一、裝置簡介

  合成氨是氮肥的基礎(chǔ)原料，而氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的生產(chǎn)資料。氨是重要的化工原料，通過與不同的元素化合可以生產(chǎn)胺（重要的有機(jī)化工原料）、苯胺（重要的染料原材料）、酞胺（重要的抗生素原料）、硝酸（重要的軍事工業(yè)原材料）等。在合成的生產(chǎn)過程中，其副產(chǎn)品如一氧化碳、硫等也可成為其他化工產(chǎn)品的原材料。簡單地說，合成氨的生產(chǎn)原理就是把氮氣和氫氣按一定比例混合組成的原料氣，在一定的溫度、壓力條件和催化劑作用下進(jìn)行化合而成。根據(jù)采用的原料不同以及采用的合成方法不同，合成氨的生產(chǎn)工藝有很多種。就目前的大型合成氨裝置所采用的原材料來源來說，有氣體原料（包括天然氣、煉廠干氣等）、液體原料（包括輕質(zhì)液態(tài)烴和重質(zhì)液態(tài)烴）、固體原料（例如煤）。就合成工藝來說，目前常用的有Topsoe 工藝、Braun 工藝、ICI工藝等。不同類型的原材料和不同的生產(chǎn)工藝，采用的生產(chǎn)流程和生產(chǎn)參數(shù)有較大的差別。這里以氣體原料＋Braun工藝為例介紹。

二、典型合成氨裝置的工藝及特點

  以燃料氣為原料的合成氨工藝，主要分為脫硫、轉(zhuǎn)化、變換、凈化、壓縮與合成、冷凍共六個環(huán)節(jié)。

 1. 脫硫 

   由于硫?qū)罄m(xù)工序中的催化劑有害，因此對原料氣進(jìn)行脫硫的目的是將原料氣中的硫含量脫除至一定含量以下。原料氣先經(jīng)過壓縮機(jī)加壓，然后逐步換熱進(jìn)入加氫轉(zhuǎn)化器，在催化劑的作用下原料氣中的各種有機(jī)硫與氫氣反應(yīng)生成硫化氫，然后進(jìn)入脫硫槽內(nèi)通過氧化鋅將硫化氫脫除。

 2. 轉(zhuǎn)化 

   轉(zhuǎn)化就是將烴類氣體與水蒸氣、空氣（為合成氣提供氮），在一定的條件下化合生成氫氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳等混合氣體的過程。其中，混合氣體中會殘留甲烷不凝氣。常用的轉(zhuǎn)化方法（美國凱洛格法）分為兩段轉(zhuǎn)化，分別為蒸汽轉(zhuǎn)化和部分氧化轉(zhuǎn)化。典型的合成氨轉(zhuǎn)化工序的工藝流程如圖2.32所示。脫硫后的氣態(tài)烴與中壓蒸汽混合，進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐預(yù)熱段加熱，然后進(jìn)入輻射段，在催化劑的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。一段轉(zhuǎn)化的反應(yīng)流出物中含殘存甲烷，需要進(jìn)一步進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即將一段反應(yīng)流出物引入二段轉(zhuǎn)化爐，與空氣和蒸汽的混合物在二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)燃燒，進(jìn)一步將甲烷脫除。三段轉(zhuǎn)化爐的反應(yīng)流出物先進(jìn)入廢熱鍋爐，副產(chǎn)蒸汽，然后逐漸冷卻送到變換工序。

 3. 變換 

   變換的目的是將轉(zhuǎn)化后的反應(yīng)流出物（粗原料氣）中的一氧化碳與水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)，以達(dá)到把一氧化碳變換成二氧化碳并進(jìn)行脫除。常用的變換工藝是將來自轉(zhuǎn)化工序的粗原料，與中壓蒸汽混合后進(jìn)入高溫變換爐并在催化劑的作用下進(jìn)行變換，進(jìn)入低溫變換爐做進(jìn)一步變換。

 4. 凈化 

   凈化的目的是脫除粗原料氣中的二氧化碳，并使其一氧化碳和二氧化碳的總含量降低。凈化通常分兩步進(jìn)行。第一步是采用吸收解吸的方法（例如，苯菲爾溶液吸收法）脫除大量的二氧化碳，此工藝過程也常稱為脫碳。由于一氧化碳和二氧化碳會造成合成氨催化劑的中毒，所以還需要第二步，即利用甲烷化的方法進(jìn)一步對粗原料氣中的二氧化碳和一氧化碳進(jìn)行脫除。此工藝過程也常稱為甲烷化過程。第一步凈化工藝類似于煉油裝置的酸性水汽提，其工藝流程示意圖如圖2.33所示。解吸出來的二氧化碳將作為尿素裝置的原料送到尿素生產(chǎn)裝置。第二步凈化是利用一定的工藝條件（壓力取決于凈化壓力），并在催化劑的作用下使原料氣中的一氧化碳和二氧化碳與氫氣化合成甲烷，從而達(dá)到脫除一氧化碳和二氧化碳的目的。

 5. 壓縮與合成 

   凈化后的原料氣在高溫、高壓條件和催化劑的作用下化合成氨氣。典型的氨合成工藝流程示意圖如圖2.34所示。原料氣經(jīng)壓縮機(jī)一級壓縮后，再與循環(huán)氣匯合進(jìn)行二級壓縮。經(jīng)逐次換熱后，送入第一合成塔進(jìn)行合成反應(yīng)。合成塔底部出來的合成氣（含氨氣、氫氣、氮氣、甲烷、氮氣等），經(jīng)過廢熱鍋爐（用于副產(chǎn)蒸汽）降熱后進(jìn)入第二合成塔、第三合成塔，逐次再進(jìn)行合成反應(yīng)。從第三合成塔出來的合成氣經(jīng)過逐次降溫，進(jìn)入分離器。分離器頂部出來的循環(huán)氣（含氫氣、氮氣、甲烷、氦氣和少量的氨氣等），經(jīng)換熱后循環(huán)利用。分離器底部出來的液氨經(jīng)降壓后送入冰機(jī)氨罐。

 6. 冷凍 

   合成工段出來的液氨最后被送至冷凍工段，經(jīng)氣化和壓縮（冰機(jī)），得到成品液氨。成品液氨可送至儲罐或用戶。

三、介質(zhì)特點

  合成氨生產(chǎn)裝置中含有許多具有特殊性質(zhì)的介質(zhì)，包括一氧化碳、二氧化碳、氫氣、硫化氫、氨和高溫氮氣。一氧化碳常態(tài)下是一種無色、無臭、無味氣體，比空氣略輕，在水中的溶解度甚低，但易溶于氨水，主要表現(xiàn)為一氧化碳在血中與血紅蛋白結(jié)合而造成組織缺氧，被GB 5044列為高度危害介質(zhì)。

  氨標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下沸點為-33.35℃，臨界溫度為132.4℃，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(jié)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(wěn)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(yīng)力腐蝕開裂（ASCC）。

四、合成氨裝置的配管設(shè)計

  主要是對塔、罐、泵、反應(yīng)器等設(shè)備的配管設(shè)計。