《工业催化原理》第四章 合成氨工业催化基础和过程(11)4

合成氨工艺及反应原理简介合成氨工艺采用烃类蒸汽转化法。

天然气经加压至4.05MPa，经预热升温在脱硫工序脱硫后，与水蒸汽混合，进入一段转化炉进行转化制H2，随后进入二段转化炉，在此引入空气，转化气在炉内燃烧放出热量，供进一步转化，同时获得N2。

工艺气经余热回收后，进入变换系统，将CO变为CO2，随后经脱碳、甲烷化反应除去CO和CO2，分离出的CO2送往尿素工艺。

工艺气进入分子筛系统除去少量水份，为合成氨提供纯净的氢氮混合气。

氢氮混合气经压缩至14MPa，送入合成塔进行合成氨的循环反应，少量惰性气体经过普里森系统分离进行回收利用。

产品氨送往尿素工艺和氨罐保存。

合成氨工艺的5个过程：1、天然气脱硫：R-SH+H2＝RH+H2S H2S+ZnO＝H2O(汽)+ZnS2、转化CH4+H20(汽)＝CO+3H2 CH4+2H2O(汽)＝CO2+4H2 （H2+ 1/2 O2＝H2O）3、变换：CO+H2O(汽)＝CO2+H24、脱碳：1）K2CO3＋CO2＋H2O⇔2KHCO32KHCO3⇔K2CO3＋CO2＋H2O2）甲烷化：CO+3H2＝CH4+H2O CO2+4H2＝CH4+2H2O5、N2＋3H2＝2NH31 脱硫系统工艺流程及原理1.1流程天然气进入界区后分为两路：一路作原料气，另一路作燃料气。

原料天然气进入原料气压缩机吸入罐116-F，除去携带的液体，经过原料气压缩机102-J被压缩到4.05MPa(G)，经过原料气预热盘管预热到399℃，接着原料气与来自合成气压缩机103-J一段的富氢气混合。

经过Co-Mo加氢器101-D把有机硫转换成H2S，将3 ml/m3的有机硫转化为无机硫，原料气中总硫为30～90ml/m3左右，经氧化锌脱硫槽脱硫至总硫小于0.5mg/m3。

随后进入氧化锌脱硫槽，天然气中的硫化物被ZnO所吸附，制得合格原料气。

ZnO脱硫槽共二个，可以串联或并联操作，一般串联操作。

阀门及管线的配置可以使任何一个脱硫槽停止使用而另一个继续运转。

合成氨工业的催化原理是
合成氨工业的催化原理是通过哈柏-博仑特（Haber-Bosch）过程来实现的。

该过程使用铁催化剂催化氮气和氢气的反应，生成氨气。

具体的催化原理如下：
1. 氮气（N2）和氢气（H2）在高温（约400-500）和高压（约150-300 atm）下通入反应器。

2. 反应器中铁催化剂提供活性位点，在活性位点上发生催化反应。

3. 氮气分子在铁催化剂表面吸附，通过活化，使氮气分子脱离三键。

4. 氢气分子在铁催化剂表面吸附，并与脱离的氮气分子反应，生成氨气（NH3）。

5. 生成的氨气被从反应器中提取和分离，得到纯度较高的合成氨。

催化原理的关键在于铁催化剂能够提供适当的活性位点，促进氢气和氮气的反应。

催化剂的选择、反应条件的控制以及催化剂表面的活性位点数量和分布等因素都对反应的效率和选择性产生影响。

通过优化催化剂和反应条件，可以提高合成氨的产率和纯度。

2 Fe1-xO 基熔铁催化剂
Fe1-xO催化剂在化学组成，晶体结构，物理性质等与 Fe3O4是完全不同的新一代催化剂。 Fe1-xO的定义是指催化剂母体中只有一种铁氧化物和具有 一种晶体结构的催化剂。而且只有维氏体单独存在于催化 剂中才具有较高的活性。
2.1 Fe1-xO和Fe3O4的比较
化学组成 催化剂 FeO Fe2O3 Fe1-xO 80.92 12.78 Fe3O4 31.39 62.31 晶体机构 n(Fe2+/Fe3+) 晶相 晶格参数 7.04 0.56 磁铁矿 维氏体 0.005 K2O 0.4310 0.8386
2.4 Fe1-xO催化剂的活性初探
催化剂Fe1 催化剂Fe1 – xO的活性温度要低于Fe3O4基的熔铁催化剂 的活性温度要低于Fe3O4基的熔铁催化剂 Fe1 – xO比Fe3O4能更好的降低了有机含氧物的选择性，而 Fe3O4能更好的降低了有机含氧物的选择性，而 提高了汽油，柴油的选择性。 当母体相为Fe1-xO 时具有最高的活性和极易还原的性能， 并开发了新型合成氨催化剂A301。该催化剂与A11022型催 化剂在试验室的对比试验结果表明，还原温度降低约50℃， 410℃时氨合成效率提高15%。
合成氨的催化
姓名：田爱莹 学号：08111232
前言
合成氨是重要的化工原料，主要用来生产化肥、 硝酸、铵盐、纯碱等。合成氨工业在国民经济中 占有重要地位，与此同时合成氨也是一个大吨位、 高能耗、低效益的产业。因而，合成氨工艺和催 化剂的改进将对降低能耗，提高经济效益产生巨 大的影响。本此演示的主要讨论方向就是针对于 开发低温高活性的新型催化剂，降低反应温度， 提高氨的平衡转化率。
3 钌基催化剂
上世纪30年代就有报道，但由于所制备的催化剂活 上世纪30年代就有报道，但由于所制备的催化剂活 性不高，没被重视。 1972年，Aika，以钌为活性组分，以钾为助剂，以 1972年，Aika，以钌为活性组分，以钾为助剂，以 活性炭为载体的合成氨催化剂的研究成果引发钌基催 化剂的开发热点。 1992年KAAP工艺开发成功，在加拿大工业生产 1992年KAAP工艺开发成功，在加拿大工业生产

以石脑油或天然气为原料的工艺流程如下：
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第二节 合成氨工艺流程和操作条件
石脑油 天然气
中
催 塔
一二 段段 转转 化化
变 换 低
氧 化 碳 吸 收
甲 烷 化
合 成 塔
温
塔
变
换
空气
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NH3
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第二节 合成氨工艺流程和操作条件
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第三节 催化过程
四、甲烷化过程
成塔低时变必后须,脱原除料, 中过微去量用的铜C氨O液和吸CO收2,
(< 0.5%) 进合 现用催化加氢
脱除.
1、反应：
CO + 3H2 → C H4 + H2O CO2 + 4H2 → C H4 + 2H2O
2、催化剂: Ni 是有效的催化剂, 活性大小顺序如下: Ni
的金属簇催化理论。
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第二节 合成氨工艺流程和操作条件
一、工艺流程：
目前，国内外大型合成氨厂基本都采用石脑油或天然气为 原料进行氨的生产，其工艺流程包括烃类加氢脱硫、水蒸气两 段转化制氢、中温和低温变换脱除CO、CO2吸收、微量CO 甲烷 化、氨合成等流程，共采用八种催化剂（CO2吸收除外）。
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第三节 催化过程
三、CO变换过程
1、反应： CO + H2O →CO2 + H2
2、中温变换：Fe、Cr催化剂，反应温度为350-500℃，使CO浓 度降到2-3%；