一、裝置(zhi)簡介
合(he)(he)成(cheng)氨是(shi)氮(dan)肥(fei)的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)，而氮(dan)肥(fei)是(shi)農(nong)業(ye)生(sheng)產(chan)(chan)不(bu)可或缺的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)資料(liao)(liao)。氨是(shi)重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)化(hua)(hua)工(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)，通過(guo)與不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)元素化(hua)(hua)合(he)(he)可以(yi)生(sheng)產(chan)(chan)胺(an)（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)有機化(hua)(hua)工(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)）、苯(ben)胺(an)（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)染料(liao)(liao)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)）、酞胺(an)（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)抗生(sheng)素原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)）、硝酸（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)軍事工(gong)業(ye)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)）等(deng)(deng)。在合(he)(he)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)過(guo)程中，其(qi)副產(chan)(chan)品如一氧化(hua)(hua)碳(tan)、硫(liu)等(deng)(deng)也可成(cheng)為其(qi)他(ta)化(hua)(hua)工(gong)產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)。簡單地說(shuo)，合(he)(he)成(cheng)氨的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)理就是(shi)把氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)和(he)氫氣(qi)(qi)(qi)按一定比例(li)(li)混合(he)(he)組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)(qi)(qi)，在一定的(de)(de)(de)(de)溫度、壓(ya)力條件和(he)催(cui)化(hua)(hua)劑作用(yong)下(xia)進行(xing)化(hua)(hua)合(he)(he)而成(cheng)。根據采(cai)(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)不(bu)同(tong)(tong)(tong)以(yi)及(ji)采(cai)(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)方法不(bu)同(tong)(tong)(tong)，合(he)(he)成(cheng)氨的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)有很多種(zhong)。就目前(qian)的(de)(de)(de)(de)大型(xing)合(he)(he)成(cheng)氨裝(zhuang)置所(suo)采(cai)(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)來(lai)源來(lai)說(shuo)，有氣(qi)(qi)(qi)體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)（包(bao)括天然氣(qi)(qi)(qi)、煉廠干(gan)氣(qi)(qi)(qi)等(deng)(deng)）、液(ye)體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)（包(bao)括輕(qing)質液(ye)態(tai)烴和(he)重(zhong)(zhong)(zhong)質液(ye)態(tai)烴）、固體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)（例(li)(li)如煤）。就合(he)(he)成(cheng)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)來(lai)說(shuo)，目前(qian)常用(yong)的(de)(de)(de)(de)有Topsoe 工(gong)藝(yi)(yi)(yi)、Braun 工(gong)藝(yi)(yi)(yi)、ICI工(gong)藝(yi)(yi)(yi)等(deng)(deng)。不(bu)同(tong)(tong)(tong)類型(xing)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)料(liao)(liao)和(he)不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)，采(cai)(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)流程和(he)生(sheng)產(chan)(chan)參(can)數有較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)差別。這里以(yi)氣(qi)(qi)(qi)體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)＋Braun工(gong)藝(yi)(yi)(yi)為例(li)(li)介紹。
二、典型合成氨(an)裝置的工(gong)藝及特點
以燃料(liao)氣(qi)為(wei)(wei)原料(liao)的合(he)成氨工藝，主要(yao)分為(wei)(wei)脫硫、轉化、變換(huan)、凈化、壓縮與合(he)成、冷凍共六個環(huan)節。
1. 脫硫
由于硫(liu)(liu)對(dui)后(hou)續(xu)工(gong)序中的(de)(de)催(cui)化(hua)劑有害，因此對(dui)原料(liao)(liao)氣進(jin)(jin)行脫(tuo)硫(liu)(liu)的(de)(de)目的(de)(de)是將原料(liao)(liao)氣中的(de)(de)硫(liu)(liu)含(han)量脫(tuo)除(chu)至(zhi)一定含(han)量以下。原料(liao)(liao)氣先經(jing)過(guo)壓縮(suo)機加壓，然(ran)后(hou)逐步換熱進(jin)(jin)入加氫(qing)轉化(hua)器，在催(cui)化(hua)劑的(de)(de)作(zuo)用下原料(liao)(liao)氣中的(de)(de)各種有機硫(liu)(liu)與氫(qing)氣反(fan)應生成硫(liu)(liu)化(hua)氫(qing)，然(ran)后(hou)進(jin)(jin)入脫(tuo)硫(liu)(liu)槽內通過(guo)氧化(hua)鋅將硫(liu)(liu)化(hua)氫(qing)脫(tuo)除(chu)。
2. 轉(zhuan)化
轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)就是將(jiang)烴類氣(qi)體(ti)與(yu)水蒸氣(qi)、空氣(qi)（為(wei)(wei)合(he)(he)成氣(qi)提供氮），在(zai)一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)條件下化(hua)(hua)合(he)(he)生成氫氣(qi)、氮氣(qi)、一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)碳、二(er)氧化(hua)(hua)碳等混合(he)(he)氣(qi)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程。其中(zhong)(zhong)，混合(he)(he)氣(qi)體(ti)中(zhong)(zhong)會殘(can)留甲烷(wan)不凝(ning)氣(qi)。常(chang)用的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)方法（美國(guo)凱洛格法）分(fen)為(wei)(wei)兩(liang)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)，分(fen)別(bie)為(wei)(wei)蒸汽轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)和部(bu)分(fen)氧化(hua)(hua)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)。典型的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)成氨轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)工序的(de)(de)(de)(de)(de)工藝(yi)流(liu)程如圖2.32所示。脫(tuo)(tuo)硫(liu)后的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)態烴與(yu)中(zhong)(zhong)壓蒸汽混合(he)(he)，進(jin)(jin)(jin)(jin)入(ru)一(yi)(yi)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)預(yu)熱段(duan)(duan)加熱，然后進(jin)(jin)(jin)(jin)入(ru)輻射(she)段(duan)(duan)，在(zai)催化(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)(de)(de)作用下進(jin)(jin)(jin)(jin)行轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)反應。一(yi)(yi)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)反應流(liu)出(chu)(chu)物中(zhong)(zhong)含殘(can)存甲烷(wan)，需要進(jin)(jin)(jin)(jin)一(yi)(yi)步進(jin)(jin)(jin)(jin)行轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)，即將(jiang)一(yi)(yi)段(duan)(duan)反應流(liu)出(chu)(chu)物引入(ru)二(er)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)，與(yu)空氣(qi)和蒸汽的(de)(de)(de)(de)(de)混合(he)(he)物在(zai)二(er)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)內燃燒(shao)，進(jin)(jin)(jin)(jin)一(yi)(yi)步將(jiang)甲烷(wan)脫(tuo)(tuo)除。三(san)段(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)爐(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)反應流(liu)出(chu)(chu)物先進(jin)(jin)(jin)(jin)入(ru)廢(fei)熱鍋(guo)爐(lu)，副產蒸汽，然后逐(zhu)漸(jian)冷卻(que)送到變換工序。
3. 變換
變(bian)換(huan)(huan)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是將(jiang)轉化后的(de)(de)(de)反應(ying)流出(chu)物（粗原料氣(qi)）中的(de)(de)(de)一氧化碳(tan)與水(shui)蒸氣(qi)進(jin)(jin)行反應(ying)，以達到把一氧化碳(tan)變(bian)換(huan)(huan)成(cheng)二氧化碳(tan)并進(jin)(jin)行脫除。常用的(de)(de)(de)變(bian)換(huan)(huan)工藝是將(jiang)來自轉化工序的(de)(de)(de)粗原料，與中壓蒸汽混合后進(jin)(jin)入高溫變(bian)換(huan)(huan)爐并在催化劑的(de)(de)(de)作(zuo)用下(xia)進(jin)(jin)行變(bian)換(huan)(huan)，進(jin)(jin)入低溫變(bian)換(huan)(huan)爐做進(jin)(jin)一步(bu)變(bian)換(huan)(huan)。
4. 凈化
凈化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)是脫(tuo)(tuo)除粗原料(liao)氣(qi)中的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)，并(bing)使(shi)其一氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)總含(han)量降低。凈化(hua)(hua)(hua)(hua)通常分兩步(bu)(bu)(bu)(bu)進行。第一步(bu)(bu)(bu)(bu)是采用(yong)吸(xi)(xi)(xi)收解吸(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)（例如，苯菲爾溶液吸(xi)(xi)(xi)收法(fa)）脫(tuo)(tuo)除大(da)量的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)，此(ci)工藝(yi)過程也常稱為(wei)脫(tuo)(tuo)碳(tan)(tan)(tan)(tan)。由(you)于一氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)會造成(cheng)合(he)成(cheng)氨催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)(de)中毒，所以還需(xu)要第二(er)(er)(er)(er)步(bu)(bu)(bu)(bu)，即利(li)用(yong)甲烷(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)進一步(bu)(bu)(bu)(bu)對粗原料(liao)氣(qi)中的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)和(he)(he)一氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)進行脫(tuo)(tuo)除。此(ci)工藝(yi)過程也常稱為(wei)甲烷(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)過程。第一步(bu)(bu)(bu)(bu)凈化(hua)(hua)(hua)(hua)工藝(yi)類似于煉油裝置的(de)(de)(de)(de)酸性(xing)水(shui)汽提，其工藝(yi)流程示意圖如圖2.33所示。解吸(xi)(xi)(xi)出來的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)將作(zuo)為(wei)尿素裝置的(de)(de)(de)(de)原料(liao)送到尿素生產裝置。第二(er)(er)(er)(er)步(bu)(bu)(bu)(bu)凈化(hua)(hua)(hua)(hua)是利(li)用(yong)一定的(de)(de)(de)(de)工藝(yi)條(tiao)件(jian)（壓(ya)力取決于凈化(hua)(hua)(hua)(hua)壓(ya)力），并(bing)在催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)下使(shi)原料(liao)氣(qi)中的(de)(de)(de)(de)一氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)與氫氣(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)成(cheng)甲烷(wan)，從而達到脫(tuo)(tuo)除一氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。
5. 壓(ya)縮與(yu)合成
凈化(hua)(hua)后(hou)(hou)(hou)(hou)的(de)(de)原料氣(qi)(qi)在高(gao)溫、高(gao)壓條件和催化(hua)(hua)劑的(de)(de)作(zuo)用下化(hua)(hua)合(he)(he)成(cheng)氨(an)氣(qi)(qi)。典型的(de)(de)氨(an)合(he)(he)成(cheng)工(gong)藝流程示意圖如(ru)圖2.34所示。原料氣(qi)(qi)經(jing)壓縮(suo)機(ji)一(yi)(yi)級壓縮(suo)后(hou)(hou)(hou)(hou)，再與循環氣(qi)(qi)匯(hui)合(he)(he)進行(xing)二(er)(er)級壓縮(suo)。經(jing)逐(zhu)次換(huan)熱(re)(re)后(hou)(hou)(hou)(hou)，送入第(di)一(yi)(yi)合(he)(he)成(cheng)塔(ta)進行(xing)合(he)(he)成(cheng)反(fan)應。合(he)(he)成(cheng)塔(ta)底(di)部出(chu)來(lai)的(de)(de)合(he)(he)成(cheng)氣(qi)(qi)（含(han)氨(an)氣(qi)(qi)、氫氣(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)、甲烷、氮(dan)氣(qi)(qi)等），經(jing)過(guo)廢(fei)熱(re)(re)鍋爐(lu)（用于副(fu)產蒸汽）降(jiang)熱(re)(re)后(hou)(hou)(hou)(hou)進入第(di)二(er)(er)合(he)(he)成(cheng)塔(ta)、第(di)三(san)合(he)(he)成(cheng)塔(ta)，逐(zhu)次再進行(xing)合(he)(he)成(cheng)反(fan)應。從第(di)三(san)合(he)(he)成(cheng)塔(ta)出(chu)來(lai)的(de)(de)合(he)(he)成(cheng)氣(qi)(qi)經(jing)過(guo)逐(zhu)次降(jiang)溫，進入分離器。分離器頂部出(chu)來(lai)的(de)(de)循環氣(qi)(qi)（含(han)氫氣(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)、甲烷、氦氣(qi)(qi)和少量的(de)(de)氨(an)氣(qi)(qi)等），經(jing)換(huan)熱(re)(re)后(hou)(hou)(hou)(hou)循環利用。分離器底(di)部出(chu)來(lai)的(de)(de)液氨(an)經(jing)降(jiang)壓后(hou)(hou)(hou)(hou)送入冰機(ji)氨(an)罐。
6. 冷凍
合成工(gong)段出來的液(ye)(ye)氨(an)最后被送至冷凍工(gong)段，經氣化和壓縮（冰(bing)機(ji)），得到成品液(ye)(ye)氨(an)。成品液(ye)(ye)氨(an)可送至儲罐或用戶。
三、介質特點
合成氨(an)(an)(an)生(sheng)產裝置(zhi)中含有許多具(ju)有特殊(shu)性質(zhi)的介質(zhi)，包括(kuo)一(yi)氧(yang)(yang)(yang)化碳(tan)(tan)、二氧(yang)(yang)(yang)化碳(tan)(tan)、氫氣、硫化氫、氨(an)(an)(an)和高(gao)溫氮氣。一(yi)氧(yang)(yang)(yang)化碳(tan)(tan)常態下是一(yi)種(zhong)無(wu)色、無(wu)臭、無(wu)味氣體，比(bi)空(kong)氣略輕，在水中的溶解(jie)度甚(shen)低，但易溶于(yu)氨(an)(an)(an)水，主(zhu)要表(biao)現為一(yi)氧(yang)(yang)(yang)化碳(tan)(tan)在血中與血紅蛋白結合而造成組(zu)織缺氧(yang)(yang)(yang)，被GB 5044列(lie)為高(gao)度危害(hai)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(ying)力腐蝕開裂（ASCC）。
四、合成氨裝置的配管設計
主要(yao)是(shi)對塔、罐、泵、反應器等設備的配管設計(ji)。
