合成氨工艺原理、流程及发​展趋势

　　氨是一种非常重要的化工产品，在国民经济中有着重要地位。1909年，德国化学家哈勃经过多年的经验提出了“循环法”的工业氨的合成方法，成为至今为止工业上普遍使用的直接合成方法。

合成氨工艺原理

　　作为一门很复杂的技术，合成氨工艺技术中具有很多门的综合技术，包括化工、化学和物理等，属于一种非常典型的无机化工专业。

　　首先以煤合成氨为例，在制取半水煤气的时候，要将煤加入到造气炉内，然后将空气通入，使其不断的燃烧升温，这时候再将蒸汽和空气间断的通入进去，这样就能够使炙热的碳与蒸汽之间出现反应，从而生成 CO 和 H₂。在这种情况下会消耗掉空气中的 O₂，只剩下 H₂。在这个过程中还会有一些杂质性气体和粉尘产生，将其中的粉尘去除，将余热回收，就可以获得半水煤气。

　　其次是净化原料气体，在这里主要是脱去半水煤气的硫，随后在经过变化之后，脱去气体中少量的二氧化碳和一氧化碳。

　　Z后是合成氨，在这里主要是利用氨合成热力学和动力学原理，并且以物料衡算为根据，确保氨的含量可以实现平衡，因此其属于一种非常典型的工艺流程。一般来说，主要是在合成塔中进行氨的合成工艺。

合成氨的主要生产方法

　　合成氨的化学反应式如下：N₂+3H₂≈2NH₃，其中的主要原料有固态、液态和气态三种状态。生产合成氨的主要原料来源于天然气、石脑油、重质油和煤等。它们合成氨的方法各不相同：

　　天然气合成氨：

　　天然气合成氨是将天然气先进行脱硫工艺，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等，得到的氮氢混合气，其中大约还含有约0.1%～0.3%(体积)的一氧化碳和二氧化碳，在经过甲烷作用后，可以除去，Z终制得摩尔比为3：1的氢气和氮气混合纯净气体，通过压缩机压缩，然后进入反应器合成氨，Z终得到所需的成品。与天然气合成氨流程类似的还有以石脑油为原料的合成氨生产流程。

　　重质油合成氨：

　　重质油范围比较广，它包括各种在深度加工后所得的渣油，可以通过部分氧化的方法，来得到工业所需的合成氨的原料气体，它的生产过程要没有天然气蒸气转化法复杂，但它的生产过程离不开空气分离装置。在通过空气分离装置后，制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮有作为洗涤剂，如脱除一氧化碳、甲烷及氩。

　　煤合成氨：

　　随着世界上石油化工和天然气化工的高速发展，目前以煤(焦炭)为原料制取氨的方式的工厂成为主流。

合成氨工艺流程

　　一、原料气体的制备

　　氢和氮的粗原料气主要通过煤和天然气等原料制备而得。通常情况下，我们采用气化的方法从固体原料煤和焦炭制取合成气;采用非催化部分氧化的方法从渣油中获得合成气;工业中利用二段蒸汽转化法从气态烃类和石脑油中制取合成气。

　　二、原料气体的净化

　　由于生成的粗原料气中含有很多杂质气体，会影响合成氨的效率和质量，这需要进行净化处理，净化是指除去氢气和氮气以外的气体，它先后经过一氧化碳变换、脱硫脱碳以及气体精制等三个过程。

　　1、一氧化碳变换过程：

　　在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%～40%。合成氨需要的两种组分是H₂和N₂，因此需要除去合成气中的CO。由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。

　　diyi步是高温变换，使大部分CO转变为CO₂和H₂;第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

　　2、脱硫脱碳过程：

　　各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程中使催化剂中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，diyi道工序是脱硫，保护催化剂;以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。

　　工业中有很多的脱硫方法，通常是采用物理或化学吸收的方法，将粗原料气体经过CO变换以后，除H₂外，在变换气中，还留其他多种气体，如CO₂(Z多)、CO和CH₄等。而CO₂不利的是它会使氨合成催化剂中毒，益处是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥等离不开CO₂。因此变换气时，脱除CO₂必须同时考虑到这两方面。

　　3、气体精制过程：

　　经CO变换和CO₂脱除后，气体中杂质已经很少，但是原料气还含有少量残余的CO和CO₂气体。而CO和CO₂对氨合成催化剂如Fe的毒害非常大，尾尽量减少和降低CO和CO₂总含量，使其不得大于10cm³/m³(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的Z终净化，即精制过程。

　　三、氨合成

　　将纯净的氢、氮混合气体经过高压压缩，在相关催化剂如铁的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的Z重要的工序，是整个合成氨生产过程的核心组成部分。氨合成反应必须在较高压力和催化剂同时存在的条件下进行，由于该反应为可逆反应，气体中氨含量会维持在一定的比例，一般只有10%～20%，为了加强对氢气和氮气的利用率，须将未反应氢氮气循环利用。

　　1949年前我国仅有两家规模较小的合成氨厂;而建国后在国家的鼓励和支持下，合成氨工业发展突飞猛进。建国时，我国氮肥年产量很少，远远不够国民农业发展的需求;现在我国已经成为世界上产量Z高的国家之一。我国是农业大国，为促进我国农业更好的发展，我国必须改进和改善合成氨的工艺流程，努力研究新型合成氨的材料和催化剂，为我国建成二十一世纪的强国努力奋斗。

合成氨工艺发展趋势

　　从总体上来说，并不会有太大的变化出现在未来合成氨的发展趋势中。未来合成氨工艺技术的主要发展方向就是不断的降低成本、节约能源，从而实现合成氨工艺经济效益的Z大化，随后以此为基础实现集中大型化的生产。

　　1、在开发合成氨工艺技术的过程中合成气设备属于其中Z为关键的设备，其主要用于氨气合成和合成气的净化，同时还要压缩合成气体。

　　2、在合成氨的时候“油改气”为主的调整技术属于Z为有效的途径，在未来的发展中必须要采取有效措施使其经济效益得以有效改善，从而全面的提升其市场竞争力，这样在能源短缺的现实条件下，才能够选择更适合的能源取代石油资源。

　　3、要全面的提升合成氨设备的自动化、大型化和集中化程度，这样才能够有效地降低能源消耗。通过对先进技术的利用有效的控制合成氨工艺装置，同时还可以对生产行为和生产目标进行统一。因此合成氨工艺技术在未来应用的非常重要的一个趋势就是确立自动化、集成化以及大型化的生产规模。

　　4、要不断地完善合成氨装置核心技术，油改气的生产模式具有较高的合成氨装置核心技术要求，为此，技术人员必须要与合成氨装置的结构结合起来，通过对经济性标准要求的利用不断的完善合成气压缩机装置技术，从而使合成氨的生产产量得以全面提升。