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合成氨裝置合成工段仿真

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更新時間：2018-06-06
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合成氨裝置合成工段仿真實驗六合成氨裝置合成工段仿真
一. 工藝流程簡介
1. 工藝原理
氨的合成是氨廠最后一道工序，任務是在適當?shù)臏囟取毫陀写呋瘎┐嬖诘臈l件下，將經(jīng)過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，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的氫氮氣體循環(huán)使用。
1.1 氨合成反應的特點
氨合成的化學反應式如下：

這一化學反應具有如下幾個特點：
（1）是可逆反應。即在氫氣和氮氣反應生成氨的同時，氨也分解成氫氣和氮氣。
（2）是放熱反應。在生成氨的同時放出熱量，反應熱與溫度、壓力有關(guān)。
（3）是體積縮小的反應。
（4）反應需要有催化劑才能較快的進行。
1.2氨合成反應的化學平衡
1、低平衡常數(shù) 氨合成反應的平衡常數(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。
由于按合成反應是可逆、放熱、體積縮小的反應，根據(jù)平衡移動定律可知，降低溫度，提高壓力，平衡向生成氨的方向移動，因此平衡常數(shù)增大。
2、平衡氨含量反應達到平衡時按在混和氣體中的百分含量，稱為平衡氨含量，或稱為氨的平衡產(chǎn)率。平衡氨含量是給定操作條件下，合成反應能達到的最大限度。
計算平衡常數(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---平衡時氨的體積百分數(shù)
-----惰性氣體的體積百分數(shù)
p-----總壓力
-----平衡常數(shù)
r------氫氮比例
由式可見，溫度降低或壓力升高時，等式右方增加，因此平衡氨含量也增加。所以，在實際生產(chǎn)中，氨的合成反應均在加壓下進行。
1.3氨合成動力學
（一）反應機理
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孔的內(nèi)表面擴散，并在表面上進行活性吸附。吸附氮與吸附氫及氣相氫進行化學反應，一次生成NH、NH2、、NH3。后者至表面脫附后進入氣相空間。可將整個過程表示如下：

在上述反應過程中，當氣流速度相當大，催化劑粒度足夠小時，外擴散光和內(nèi)擴散因素對反應影響很小，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行的最慢，是決定反應速度的關(guān)鍵。這就是說按得合成反應速度是由氮的吸附速度所控制的。
（二）反應速度
反應速度是以單位時間內(nèi)反應物質(zhì)濃度的減少量或生成物質(zhì)濃度的增加量來表示。在工業(yè)生產(chǎn)中，不僅要求獲得較高的氨含量，同時還要求有較快的反應速度，以便在單位時間內(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-----反應的瞬時總速度，為正反應和逆反應速度之差
、----正、逆反應速度常數(shù)
----為氫、氮、氨氣體的分壓。
（三）內(nèi)擴散的影響
當催化劑的顆粒直徑為1mm時，內(nèi)擴散速度是反應速度的百倍以上，故內(nèi)擴散的影響可忽略不計。但當半徑大于5mm時，內(nèi)擴散速度已經(jīng)比反應速度慢，其影響就不能忽視了。催化劑毛細孔的直徑愈小和毛細孔愈長（顆粒直徑愈大），則內(nèi)擴散的影響愈大。
實際生產(chǎn)中，在合成塔結(jié)構(gòu)和催化層阻力允許的情況下，應當采用粒度較小的催化劑，以減小被擴散的影響，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、影響合成塔反應的條件：
催化的合成反應可用下式表示：

在推薦的操作條件下，合成塔出口氣中氨含量約13.9%（分子）沒有反應的氣體循環(huán)返回合成塔，最后仍變?yōu)楫a(chǎn)品。
（一）溫度：溫度變化時對合成氨反應的影響有二方面，它同時影響平衡濃度及反應速度。因為合成氨的反應是放熱的，溫度升高使氨的平衡濃度降低，同時又使反應加速，這表明在遠離平衡的情況下，溫度升高時合成效率就比較高，而另一方面對于接近平衡的系統(tǒng)來說，溫度升高時合成效率就比較低，在不考慮觸媒衰老時，合成效率總是直接隨溫度變化的，合成效率的定義是：反應后的氣體中實際的氨的百分數(shù)與所討論的條件下理論上可能得到的氨的百分數(shù)之比。
(二) 壓力：氨合成時體積縮小(分子數(shù)減少)，所以氨的平衡百分數(shù)將隨壓力提高而增加，同時反應速度也隨壓力的升高而加速，因此提高壓力將促進反應。
(三) 空速：在較高的工藝氣速(空間速度)下，反應的時間比較少，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遠小于空速的增加的，由于有較多的氣體經(jīng)過合成塔，所增加的氨產(chǎn)量足以彌補由于停留時間短，反應不完全而引起的產(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，增加合成塔的氣
量會提高產(chǎn)量。
通常是采取改變循環(huán)氣量的辦法來改變空速的，循環(huán)量增加時(如果可能的話)，由于單程合成效率的降低，觸煤層的溫度會降低，由于總的氨產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)的壓力也會降低，MIC-22關(guān)小時，循環(huán)量就加大，當MIC-22完全關(guān)閉時，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維持在3.0：1.0左右，這是因為氫與氮是以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，合成效率最高。為了使進入合成塔的混合氣能達到最好的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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