合成氨裝置合成工段仿真
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- 合成氨裝置合成工段仿真實(shí)驗(yàn)六 合成氨裝置合成工段仿真
一. 工藝流程簡(jiǎn)介
1. 工藝原理
氨的合成是氨廠最后一道工序，任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟取毫陀写呋瘎┐嬖诘臈l件下，將經(jīng)過(guò)精制的氫氮混和氣直接合成為氨。然后將所生成的氣體氨從未合成為氨的混和氣體中冷凝分離出來(lái)，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的氫氮?dú)怏w循環(huán)使用。
1.1 氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)
氨合成的化學(xué)反應(yīng)式如下：
這一化學(xué)反應(yīng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）是可逆反應(yīng)。即在氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)狻?br />
（2）是放熱反應(yīng)。在生成氨的同時(shí)放出熱量，反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān)。
（3）是體積縮小的反應(yīng)。
（4）反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。
1.2氨合成反應(yīng)的化學(xué)平衡
1、低平衡常數(shù) 氨合成反應(yīng)的平衡常數(shù)可表示為：
=
式中p(NH3)、p(H2)、p(N2)-----為平衡狀態(tài)下氨、氫、氮的分壓。
由于按合成反應(yīng)是可逆、放熱、體積縮小的反應(yīng)，根據(jù)平衡移動(dòng)定律可知，降低溫度，提高壓力，平衡向生成氨的方向移動(dòng)，因此平衡常數(shù)增大。
2、平衡氨含量 反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)按在混和氣體中的百分含量，稱(chēng)為平衡氨含量，或稱(chēng)為氨的平衡產(chǎn)率。平衡氨含量是給定操作條件下，合成反應(yīng)能達(dá)到的最大限度。
計(jì)算平衡常數(shù)的目的是為了求平衡氨含量。平衡氨含量與壓力、平衡常數(shù)、惰性氣體含量、氫氮比例的關(guān)系如下：
式中---平衡時(shí)氨的體積百分?jǐn)?shù)
-----惰性氣體的體積百分?jǐn)?shù)
p-----總壓力
-----平衡常數(shù)
r------氫氮比例
由式可見(jiàn)，溫度降低或壓力升高時(shí)，等式右方增加，因此平衡氨含量也增加。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，氨的合成反應(yīng)均在加壓下進(jìn)行。
1.3氨合成動(dòng)力學(xué)
（一）反應(yīng)機(jī)理
氮與氫自氣相空間向催化劑表面接近，其絕大部分自外表面向催化劑毛細(xì)孔的內(nèi)表面擴(kuò)散，并在表面上進(jìn)行活性吸附。吸附氮與吸附氫及氣相氫進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，一次生成NH、NH2、、NH3。后者至表面脫附后進(jìn)入氣相空間。可將整個(gè)過(guò)程表示如下：
在上述反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)氣流速度相當(dāng)大，催化劑粒度足夠小時(shí)，外擴(kuò)散光和內(nèi)擴(kuò)散因素對(duì)反應(yīng)影響很小，而在鐵催化劑上吸附氮的速度在數(shù)值上很接近于合成氨的速度，即氮的活性吸附步驟進(jìn)行的最慢，是決定反應(yīng)速度的關(guān)鍵。這就是說(shuō)按得合成反應(yīng)速度是由氮的吸附速度所控制的。
（二）反應(yīng)速度
反應(yīng)速度是以單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)濃度的減少量或生成物質(zhì)濃度的增加量來(lái)表示。在工業(yè)生產(chǎn)中，不僅要求獲得較高的氨含量，同時(shí)還要求有較快的反應(yīng)速度，以便在單位時(shí)間內(nèi)有較多的氫和氮合成為氨。
根據(jù)氮在催化劑表面上的活性吸附是氨合成過(guò)程的控制步驟、氮在催化劑表面成中等覆蓋度、吸附表面很不均勻等條件，捷姆金和佩熱夫?qū)У玫乃俣确匠淌饺缦拢?br />
W-----反應(yīng)的瞬時(shí)總速度，為正反應(yīng)和逆反應(yīng)速度之差
、----正、逆反應(yīng)速度常數(shù)
----為氫、氮、氨氣體的分壓。
（三）內(nèi)擴(kuò)散的影響
當(dāng)催化劑的顆粒直徑為1mm時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散速度是反應(yīng)速度的百倍以上，故內(nèi)擴(kuò)散的影響可忽略不計(jì)。但當(dāng)半徑大于5mm時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散速度已經(jīng)比反應(yīng)速度慢，其影響就不能忽視了。催化劑毛細(xì)孔的直徑愈小和毛細(xì)孔愈長(zhǎng)（顆粒直徑愈大），則內(nèi)擴(kuò)散的影響愈大。
實(shí)際生產(chǎn)中，在合成塔結(jié)構(gòu)和催化層阻力允許的情況下，應(yīng)當(dāng)采用粒度較小的催化劑，以減小被擴(kuò)散的影響，提高內(nèi)表面利用率，加快氨的生成速度。
1.4影響合成塔操作的各種因素
1、影響合成塔反應(yīng)的條件：
催化的合成反應(yīng)可用下式表示：
在推薦的操作條件下，合成塔出口氣中氨含量約13.9%（分子）沒(méi)有反應(yīng)的氣體循環(huán)返回合成塔，最后仍變?yōu)楫a(chǎn)品。
（一）溫度：溫度變化時(shí)對(duì)合成氨反應(yīng)的影響有二方面，它同時(shí)影響平衡濃度及反應(yīng)速度。因?yàn)楹铣砂钡姆磻?yīng)是放熱的，溫度升高使氨的平衡濃度降低，同時(shí)又使反應(yīng)加速，這表明在遠(yuǎn)離平衡的情況下，溫度升高時(shí)合成效率就比較高，而另一方面對(duì)于接近平衡的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，溫度升高時(shí)合成效率就比較低，在不考慮觸媒衰老時(shí)，合成效率總是直接隨溫度變化的，合成效率的定義是：反應(yīng)后的氣體中實(shí)際的氨的百分?jǐn)?shù)與所討論的條件下理論上可能得到的氨的百分?jǐn)?shù)之比。
(二) 壓力：氨合成時(shí)體積縮小(分子數(shù)減少)，所以氨的平衡百分?jǐn)?shù)將隨壓力提高而增加，同時(shí)反應(yīng)速度也隨壓力的升高而加速，因此提高壓力將促進(jìn)反應(yīng)。
(三) 空速：在較高的工藝氣速(空間速度)下，反應(yīng)的時(shí)間比較少，所以合成塔出口的氨濃度就不象低空速那樣高，但是，產(chǎn)率的降低百分比上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空速的增加的，由于有較多的氣體經(jīng)過(guò)合成塔，所增加的氨產(chǎn)量足以彌補(bǔ)由于停留時(shí)間短，反應(yīng)不完全而引起的產(chǎn)量的降低，所以在正常的產(chǎn)量或者在低于正常產(chǎn)量的情況下，其它條件不變時(shí)，增加合成塔的氣
量會(huì)提高產(chǎn)量。
通常是采取改變循環(huán)氣量的辦法來(lái)改變空速的，循環(huán)量增加時(shí)(如果可能的話(huà))，由于單程合成效率的降低，觸煤層的溫度會(huì)降低，由于總的氨產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)的壓力也會(huì)降低，MIC-22關(guān)小時(shí)，循環(huán)量就加大，當(dāng)MIC-22完全關(guān)閉時(shí)，循環(huán)環(huán)量最大。
(四) 氫氮比：送往合成部分的新鮮合成氣的氫氮比通常應(yīng)維持在3.0：1.0左右，這是因?yàn)闅渑c氮是以3.0：1.0的比例合成為氨的，但是必須指出：在合成塔中的氫氮比不一定是3.0：1.0，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)合成塔內(nèi)的氫氮比為2.5~3.0：1.0時(shí)，合成效率最高。為了使進(jìn)入合成塔的混合氣能達(dá)到最好的H2：N2比、新鮮氣中的氫氮比可以稍稍與3.0：1.0不同。
(五) 惰性氣體：有一部分氣體連續(xù)地從循環(huán)機(jī)的吸入端往吹出氣系統(tǒng)放空，這是為了控制甲烷及其它惰性氣體的含量，否則它們將在合成回路中積累使合成效率降低，系統(tǒng)壓力...
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