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)原料(liao)送到尿(niao)素(su)生(sheng)產裝(zhuang)置(zhi)。第二(er)(er)步(bu)凈(jing)化(hua)(hua)(hua)是利(li)用(yong)一定的(de)(de)工(gong)藝條件（壓力(li)取決(jue)于凈(jing)化(hua)(hua)(hua)壓力(li)），并在(zai)催(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)作用(yong)下使原料(liao)氣(qi)中的(de)(de)一氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)與(yu)氫氣(qi)化(hua)(hua)(hua)合成甲(jia)烷，從(cong)而達到脫(tuo)除(chu)一氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。
5. 壓縮與合成
凈化(hua)(hua)(hua)后的(de)(de)(de)原料氣(qi)(qi)(qi)(qi)在高溫(wen)(wen)、高壓條件和催化(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)作用下化(hua)(hua)(hua)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氨(an)氣(qi)(qi)(qi)(qi)。典型的(de)(de)(de)氨(an)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)工(gong)藝流程示(shi)(shi)意(yi)圖如圖2.34所示(shi)(shi)。原料氣(qi)(qi)(qi)(qi)經(jing)壓縮(suo)機一級壓縮(suo)后，再(zai)與(yu)循環(huan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)匯合(he)(he)進(jin)(jin)行(xing)(xing)二級壓縮(suo)。經(jing)逐次換(huan)熱后，送入(ru)第一合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔進(jin)(jin)行(xing)(xing)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)反應。合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔底(di)部(bu)出(chu)(chu)來(lai)的(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)(qi)(qi)（含氨(an)氣(qi)(qi)(qi)(qi)、氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)、甲烷、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)等），經(jing)過(guo)廢熱鍋爐(lu)（用于副產蒸汽）降熱后進(jin)(jin)入(ru)第二合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔、第三(san)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔，逐次再(zai)進(jin)(jin)行(xing)(xing)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)反應。從第三(san)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)塔出(chu)(chu)來(lai)的(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)(qi)(qi)經(jing)過(guo)逐次降溫(wen)(wen)，進(jin)(jin)入(ru)分(fen)(fen)離器。分(fen)(fen)離器頂部(bu)出(chu)(chu)來(lai)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)、甲烷、氦氣(qi)(qi)(qi)(qi)和少量的(de)(de)(de)氨(an)氣(qi)(qi)(qi)(qi)等），經(jing)換(huan)熱后循環(huan)利用。分(fen)(fen)離器底(di)部(bu)出(chu)(chu)來(lai)的(de)(de)(de)液氨(an)經(jing)降壓后送入(ru)冰機氨(an)罐。
6. 冷凍
合成(cheng)工(gong)段出來(lai)的液氨最后(hou)被(bei)送至冷(leng)凍工(gong)段，經氣化和壓縮（冰機），得到(dao)成(cheng)品液氨。成(cheng)品液氨可送至儲罐或用(yong)戶(hu)。
三、介(jie)質特點
合成氨(an)生產裝置中(zhong)(zhong)含有許多具有特殊性質(zhi)的(de)介質(zhi)，包括(kuo)一(yi)(yi)(yi)氧化碳(tan)、二(er)氧化碳(tan)、氫(qing)氣(qi)、硫化氫(qing)、氨(an)和高溫(wen)氮氣(qi)。一(yi)(yi)(yi)氧化碳(tan)常態下是一(yi)(yi)(yi)種(zhong)無色、無臭、無味氣(qi)體，比空氣(qi)略輕，在水(shui)中(zhong)(zhong)的(de)溶解度甚低(di)，但易(yi)溶于氨(an)水(shui)，主(zhu)要表現為一(yi)(yi)(yi)氧化碳(tan)在血中(zhong)(zhong)與血紅蛋白結合而造成組(zu)織缺氧，被GB 5044列為高度危(wei)害介質(zhi)。
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(li)腐(fu)蝕開裂（ASCC）。
四、合成氨裝置(zhi)的配管設計
主要是(shi)對塔、罐(guan)、泵、反(fan)應器等設(she)備(bei)的配管設(she)計(ji)。
