一、裝置簡介
合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)是氮(dan)(dan)(dan)肥(fei)的(de)(de)(de)基礎原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)，而(er)氮(dan)(dan)(dan)肥(fei)是農業生產(chan)(chan)(chan)(chan)不(bu)可(ke)或(huo)缺的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)(chan)(chan)資料(liao)(liao)。氨(an)是重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)化(hua)工(gong)(gong)(gong)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)，通過(guo)與不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)元素化(hua)合(he)(he)可(ke)以生產(chan)(chan)(chan)(chan)胺(an)（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)有(you)(you)機化(hua)工(gong)(gong)(gong)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)）、苯(ben)胺(an)（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)染料(liao)(liao)原(yuan)(yuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)）、酞胺(an)（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)抗(kang)生素原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)）、硝酸（重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)軍(jun)事工(gong)(gong)(gong)業原(yuan)(yuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)）等(deng)(deng)。在合(he)(he)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)(chan)(chan)過(guo)程中(zhong)，其副產(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)如一(yi)氧化(hua)碳、硫等(deng)(deng)也可(ke)成(cheng)(cheng)為(wei)其他化(hua)工(gong)(gong)(gong)產(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。簡單地說(shuo)，合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)(chan)(chan)原(yuan)(yuan)理就是把(ba)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)和氫氣(qi)按一(yi)定(ding)(ding)比例(li)混合(he)(he)組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)，在一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)溫度(du)、壓力條件和催化(hua)劑作用下進行化(hua)合(he)(he)而(er)成(cheng)(cheng)。根(gen)據采(cai)用的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)不(bu)同(tong)以及采(cai)用的(de)(de)(de)合(he)(he)成(cheng)(cheng)方法不(bu)同(tong)，合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)(chan)(chan)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)有(you)(you)很多種。就目(mu)前(qian)的(de)(de)(de)大型合(he)(he)成(cheng)(cheng)氨(an)裝(zhuang)置所采(cai)用的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)來源來說(shuo)，有(you)(you)氣(qi)體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)（包括(kuo)天然(ran)氣(qi)、煉廠(chang)干氣(qi)等(deng)(deng)）、液(ye)體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)（包括(kuo)輕質液(ye)態(tai)烴和重(zhong)(zhong)(zhong)質液(ye)態(tai)烴）、固體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)（例(li)如煤）。就合(he)(he)成(cheng)(cheng)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)來說(shuo)，目(mu)前(qian)常用的(de)(de)(de)有(you)(you)Topsoe 工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)、Braun 工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)、ICI工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)等(deng)(deng)。不(bu)同(tong)類型的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)和不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)(chan)(chan)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)，采(cai)用的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)(chan)(chan)流程和生產(chan)(chan)(chan)(chan)參(can)數有(you)(you)較大的(de)(de)(de)差別(bie)。這里以氣(qi)體(ti)(ti)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)＋Braun工(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)為(wei)例(li)介紹。
二、典型(xing)合成氨裝置的工藝及特(te)點(dian)
以燃料(liao)氣(qi)為(wei)原料(liao)的(de)合成氨工藝(yi)，主要(yao)分為(wei)脫硫、轉化、變換、凈化、壓(ya)縮與合成、冷凍(dong)共六個環(huan)節。
1. 脫硫(liu)
由于硫(liu)對(dui)(dui)后(hou)續工序中的催化(hua)劑(ji)有害，因此對(dui)(dui)原(yuan)料(liao)氣進行脫(tuo)硫(liu)的目的是將原(yuan)料(liao)氣中的硫(liu)含量(liang)脫(tuo)除至一定含量(liang)以下。原(yuan)料(liao)氣先經過(guo)壓(ya)縮機加壓(ya)，然(ran)后(hou)逐(zhu)步(bu)換熱進入(ru)加氫轉化(hua)器，在催化(hua)劑(ji)的作用(yong)下原(yuan)料(liao)氣中的各種(zhong)有機硫(liu)與氫氣反應(ying)生成硫(liu)化(hua)氫，然(ran)后(hou)進入(ru)脫(tuo)硫(liu)槽(cao)內通(tong)過(guo)氧化(hua)鋅將硫(liu)化(hua)氫脫(tuo)除。
2. 轉(zhuan)化
轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)就(jiu)是將(jiang)烴類氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)與水蒸氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)（為合(he)(he)成氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)提供氮），在一(yi)定的(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)(he)生成氫氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、氮氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、一(yi)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)碳、二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)碳等混(hun)合(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)(de)過程。其中，混(hun)合(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)中會殘留甲烷(wan)不凝氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。常用的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)方法(fa)（美(mei)國(guo)凱洛格法(fa)）分為兩段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，分別(bie)為蒸汽(qi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)和部分氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)。典型(xing)的(de)(de)(de)合(he)(he)成氨(an)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)工序的(de)(de)(de)工藝流(liu)程如圖2.32所示。脫硫后的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)態烴與中壓(ya)蒸汽(qi)混(hun)合(he)(he)，進(jin)(jin)(jin)入一(yi)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐預熱(re)段(duan)加(jia)熱(re)，然(ran)后進(jin)(jin)(jin)入輻射段(duan)，在催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)作用下進(jin)(jin)(jin)行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)反應(ying)。一(yi)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)反應(ying)流(liu)出物中含殘存甲烷(wan)，需要進(jin)(jin)(jin)一(yi)步進(jin)(jin)(jin)行轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，即將(jiang)一(yi)段(duan)反應(ying)流(liu)出物引入二段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐，與空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和蒸汽(qi)的(de)(de)(de)混(hun)合(he)(he)物在二段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐內(nei)燃燒，進(jin)(jin)(jin)一(yi)步將(jiang)甲烷(wan)脫除(chu)。三段(duan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)爐的(de)(de)(de)反應(ying)流(liu)出物先進(jin)(jin)(jin)入廢熱(re)鍋爐，副產蒸汽(qi)，然(ran)后逐漸(jian)冷卻送到變換工序。
3. 變換
變(bian)換(huan)的(de)(de)目的(de)(de)是將轉(zhuan)化(hua)后(hou)的(de)(de)反(fan)應(ying)流出(chu)物（粗原料(liao)(liao)氣(qi)）中的(de)(de)一氧(yang)化(hua)碳與水蒸(zheng)氣(qi)進行(xing)反(fan)應(ying)，以達到把(ba)一氧(yang)化(hua)碳變(bian)換(huan)成二氧(yang)化(hua)碳并進行(xing)脫除。常用的(de)(de)變(bian)換(huan)工藝是將來自轉(zhuan)化(hua)工序的(de)(de)粗原料(liao)(liao)，與中壓(ya)蒸(zheng)汽混合后(hou)進入高溫變(bian)換(huan)爐并在催化(hua)劑的(de)(de)作用下(xia)進行(xing)變(bian)換(huan)，進入低(di)溫變(bian)換(huan)爐做進一步變(bian)換(huan)。
4. 凈化
凈化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)是脫除(chu)粗原(yuan)(yuan)料氣中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)，并使其(qi)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)和(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)的(de)(de)(de)(de)總(zong)含量降低。凈化(hua)(hua)(hua)通常(chang)分兩步(bu)(bu)進行。第(di)(di)(di)一(yi)(yi)步(bu)(bu)是采用(yong)吸收解吸的(de)(de)(de)(de)方法(fa)（例如，苯菲爾溶液吸收法(fa)）脫除(chu)大量的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)，此(ci)(ci)工(gong)藝(yi)過(guo)程(cheng)也(ye)常(chang)稱為(wei)脫碳(tan)。由于一(yi)(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)和(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)會造成合(he)成氨(an)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)毒，所以還(huan)需要第(di)(di)(di)二(er)(er)(er)步(bu)(bu)，即利用(yong)甲烷化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)進一(yi)(yi)步(bu)(bu)對粗原(yuan)(yuan)料氣中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)和(he)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)進行脫除(chu)。此(ci)(ci)工(gong)藝(yi)過(guo)程(cheng)也(ye)常(chang)稱為(wei)甲烷化(hua)(hua)(hua)過(guo)程(cheng)。第(di)(di)(di)一(yi)(yi)步(bu)(bu)凈化(hua)(hua)(hua)工(gong)藝(yi)類似(si)于煉油裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)(de)(de)酸性(xing)水汽提，其(qi)工(gong)藝(yi)流程(cheng)示(shi)意圖如圖2.33所示(shi)。解吸出來的(de)(de)(de)(de)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)將作(zuo)為(wei)尿(niao)(niao)素裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)料送到尿(niao)(niao)素生產裝(zhuang)置(zhi)。第(di)(di)(di)二(er)(er)(er)步(bu)(bu)凈化(hua)(hua)(hua)是利用(yong)一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)工(gong)藝(yi)條件（壓(ya)(ya)力(li)取決于凈化(hua)(hua)(hua)壓(ya)(ya)力(li)），并在催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)下使原(yuan)(yuan)料氣中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)和(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)與氫氣化(hua)(hua)(hua)合(he)成甲烷，從(cong)而(er)達到脫除(chu)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)和(he)二(er)(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。
5. 壓縮與合成
凈化后的(de)原料氣(qi)在高(gao)溫、高(gao)壓條(tiao)件和(he)催化劑的(de)作用(yong)下化合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氨氣(qi)。典型的(de)氨合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)工藝流程示(shi)意(yi)圖(tu)如圖(tu)2.34所示(shi)。原料氣(qi)經(jing)壓縮(suo)機(ji)一(yi)級壓縮(suo)后，再與循環氣(qi)匯合(he)(he)進行(xing)二(er)級壓縮(suo)。經(jing)逐次(ci)換(huan)熱后，送(song)(song)入第一(yi)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔進行(xing)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)反(fan)應(ying)(ying)。合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔底部出來的(de)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)（含(han)氨氣(qi)、氫氣(qi)、氮氣(qi)、甲(jia)烷、氮氣(qi)等），經(jing)過廢熱鍋爐(lu)（用(yong)于(yu)副產蒸汽）降(jiang)熱后進入第二(er)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔、第三(san)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔，逐次(ci)再進行(xing)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)反(fan)應(ying)(ying)。從第三(san)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)塔出來的(de)合(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)氣(qi)經(jing)過逐次(ci)降(jiang)溫，進入分離器。分離器頂(ding)部出來的(de)循環氣(qi)（含(han)氫氣(qi)、氮氣(qi)、甲(jia)烷、氦氣(qi)和(he)少量(liang)的(de)氨氣(qi)等），經(jing)換(huan)熱后循環利(li)用(yong)。分離器底部出來的(de)液氨經(jing)降(jiang)壓后送(song)(song)入冰機(ji)氨罐。
6. 冷凍
合成(cheng)工(gong)段出來的液氨(an)(an)最后被送至冷(leng)凍(dong)工(gong)段，經氣(qi)化(hua)和壓縮（冰機），得到成(cheng)品液氨(an)(an)。成(cheng)品液氨(an)(an)可送至儲罐(guan)或(huo)用戶。
三、介質特點
合成氨生產裝置中含有許多具有特殊性質(zhi)的介質(zhi)，包括一氧(yang)化碳(tan)(tan)、二氧(yang)化碳(tan)(tan)、氫氣、硫(liu)化氫、氨和高(gao)溫氮氣。一氧(yang)化碳(tan)(tan)常態下是一種無(wu)(wu)色、無(wu)(wu)臭、無(wu)(wu)味氣體(ti)，比空氣略輕，在(zai)水(shui)中的溶(rong)(rong)解度甚低，但易溶(rong)(rong)于氨水(shui)，主(zhu)要表現為一氧(yang)化碳(tan)(tan)在(zai)血中與(yu)血紅蛋白(bai)結合而造成組織缺(que)氧(yang)，被GB 5044列為高(gao)度危害介質(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(li)腐蝕開(kai)裂（ASCC）。
四(si)、合成氨裝(zhuang)置的配管設計
主要是對塔、罐、泵(beng)、反應器(qi)等(deng)設備的配管設計(ji)。
