一、裝置(zhi)簡介
合(he)成(cheng)(cheng)氨(an)是氮(dan)(dan)肥的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)，而氮(dan)(dan)肥是農業生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)不(bu)可或缺的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)資料(liao)(liao)(liao)。氨(an)是重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)(hua)工(gong)(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)，通過與不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)元素化(hua)(hua)合(he)可以生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)胺(an)（重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)機化(hua)(hua)工(gong)(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)）、苯胺(an)（重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)染料(liao)(liao)(liao)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)）、酞(tai)胺(an)（重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)素原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)）、硝(xiao)酸（重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)軍事工(gong)(gong)業原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)）等。在合(he)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)過程中，其副產(chan)品如一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)碳(tan)、硫等也可成(cheng)(cheng)為其他化(hua)(hua)工(gong)(gong)產(chan)品的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)。簡單地說，合(he)成(cheng)(cheng)氨(an)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)理就(jiu)是把氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)和氫氣(qi)(qi)按一(yi)(yi)定比例混合(he)組成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)氣(qi)(qi)，在一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫度、壓力條件和催化(hua)(hua)劑作用下進行(xing)化(hua)(hua)合(he)而成(cheng)(cheng)。根(gen)據(ju)采(cai)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)不(bu)同(tong)(tong)(tong)以及(ji)采(cai)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)成(cheng)(cheng)方法不(bu)同(tong)(tong)(tong)，合(he)成(cheng)(cheng)氨(an)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)有(you)很(hen)多種。就(jiu)目前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)型合(he)成(cheng)(cheng)氨(an)裝置所采(cai)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)來(lai)源(yuan)來(lai)說，有(you)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)（包(bao)括天(tian)然(ran)氣(qi)(qi)、煉(lian)廠干氣(qi)(qi)等）、液(ye)(ye)體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)（包(bao)括輕質液(ye)(ye)態烴和重(zhong)質液(ye)(ye)態烴）、固體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)（例如煤）。就(jiu)合(he)成(cheng)(cheng)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)來(lai)說，目前常用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)Topsoe 工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、Braun 工(gong)(gong)藝(yi)(yi)、ICI工(gong)(gong)藝(yi)(yi)等。不(bu)同(tong)(tong)(tong)類型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)和不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)，采(cai)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)流程和生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)參(can)數有(you)較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)差別。這(zhe)里以氣(qi)(qi)體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)＋Braun工(gong)(gong)藝(yi)(yi)為例介紹。
二、典型合(he)成氨裝置的工藝及特(te)點(dian)
以燃(ran)料(liao)氣(qi)為原料(liao)的合成氨工藝，主要分(fen)為脫硫、轉化、變換、凈化、壓縮與(yu)合成、冷凍共六個環節。
1. 脫(tuo)硫
由于硫(liu)(liu)(liu)對后續(xu)工(gong)序(xu)中(zhong)的(de)(de)(de)催化(hua)劑有害，因此對原(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)(qi)進行(xing)脫硫(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是將原(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)硫(liu)(liu)(liu)含量(liang)脫除至一定含量(liang)以下。原(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)(qi)先經過壓縮機(ji)加(jia)(jia)壓，然后逐步換熱進入加(jia)(jia)氫(qing)轉化(hua)器，在催化(hua)劑的(de)(de)(de)作用下原(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)各種有機(ji)硫(liu)(liu)(liu)與(yu)氫(qing)氣(qi)(qi)反(fan)應生成(cheng)硫(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)，然后進入脫硫(liu)(liu)(liu)槽內通(tong)過氧化(hua)鋅將硫(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)脫除。
2. 轉化
轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)就是將烴(jing)類氣(qi)(qi)(qi)體(ti)與(yu)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)(qi)(qi)、空(kong)氣(qi)(qi)(qi)（為合(he)成(cheng)氣(qi)(qi)(qi)提(ti)供氮），在一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)條件下(xia)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)生成(cheng)氫氣(qi)(qi)(qi)、氮氣(qi)(qi)(qi)、一(yi)(yi)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)碳、二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)碳等混合(he)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)(de)過程。其中(zhong)(zhong)，混合(he)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)中(zhong)(zhong)會殘(can)留甲烷(wan)不(bu)凝(ning)氣(qi)(qi)(qi)。常用的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)方法（美(mei)國凱洛(luo)格法）分(fen)為兩段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，分(fen)別為蒸(zheng)汽轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)和(he)部分(fen)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)。典(dian)型的(de)(de)(de)合(he)成(cheng)氨轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)序(xu)(xu)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)藝流程如(ru)圖2.32所示(shi)。脫硫后的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)態烴(jing)與(yu)中(zhong)(zhong)壓蒸(zheng)汽混合(he)，進(jin)入(ru)一(yi)(yi)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)預(yu)熱段(duan)加熱，然后進(jin)入(ru)輻射(she)段(duan)，在催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)作用下(xia)進(jin)行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)。一(yi)(yi)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)流出物中(zhong)(zhong)含殘(can)存甲烷(wan)，需要進(jin)一(yi)(yi)步進(jin)行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，即將一(yi)(yi)段(duan)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)流出物引入(ru)二(er)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)，與(yu)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)和(he)蒸(zheng)汽的(de)(de)(de)混合(he)物在二(er)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)內燃燒，進(jin)一(yi)(yi)步將甲烷(wan)脫除。三(san)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)流出物先進(jin)入(ru)廢熱鍋爐(lu)(lu)(lu)，副(fu)產(chan)蒸(zheng)汽，然后逐漸冷卻送到變換工(gong)(gong)序(xu)(xu)。
3. 變換
變(bian)換(huan)(huan)的目的是將轉化(hua)后(hou)的反應流(liu)出(chu)物（粗(cu)原料氣）中的一(yi)氧化(hua)碳與水(shui)蒸(zheng)氣進(jin)行反應，以(yi)達到把一(yi)氧化(hua)碳變(bian)換(huan)(huan)成(cheng)二氧化(hua)碳并進(jin)行脫(tuo)除(chu)。常(chang)用的變(bian)換(huan)(huan)工(gong)藝(yi)是將來自轉化(hua)工(gong)序的粗(cu)原料，與中壓(ya)蒸(zheng)汽(qi)混合(he)后(hou)進(jin)入(ru)高溫變(bian)換(huan)(huan)爐并在催化(hua)劑的作(zuo)用下進(jin)行變(bian)換(huan)(huan)，進(jin)入(ru)低溫變(bian)換(huan)(huan)爐做進(jin)一(yi)步變(bian)換(huan)(huan)。
4. 凈化
凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)脫(tuo)除粗原(yuan)料氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)，并使其一(yi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)總含量降低。凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)通常分兩步進(jin)行。第(di)一(yi)步是(shi)采(cai)用(yong)吸收解吸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)(fa)（例如(ru)，苯(ben)菲爾溶液(ye)吸收法(fa)(fa)）脫(tuo)除大量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)，此工(gong)(gong)藝(yi)過程(cheng)(cheng)也常稱(cheng)為脫(tuo)碳(tan)(tan)。由于一(yi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)會(hui)造(zao)成(cheng)合成(cheng)氨催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)毒，所(suo)(suo)以還需要第(di)二(er)(er)步，即利(li)用(yong)甲烷(wan)(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)(fa)進(jin)一(yi)步對(dui)粗原(yuan)料氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和一(yi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)進(jin)行脫(tuo)除。此工(gong)(gong)藝(yi)過程(cheng)(cheng)也常稱(cheng)為甲烷(wan)(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)過程(cheng)(cheng)。第(di)一(yi)步凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)藝(yi)類似于煉油裝置(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)酸性水汽提，其工(gong)(gong)藝(yi)流程(cheng)(cheng)示意圖(tu)如(ru)圖(tu)2.33所(suo)(suo)示。解吸出來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)將作(zuo)為尿(niao)素裝置(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)料送到尿(niao)素生(sheng)產(chan)裝置(zhi)(zhi)。第(di)二(er)(er)步凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)是(shi)利(li)用(yong)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)(gong)藝(yi)條件(jian)（壓力取決于凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)壓力），并在催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)下使原(yuan)料氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)與氫氣(qi)(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)合成(cheng)甲烷(wan)(wan)，從(cong)而(er)達到脫(tuo)除一(yi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)和二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。
5. 壓(ya)縮與合(he)成
凈化后(hou)(hou)的原料氣(qi)(qi)在高溫、高壓(ya)條件和催化劑(ji)的作用(yong)下化合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氨氣(qi)(qi)。典型的氨合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)工藝流程示(shi)意(yi)圖如圖2.34所示(shi)。原料氣(qi)(qi)經(jing)壓(ya)縮機一級壓(ya)縮后(hou)(hou)，再(zai)(zai)與循(xun)(xun)環(huan)氣(qi)(qi)匯合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)進行二(er)級壓(ya)縮。經(jing)逐次(ci)換熱(re)(re)后(hou)(hou)，送(song)入(ru)(ru)第一合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔進行合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)反(fan)應。合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔底部出(chu)(chu)來的合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)（含氨氣(qi)(qi)、氫(qing)氣(qi)(qi)、氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)、甲烷、氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)等），經(jing)過廢(fei)熱(re)(re)鍋爐（用(yong)于副產蒸(zheng)汽）降(jiang)熱(re)(re)后(hou)(hou)進入(ru)(ru)第二(er)合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔、第三(san)(san)合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔，逐次(ci)再(zai)(zai)進行合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)反(fan)應。從第三(san)(san)合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔出(chu)(chu)來的合(he)(he)(he)(he)(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)經(jing)過逐次(ci)降(jiang)溫，進入(ru)(ru)分(fen)離器(qi)。分(fen)離器(qi)頂部出(chu)(chu)來的循(xun)(xun)環(huan)氣(qi)(qi)（含氫(qing)氣(qi)(qi)、氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)、甲烷、氦(hai)氣(qi)(qi)和少量(liang)的氨氣(qi)(qi)等），經(jing)換熱(re)(re)后(hou)(hou)循(xun)(xun)環(huan)利用(yong)。分(fen)離器(qi)底部出(chu)(chu)來的液氨經(jing)降(jiang)壓(ya)后(hou)(hou)送(song)入(ru)(ru)冰機氨罐。
6. 冷凍
合成工段(duan)出來的液氨最后被送(song)至冷凍工段(duan)，經氣化和(he)壓縮（冰機），得到成品液氨。成品液氨可送(song)至儲罐或用戶。
三、介質特點
合成(cheng)氨生(sheng)產(chan)裝置中(zhong)含有(you)許(xu)多具有(you)特(te)殊性質(zhi)的介質(zhi)，包括一(yi)(yi)氧(yang)化碳(tan)、二氧(yang)化碳(tan)、氫氣、硫化氫、氨和高溫氮氣。一(yi)(yi)氧(yang)化碳(tan)常態下是(shi)一(yi)(yi)種無色(se)、無臭、無味氣體，比空氣略輕，在(zai)水中(zhong)的溶解(jie)度(du)(du)甚低，但易溶于氨水，主要(yao)表(biao)現為一(yi)(yi)氧(yang)化碳(tan)在(zai)血中(zhong)與血紅(hong)蛋白結合而造成(cheng)組織缺(que)氧(yang)，被GB 5044列(lie)為高度(du)(du)危害介質(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腐蝕開裂(lie)（ASCC）。
四、合成氨裝置的(de)配管設計
主要是對塔、罐(guan)、泵、反應器等設備的配管設計。
