一、裝置簡介
合成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氨是(shi)氮(dan)肥的(de)(de)(de)(de)基礎原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，而氮(dan)肥是(shi)農業生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)不(bu)(bu)可或(huo)缺的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)資料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)。氨是(shi)重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)化(hua)工(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，通過與不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)元素(su)化(hua)合可以(yi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)胺(an)(an)（重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)機(ji)化(hua)工(gong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）、苯胺(an)(an)（重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)染料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）、酞胺(an)(an)（重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)抗生(sheng)(sheng)(sheng)素(su)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）、硝酸（重(zhong)(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)軍事工(gong)業原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)）等。在(zai)合成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)過程中，其副產(chan)(chan)品如一氧化(hua)碳、硫等也可成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)為其他(ta)化(hua)工(gong)產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)。簡單地說，合成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氨的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)理就是(shi)把氮(dan)氣和(he)(he)氫氣按一定(ding)比例(li)混合組成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)氣，在(zai)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)溫度、壓力條件和(he)(he)催化(hua)劑作用下(xia)進行化(hua)合而成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。根據采(cai)用的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)不(bu)(bu)同(tong)以(yi)及采(cai)用的(de)(de)(de)(de)合成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)方法不(bu)(bu)同(tong)，合成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氨的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)工(gong)藝(yi)(yi)有(you)(you)很(hen)多(duo)種(zhong)。就目前的(de)(de)(de)(de)大(da)型合成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)氨裝置所采(cai)用的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)來源來說，有(you)(you)氣體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)（包(bao)括天(tian)然(ran)氣、煉廠干氣等）、液(ye)體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)（包(bao)括輕質液(ye)態(tai)烴(jing)和(he)(he)重(zhong)(zhong)質液(ye)態(tai)烴(jing)）、固體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)（例(li)如煤）。就合成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)工(gong)藝(yi)(yi)來說，目前常用的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)Topsoe 工(gong)藝(yi)(yi)、Braun 工(gong)藝(yi)(yi)、ICI工(gong)藝(yi)(yi)等。不(bu)(bu)同(tong)類型的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)和(he)(he)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)工(gong)藝(yi)(yi)，采(cai)用的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)流程和(he)(he)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)參(can)數有(you)(you)較大(da)的(de)(de)(de)(de)差別。這(zhe)里以(yi)氣體原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)＋Braun工(gong)藝(yi)(yi)為例(li)介(jie)紹。
二、典型(xing)合(he)成氨裝置(zhi)的工藝(yi)及特點
以燃料氣為原(yuan)料的合成氨工藝，主要分為脫(tuo)硫、轉化、變換(huan)、凈化、壓縮與(yu)合成、冷凍共(gong)六個環節。
1. 脫硫
由(you)于硫(liu)對后(hou)續工序中(zhong)的催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)有(you)(you)害，因此對原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)進行脫硫(liu)的目的是將(jiang)原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)中(zhong)的硫(liu)含(han)量脫除(chu)至(zhi)一(yi)定含(han)量以下。原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)先(xian)經過壓(ya)縮(suo)機加(jia)壓(ya)，然后(hou)逐步換熱進入(ru)加(jia)氫轉化(hua)器，在催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)的作用下原(yuan)(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)中(zhong)的各(ge)種有(you)(you)機硫(liu)與氫氣(qi)反應生成硫(liu)化(hua)氫，然后(hou)進入(ru)脫硫(liu)槽(cao)內通過氧化(hua)鋅將(jiang)硫(liu)化(hua)氫脫除(chu)。
2. 轉化
轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)就是將烴類氣(qi)體與水(shui)蒸(zheng)(zheng)氣(qi)、空氣(qi)（為合成氣(qi)提(ti)供氮），在一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)條(tiao)件下化(hua)(hua)(hua)(hua)合生成氫氣(qi)、氮氣(qi)、一(yi)(yi)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳、二氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳等混(hun)合氣(qi)體的(de)(de)(de)過程(cheng)。其中(zhong)(zhong)，混(hun)合氣(qi)體中(zhong)(zhong)會殘留甲(jia)烷(wan)(wan)不凝氣(qi)。常用的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)方法(fa)（美(mei)國凱(kai)洛(luo)格法(fa)）分(fen)為兩段(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)，分(fen)別為蒸(zheng)(zheng)汽(qi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)和部分(fen)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)。典型的(de)(de)(de)合成氨(an)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)工序(xu)的(de)(de)(de)工藝流(liu)程(cheng)如圖2.32所示(shi)。脫(tuo)硫后(hou)的(de)(de)(de)氣(qi)態烴與中(zhong)(zhong)壓(ya)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)混(hun)合，進入一(yi)(yi)段(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)爐預熱(re)段(duan)(duan)(duan)加熱(re)，然(ran)(ran)后(hou)進入輻射段(duan)(duan)(duan)，在催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)作用下進行(xing)(xing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)反(fan)應。一(yi)(yi)段(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)反(fan)應流(liu)出(chu)物(wu)(wu)中(zhong)(zhong)含殘存甲(jia)烷(wan)(wan)，需要進一(yi)(yi)步進行(xing)(xing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)，即將一(yi)(yi)段(duan)(duan)(duan)反(fan)應流(liu)出(chu)物(wu)(wu)引入二段(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)爐，與空氣(qi)和蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的(de)(de)(de)混(hun)合物(wu)(wu)在二段(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)爐內燃燒，進一(yi)(yi)步將甲(jia)烷(wan)(wan)脫(tuo)除。三段(duan)(duan)(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)爐的(de)(de)(de)反(fan)應流(liu)出(chu)物(wu)(wu)先進入廢熱(re)鍋(guo)爐，副產蒸(zheng)(zheng)汽(qi)，然(ran)(ran)后(hou)逐漸冷卻(que)送到變換工序(xu)。
3. 變換
變換(huan)(huan)的目的是將轉化(hua)(hua)后的反應(ying)流(liu)出物（粗原(yuan)料氣）中(zhong)的一(yi)氧化(hua)(hua)碳與(yu)(yu)水蒸(zheng)氣進行反應(ying)，以達到把一(yi)氧化(hua)(hua)碳變換(huan)(huan)成二氧化(hua)(hua)碳并(bing)進行脫除。常用的變換(huan)(huan)工藝是將來自轉化(hua)(hua)工序的粗原(yuan)料，與(yu)(yu)中(zhong)壓蒸(zheng)汽混合(he)后進入高(gao)溫(wen)變換(huan)(huan)爐并(bing)在催化(hua)(hua)劑的作用下進行變換(huan)(huan)，進入低溫(wen)變換(huan)(huan)爐做進一(yi)步變換(huan)(huan)。
4. 凈(jing)化
凈(jing)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是脫(tuo)(tuo)(tuo)除(chu)(chu)粗原料氣中(zhong)的(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)，并使其(qi)一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)總含量(liang)降低(di)。凈(jing)化(hua)(hua)(hua)通常分兩步(bu)(bu)(bu)進行。第(di)一(yi)(yi)(yi)步(bu)(bu)(bu)是采用(yong)(yong)(yong)吸(xi)收(shou)解(jie)吸(xi)的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)（例如，苯(ben)菲爾(er)溶(rong)液吸(xi)收(shou)法(fa)(fa)）脫(tuo)(tuo)(tuo)除(chu)(chu)大(da)量(liang)的(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)，此工藝(yi)過(guo)程(cheng)也常稱為(wei)脫(tuo)(tuo)(tuo)碳(tan)(tan)(tan)。由于(yu)一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)會造成(cheng)合(he)成(cheng)氨催化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)的(de)(de)(de)中(zhong)毒，所(suo)(suo)以還需要(yao)第(di)二(er)(er)(er)步(bu)(bu)(bu)，即(ji)利用(yong)(yong)(yong)甲烷(wan)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)進一(yi)(yi)(yi)步(bu)(bu)(bu)對粗原料氣中(zhong)的(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)(he)一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)進行脫(tuo)(tuo)(tuo)除(chu)(chu)。此工藝(yi)過(guo)程(cheng)也常稱為(wei)甲烷(wan)化(hua)(hua)(hua)過(guo)程(cheng)。第(di)一(yi)(yi)(yi)步(bu)(bu)(bu)凈(jing)化(hua)(hua)(hua)工藝(yi)類似于(yu)煉油裝置的(de)(de)(de)酸性水汽提，其(qi)工藝(yi)流程(cheng)示意圖如圖2.33所(suo)(suo)示。解(jie)吸(xi)出來的(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)將(jiang)作(zuo)(zuo)為(wei)尿(niao)素裝置的(de)(de)(de)原料送到(dao)尿(niao)素生產裝置。第(di)二(er)(er)(er)步(bu)(bu)(bu)凈(jing)化(hua)(hua)(hua)是利用(yong)(yong)(yong)一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)工藝(yi)條(tiao)件（壓(ya)力取決于(yu)凈(jing)化(hua)(hua)(hua)壓(ya)力），并在催化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)下使原料氣中(zhong)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)與氫氣化(hua)(hua)(hua)合(he)成(cheng)甲烷(wan)，從而(er)達(da)到(dao)脫(tuo)(tuo)(tuo)除(chu)(chu)一(yi)(yi)(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)和(he)(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。
5. 壓縮與合成
凈化后(hou)(hou)的(de)(de)原料氣(qi)(qi)(qi)在(zai)高溫、高壓條件和催化劑的(de)(de)作(zuo)用(yong)下化合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氨氣(qi)(qi)(qi)。典型的(de)(de)氨合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)工藝(yi)流程示意圖如圖2.34所(suo)示。原料氣(qi)(qi)(qi)經壓縮(suo)機一級(ji)壓縮(suo)后(hou)(hou)，再(zai)與循(xun)環氣(qi)(qi)(qi)匯合(he)(he)(he)進(jin)(jin)行二級(ji)壓縮(suo)。經逐(zhu)次(ci)換熱(re)(re)(re)(re)后(hou)(hou)，送(song)入(ru)(ru)第一合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)進(jin)(jin)行合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)反(fan)應。合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)底(di)部(bu)出來的(de)(de)合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)(qi)（含氨氣(qi)(qi)(qi)、氫氣(qi)(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)、甲烷、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)等），經過廢熱(re)(re)(re)(re)鍋爐（用(yong)于副產(chan)蒸汽(qi)）降(jiang)熱(re)(re)(re)(re)后(hou)(hou)進(jin)(jin)入(ru)(ru)第二合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)、第三(san)合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)，逐(zhu)次(ci)再(zai)進(jin)(jin)行合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)反(fan)應。從第三(san)合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔(ta)出來的(de)(de)合(he)(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)(qi)(qi)經過逐(zhu)次(ci)降(jiang)溫，進(jin)(jin)入(ru)(ru)分離器(qi)(qi)。分離器(qi)(qi)頂部(bu)出來的(de)(de)循(xun)環氣(qi)(qi)(qi)（含氫氣(qi)(qi)(qi)、氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)、甲烷、氦氣(qi)(qi)(qi)和少量的(de)(de)氨氣(qi)(qi)(qi)等），經換熱(re)(re)(re)(re)后(hou)(hou)循(xun)環利(li)用(yong)。分離器(qi)(qi)底(di)部(bu)出來的(de)(de)液氨經降(jiang)壓后(hou)(hou)送(song)入(ru)(ru)冰機氨罐。
6. 冷凍
合(he)成工段出(chu)來的液(ye)氨最后被送(song)至冷凍工段，經氣化和壓縮（冰機），得到成品液(ye)氨。成品液(ye)氨可送(song)至儲罐或(huo)用戶。
三、介質特點
合成(cheng)氨(an)生產裝(zhuang)置中(zhong)(zhong)含有許多具有特殊性質(zhi)的介(jie)質(zhi)，包括一(yi)氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)、二(er)氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)、氫氣、硫化(hua)氫、氨(an)和高溫氮氣。一(yi)氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)常(chang)態下是一(yi)種無色(se)、無臭(chou)、無味氣體，比空(kong)氣略輕，在(zai)水(shui)中(zhong)(zhong)的溶解度甚低，但易溶于氨(an)水(shui)，主要表現為一(yi)氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)在(zai)血中(zhong)(zhong)與血紅蛋白結合而造成(cheng)組織缺(que)氧(yang)(yang)，被GB 5044列為高度危(wei)害介(jie)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(kai)裂（ASCC）。
四、合成氨裝置的配(pei)管設計(ji)
主要是對塔、罐、泵、反(fan)應器等(deng)設(she)備的配管設(she)計。
