第二章 合成氨原料气净化

合成氨几种原料气的净化工艺浅析摘要简述了铜洗、联醇、双甲、醇烃化等几种原料气净化的方法及其特点。

关键词合成氨原料气净化合成氨原料气的净化是生产中至关重要的工序，原料气微量(C0+C02)超高将导致氨合成催化剂中毒而无法运行，目前我国以煤为原料固定层气化的大多数中小氮肥厂采用铜洗法脱除微量(C0+C02)。

传统的铜洗法是一种较为落后的净化工艺，存在着设备多、工艺复杂、操作麻烦而物耗高，又是生产中的主要环境污染源等缺点。

随着耐硫低温变换催化剂的开发和精脱硫技术的发展，近期中小氮肥厂在原料气净化中相继出现各级压力的联产甲醇、甲烷化、双甲和醇烃化工艺替代铜洗净化，这些原料气净化工艺正逐渐完善和成熟，比传统铜洗法具有明显优势。

1 铜洗净化工艺的不足传统的铜洗净化工艺已在中小氮肥厂应用了几十年，现仍然继续在大多数厂中运行。

尽管铜洗净化在各厂运行效果不一，但普遍存在着许多不足。

1.1铜洗是合成氨生产事故的易发工序由于铜洗工艺流程长，设备多，铜液组分受各种因素的影响，各厂铜洗生产都出现过大小不同的事故。

许多厂都出现过微量(CO+CO2) 超高、铜塔带液、设备填料堵塞、铜液成分波动、铜比难调等问题，是事故易发工序。

1.2 铜洗法净化物耗高铜洗在气体净化过程中，铜液要补充氨、铜和酸，铜液在低温下吸收脱除微量而在高温下解吸再生，既消牦热量又消耗冷量(蒸汽和电)，铜液在净化过程吸收了(CO+CO2)，同时亦溶解了H2有效气体，即使设置了再生回收，仍然存在着气体的损失。

铜洗运行成本各厂水平不一物耗有所差异，但一般不低于50元/tNH3，甚至高达100元/tNH3以上。

1.3 铜洗是生产现场环境较差,污染多的工序铜洗现场的跑冒滴漏是管理难点。

铜液渗漏和再生气排放污染水体和大气，不利企业环保工作的提高。

2 联产甲醇减轻了铜洗净化的生产负荷目前已有相当多的中小氮肥厂于铜洗前增加了联产甲醇工艺，联醇生产不仅增加了企业化工产品，更为重要的是减轻了铜洗净化的负荷，变换和脱碳的生产亦相对变得宽松，其综合效益是明显的。

2014 学年第 2 学期函授 13化学工程（专升本）专业《化工工艺学》课程教案4课时/次共10次 40课时教师：教研室：§1 第一章合成氨原料气的制备教学目的：掌握优质固体燃料气化、气态烃蒸汽转化、重油部分氧化等不同原料制气过程的基本原理；原料和工艺路线；主要设备和工艺条件的选择；消耗定额的计算和催化剂的使用条件。

教学重点：优质固体燃料气化、气态烃蒸汽转化、重油部分氧化等不同原料制气过程。

教学难点：消耗定额的计算和催化剂的使用条件。

新课内容：第一节固体燃料气化法一、概述固体燃料（煤、焦炭或水煤浆）气化：用氧或含氧气化剂对其进行热加工，使碳转变为可燃性气体的过程。

气化所得的可燃气体称为煤气，进行气化的设备称为煤气发生炉。

二、基本概念1、煤的固定碳；固体燃料煤除去灰分、挥发分、硫分和水分以外，其余的可燃物质称为固定碳。

2、煤的发热值：指1公斤煤在完全燃烧时所放出的热量。

3、标煤：低位发热值为7000kcal/kg的燃料4．空气煤气：以空气作为气化而生成的煤气其中含有大量的氮(50％以上)及一定量的一氧化碳和少量的二氧化碳和氢气。

5．混合煤气(发生炉煤气)：以空气和适量的蒸汽的混合物为气化剂生成的煤气，其发热量比空气煤气为高。

在工业上这种煤气一般作燃料用。

6．水煤气：以蒸汽作为气化剂而生成的煤气，其中氢及—氧化碳的含量高在85％以上，而氮含量较低。

7．半水煤气：以蒸汽加适量的空气或富氧空气同时作为气化剂所创得的煤气或适当加有发生炉煤气的水煤气，其含氮量为21—22％。

三、气化对煤质的基本要求(1)保持高温和南气化剂流速(2)使燃料层各处间一截而的气流速度和温度分布均匀。

这两个条件的获得，除了与炉子结构(如加料、排渣等装置)的完善程度有关外，采用的燃料性质也具有重大影响。

1水分：<５％2挥发份：<６％煤中所含挥发分量和煤的碳化程度有关，含量少的可至I一2％，多的可达40％以上。

它的含量依下列次序递减：泥煤褐煤烟煤无烟煤焦炭3灰份：15-20％灰分中主要组分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质。

合成氨各工序工艺详细流程合成氨是一种重要的化工原料，广泛用于合成各类农药、肥料、化学品等。

下面将详细介绍合成氨的工序和流程。

合成氨的工艺主要分为三个步骤：气体净化、气体压缩和反应制氨。

1.气体净化：合成氨的原料气体主要有空气和甲烷。

在进入反应装置之前，需要进行气体净化处理。

空气首先经过过滤装置去除微小杂质、灰尘和固体颗粒物。

然后通过制冷装置降低气体温度，使其中的水蒸气凝结成液体，然后被排放。

甲烷通过碳分子筛吸附去除杂质。

这样可以保证反应装置中气体的纯度和稳定性。

2.气体压缩：经过气体净化后的空气和甲烷被分别压缩到一定压力，以满足反应器中的需求。

通常使用压缩机进行压缩，然后将压缩后的气体分别输送到反应器中。

3.反应制氨：反应制氨是整个过程的关键步骤。

通常采用哈柏法（Haber-Bosch）来实现反应制氨。

反应器中，高温高压的空气与甲烷的混合气体通过催化剂床进行催化反应。

常用的催化剂是铁与铁-铝的混合物，也可以加入少量的钾、镁等元素。

反应是一个放热反应，反应温度一般在380-550°C 之间，压力一般在1.7-3.5 MPa之间。

催化剂的存在可以提高反应速率，但也会增加反应的等离子体强度，导致了碳催化剂和蒸汽的选择性降低，产生非氮气杂质。

反应过程中，氮气与氢气进行反应生成氨气。

原料气体经过催化剂床后，反应转化率不高，需要多次通过催化剂床进行反应。

一般采用多级反应器和中间冷却装置，提高氨气的产率和纯度。

经过多级反应后，氨气还需要进行冷却和净化处理，以达到合成氨的纯度要求。

以上是合成氨的工序和流程的详细介绍。

合成氨的过程需要进行气体净化、气体压缩和催化反应制氨。

这个过程需要确保原料气体的纯度和稳定性，通过压缩提高原料气体的压力，催化剂的存在可以提高反应速率和转化率。

经过多级反应，最终得到高纯度的合成氨。

合成氨工艺的不断优化和改进，可以提高合成氨的生产效率和氨气的纯度，降低生产成本。

《合成氨原料气的净化》教案一、教学目标1. 让学生了解合成氨工业中原料气的来源和组成。

2. 掌握原料气净化的目的和意义。

3. 学习原料气净化的方法和工艺流程。

4. 能够分析评价净化效果和节能措施。

二、教学内容1. 合成氨工业的发展概况和原料气的来源。

2. 原料气的主要成分及其对合成氨反应的影响。

3. 原料气的净化方法：压缩、冷却、脱硫、分离等。

4. 净化工艺流程及其优化。

5. 节能措施及其在工业应用中的重要性。

三、教学重点与难点1. 教学重点：原料气的组成、净化方法及工艺流程。

2. 教学难点：净化方法的原理及其在实际生产中的应用。

四、教学方法1. 采用多媒体课件辅助教学，展示合成氨原料气的净化过程。

2. 结合实例分析，让学生了解净化方法在实际生产中的应用。

3. 开展小组讨论，分析评价净化效果和节能措施。

4. 布置课后作业，巩固所学知识。

五、教学安排1. 第一课时：介绍合成氨工业的发展概况和原料气的来源。

2. 第二课时：分析原料气的主要成分及其对合成氨反应的影响。

3. 第三课时：讲解原料气的净化方法及其原理。

4. 第四课时：介绍净化工艺流程及其优化。

5. 第五课时：讨论节能措施在工业应用中的重要性。

六、教学评估1. 课堂问答：通过提问学生，了解他们对合成氨原料气净化原理的理解程度。

2. 小组讨论：评估学生在小组讨论中提出的问题和解决方案，以及他们对净化效果和节能措施的分析能力。

3. 课后作业：检查学生完成的课后作业，评估他们对教学内容的掌握情况。

七、教学拓展1. 介绍其他相关的化学工业过程，如尿素生产、硝酸生产等，让学生了解合成氨工业在化学工业中的重要地位。

2. 探讨合成氨工业对环境的影响，以及环保措施在工业生产中的应用。

八、教学资源1. 多媒体课件：提供详细的合成氨原料气净化过程的图片和视频，帮助学生更好地理解教学内容。

2. 实例分析：提供实际生产中的合成氨原料气净化案例，让学生了解净化方法的应用。

合成氨部分第一篇合成氨原料气的制取思考题:1.什么是氮的固定? 工业上已经实现了的固氮方法有几种?是什么?2.以焦炭(或无烟煤)为原料的中压法制氨流程方块图是怎样的?3.以天然气为原料的制氨流程是怎样的?4.合成氨生产的三个步骤是什么?5.根据热量来源的不同,三种主要的造气方法是什么?6.试分析烃类蒸气转化过程中加压的原因和确定操作温度的依据。

7.试分析烃类蒸气转化分段的原因？8.蒸气转化的催化剂（镍催化剂）的制备方法有哪些？它们采用高温焙烧的目的是什么？9.平衡温距的定义是什么？一段转化炉处理气量为1165kmol/h(干气)，催化剂装填量为15.2m，试计算：一段炉的原料气空速、碳空速、理论氢空速。

11．煤造气的特点是什么？12．间歇式制半水煤气的工作循环包括哪几个阶段？第二篇合成氨原料气的净化思考题：1、干、湿法脱硫的特点? 钴钼加氢脱硫、反应性硫和非反应性硫、以及硫容的概念是什么？2、湿法脱硫吸收剂的选择条件是什么？怎样确定选择的范围？3、氧化型催化剂选择的先决条件是什么？可供选择的范围如何确定？4、氨水法脱硫和ADA法脱硫都用到空气，有什么不同？5、中温变换、低温变换、最佳反应温度的概念是什么？6、工业生产中，变换反应如何实现尽量接近最适宜温度曲线操作？变换炉段间降温方式和可用的介质有哪些？7、物理吸收法与化学吸收法脱碳相比，吸收剂比用量的影响因素有哪些异同？8、铜液中各种离子的浓度如何确定？该系统发生的化学反应主要有哪些？铜洗塔设计时主要依据哪些吸收反应来确定其结构尺寸？9、采用甲烷化法的先决条件是什么？其操作温度的高低决定于什么？ZnO脱硫剂需要量？10、已知半水煤气中CO30%，O20.5%，变换气中CO含量0.3%，试计算：①变换炉需达到的变换率②半水煤气流量为11600Nm3/h，需变换CO的负荷③离开变换系统的原料气量11、已知CO2吸收塔入口流量为160000Nm3/h，气体中CO216.78%，吸收塔操作压力2.8Mpa，溶液温度70℃，总碱度27%，平均密度1260kg/m3，试求：①K2CO3溶液的最大吸收能力②当吸收塔出口气体中CO < 1×10-3（体积分数），进塔贫液中残余CO2为13.3Nm3/m3，该贫液的转化度③当半贫液和贫液转化度分别为0.42和0.83时，溶液平均吸收能力（贫液/半贫液=3：7）④溶液的循环量12、某铜洗系统操作条件如下:①铜洗操作压力：15Mpa②铜塔出口铜液温度30℃、出口气中CO含量：1×10-5（体积分数）③铜液组成：组分T(NH3) T(HAC) T(Cu) Cu+残余CO2 Mol/L 9.0 3.55 2.49 2.19 0.17④原料气处理量28000Nm3/h，其中：CO20.1%，CO3%；⑤铜液流量44m3/h。

学习情境三合成氨工作任务合成氨原料气的脱硫授课地点多媒体教室3-8教学方法讲授法课时 4任务描述及任务目标掌握干法脱硫、氨水催化法脱硫及两生过程的基本原理、主要设备和工艺条件的选择包含章节第三章第三节主要教具、设备、工具多媒体学习重点及难点脱硫方法的选择与对比碱法脱硫的原理及工艺指标的确定学生学习基础已具有无机化学,化工单元操作,物理化学,化工热力学等的学习基础，具有一定的自学能力，接受知识的能力也较强.知识点：第一节原料气的脱硫脱硫方法很多，主要可分为干法脱硫和湿法脱硫。

干法脱硫一般适用于含S量较少的情况。

湿法脱硫一般适用于含S量较大的场合。

一、干法脱硫（一）钴－钼加氢法钴钼加氢法还可将烯烃加氢转变成饱和烷烃，从而减少蒸汽转化工序析碳的可能。

钴钼加氢催化剂以氧化铝为载体，由氧化钴和氧化钼组成。

经硫化后活性组分为MoS2,Co9S8也是活性成份。

主要反应如下：RCH2SH+H2=RCH3 + H2SRCH2-S-CH2R´+2H2=RCH3 + R´CH3 +H2SRCH2S-SCH2R´+3H2=RCH3 + R´CH3 +2H2S操作温度一般在300 ~ 400°C,压力由不同催化剂而定，加氢量一般按照保持反应后气体中有5~10%氢为准。

（二）氧化锌法氧化锌脱除有机硫的能力很强，可使出口硫含量<0.1ppm，当原料气硫含量＜50×10-6时，仅用它一步脱硫就行了。

若硫含量较高，可先用湿法，再用此法。

其基本原理如下：ZnO(s)+H2S(g)=ZnS(s)+H2O(g)ZnO(s)+C2H5SH(g)=ZnS(s)+C2H5OH(g)氧化锌脱硫的反应速度主要是内扩散控制，所以氧化锌脱硫剂都做成高孔率的小颗粒。

氧化锌脱硫性能的好坏用硫容量表示。

所谓硫容就是每单位质量氧化锌能脱除S的量。

氧化锌脱硫性能的好坏用硫容量表示。

所谓硫容就是每单位质量氧化锌能脱除S的量二、湿法脱硫湿法脱硫可分为化学吸收法、物理吸收法和化学物理综合吸收法等。