氨合成工艺条件的确定方法

1.压力

提高压力对氨合成反应化学平衡和反应速率均有利，在一定空间速度下。合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力越大，氨产率是随着压力的升高而增大的。

氨合成压力的高低，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素。氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。提高操作压力，原料气压缩功增加；但合成压力提高时由于氨净值增加，单位氨产品所需的循环气量减少，因而循环气压缩功减少；同时压力高也有利于氨的分离，在较高温度下气氨就可冷凝为液氨，冷冻功减少。具体的可见图11-28。从图可知总功耗在15～30MPa间较小。

图11-27　催化剂颗粒度的影响

图11-28　氨合成压力与功耗的关系

最终氨合成压力高低还直接影响到设备的投资、制造等。

2.温度

氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行，而催化剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性，所以氨合成反应温度必须维持在所使用的催化剂的活性温度范围内。(www.xing528.com)

通常称某种催化剂在一定条件下，氨合成反应速率最高时的温度为最适宜温度，不同催化剂具有不同的最适宜温度，而同一催化剂在不同使用时期，其最适宜温度也会发生改变。如果催化剂在使用初期活性较强，其反应温度可以低些；在使用中期因活性减弱，操作温度要升高；在使用后期因活性衰退，操作温度更应提高。另外，最适宜温度还与气体组成、压力等有关。

3.空间速度

空间速度（也称空速）的大小，不仅与氨净值（合成塔进出口氨含量之差）、循环气量、系统阻力降和催化剂生产强度有关，还直接影响到反应热的合理利用。

当操作压力及进塔气体组成一定时，对于既定结构的氨合成塔，提高空速，出口气体中氨含量下降也即是氨净值降低。但增加空速，氨合成塔的生产强度有所增加，具体的见表11-24。

表11-24　空间速度对氨净值和生产强度的影响

另外，提高空速能增加合成塔的生产强度的同时，也会使合成系统阻力增大、循环功耗增加，氨分离所需冷冻负荷增加。同时单位循环气量的产氨量减少，所获得的反应热相应减少，当单位循环气的反应热降低到一定程度时，合成塔就难以维持“自热”。

一般操作压力为30MPa的中压合成氨，空速在20000～30000h-1之间，氨净值10%～15%；大型合成氨厂为充分利用反应热，降低功耗并延长催化剂使用寿命，通常采用降低空速。如操作压力15MPa的轴向冷激式合成塔，空速在10000h-1，氨净值10%；而操作压力26.9MPa的径向冷激式合成塔，空速在16200h-1，氨净值12.4%。

4.合成塔进口气体组成

合成塔进口气体组成包括：氢氮比、惰气含量和初始氨含量。（1）适宜H2/N2比与反应偏离平衡的状态有关。当接近平衡时比为3，可获得最大平衡氨含量；远离平衡时比为1最适宜。实践证明：最适宜H2/N2比应略低于3（一般为2.5～2.9）较为合适。（2）惰性气体来源于新鲜原料气，它们不参与反应而于系统中积累。惰性气体的存在，对化学反应平衡、反应速率及动力消耗都不利，但要保持较低的惰气含量需要排放大量的循环气，导致原料气单耗增高。如果循环气中惰性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，依据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增加。因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气中惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件进行综合考虑。由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也不相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有所差别。（3）进塔气氨含量。当其他条件一定时，进塔气中氨含量越高，氨净值越小，塔生产能力也越小。初始氨含量的高低取决于氨冷凝的冷负荷和循环机的功耗。为过分降低冷凝温度而过多增加氨冷负荷在经济上不合理。一般操作压力30MPa时，初始氨含量控制在3.2%～3.8%；15MPa时，初始氨含量控制在2.0%～3.2%。