1.4 合成氨生产的典型流程[8]
图1.1 以焦炭(无烟煤)为原料的制氨流程 图1.2 以天然气为原料的制氨流程
图1.3 以重油为原料的制氨流程
上图1.1是以焦炭(无烟煤)为原料的流程，20世纪50年代以前，世界上大多数合成氨厂采用哈伯一博施法流程(示意流程图如图1．1所示)，以焦炭为原料的吨氨能耗为88GJ，比理论能耗高4倍多。
中国在哈伯一博施流程基础上于20世纪50年代束、60年代初开发了碳化工艺
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和三催化剂净化流程。
①碳化工艺流程将加压水洗改用氨水脱除C02，碳化同时得到的碳酸氢铵，经结晶、分离后作为产品。所以，流程的特点是气体净化与氨加工结合起来。
②催化剂净化流程采用脱硫、低温变换及甲烷化三种催化剂来净化气体，以代替传统的铜氨液洗涤工艺。
上图1.2是以天然气原料的流程，此流程适用于天然气或油田气、炼厂气等气体燃料，稍加改进也适用于石脑油为原料。流程中使用了七、八种催化剂，这些不同类型催化剂的应用，又要求有高度化度的气体净化技术配合。
上图1.3是以重油为原料的流程，此流程采用部分氧化法造气。因回收高热量方式不同，又分为：a德土古冷激流程，采用先耐硫变换后甩甲醇洗同时脱硫、脱碳；b谢尔废热锅炉流程，采用先脱硫，常规变换之后再脱CO2。 1.5 影响合成塔性能的因素[9,10,11]
合成氨反应必须在有催化剂的条件下才能进行，合成塔性能就体现在催化剂的性能是否充分发挥出来。影响合成塔性能有以下因素：
(1)温度
温度对反应速度和平衡都有影响．温度增加时反应速度加快，但平衡氨浓度下降。如果可能，应尽量降低温度，以有利于平衡。催化剂只有在一定温度范围内才显示出活性，合成氨铁触媒活性最佳温度在400～500℃范围(低活性或旧触媒最低起燃温度370℃)，所以在催化剂活性范围内控制温度，对于放热反应既要考虑反应平衡，又要考虑反应速度。反应初期，主要是考虑如何提高反应速度，故可将温度控制稍高一些。但在反应后期，则主要考虑如何提高反应平衡氨浓度，此时应将温度控制稍低一些。合成氨反应是放热反应，如果反应热不及时取走，则催化剂床层温度将随反应的进行而不断上升，当高于570℃时，催化剂将很快丧失其活性。
(2)压力
压力对平衡和反应速度都有影响。压力增加时，平衡氨浓度积反应速度都增加，这二者都有利于转化率的提高。且压力越高，对产品氨的分离也有利。当放空量恒定时，促使压力上升的因素是新鲜气量增加、循环气量减少等。
(3)空速
反应器的进料气量是新鲜气与循环气之和，其变化将影响接触时间和转化率，因此也就影响氨产量。一般来说，提高空速，通过催化剂床层的气体量增加了，可以提高氨产量。未反应的氢氮气，经过循环又回到合成塔，最终将全部反应合成氨(弛放气带出的除外)。如果进塔气量减少，则接触时间增长，而转化率相应提高，出口氨浓度也随之增加。
(4)氢氮比
根据合成氨催化剂的动力学实验，进塔气的氢氮比在于2.5:1至3:1的范围最有利于转化，其合成氨反应的速度最快，改变氢氮比的主要手段是新鲜气的成份。
(5)进口氨含量
进口氨含量进口的选定，涉及到冷冻功耗和循环功，也涉及到氨合成塔和氨分离装置投资的权衡。氨冷级数与氨合成压力有关。在10一15MPa时，合成氨可用二级或三级氨冷，进塔氨含量为2％左右。
(6)惰气
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进入合成塔惰气一般指甲烷及氩气。它们对催化剂不是毒物，也不参与反应，但它的存在降低了氢和氮气的分压，对反应速度和平衡均不利，而且浪费循环功。为了保持惰性气体含量不致太高，需要把回路气体放出一部分，称为弛放气。通常，新鲜气中含有的惰性气体为1～1.5％，与循环气混合后，保持入塔惰气含量在13～15％，弛放气量约为新鲜气量的10％左右。
2 合成氨工艺的简化模拟过程
2.1 简化工艺流程图
我们只对合成氨的油分离器，合成塔，以及冷凝器进行了模拟，股流程图只画出了这几个设备。
油分离器 合成塔 冷凝器 放空
2.2 单元模块的建立
本文将氨合成回路切断成链，并编制单元计算模块进行计算。
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图2.1 模拟计算过程流程图
2.2.1 气体混合计算[12]
N2?N4?N1
y2j?(N4*y4j?N1*y1j)/N2N3?N2*(1?y2,3)/(1?y3,3)
上列各式中, N、y、x 分别表示流量、气相和液相组成；小角第一个数字表示物流序号，第二个数字表示组分；i=1,2,3,4,5，分别表示组分H2、N2、NH3、CH4、Ar。
2.2.2 氨合成器计算
2.2.2.1 一维拟均相数学模型的假设
为了使数学模型不致太复杂，但又不失其真实性，在建立模型时作了部分简化或假设：
(1)忽略了直径方向上的温度梯度和浓度梯度。
(2)催化剂层内流型属理想置换，不计纵向扩散及传热，同截面上流速均匀。 (3)外扩散影响忽略不计，因而气相温度与浓度和催化剂外表面温度、浓度相同。
(4)化学动力学符合捷母金方程，并取a=0．5。
(5)内扩散影响不作详细计算，内表面利用率连同上述所有简化假定引起的一系列与实际的偏差，暂时用一修正系数“Cor”来表示，以加以弥补，因此Cor的大小在某种意义上可看作是催化剂宏观活性相对值的表征，即称之为催化剂的
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活性系数。本文中的Cor取自文献中的数值，取Cor=0.552.
2.2.2.2 一维拟均相数学模型的建立
对合成氨反应做物料衡算[13]，则有，
NT0dNNH3?dyNH32(1?yNH3)NT?NT01?yNH3 （2.1）
在铁系催化剂上氨合成反应动力学方程可用焦姆金方程表示，方程经转换后，可得：
dyNH3d?0?kT(1?yNH3)2FA （2.2）
kt?k0exp式中：
FA??EaRT1.5KffHfN22fNH3?fNH31.5fH2
可设轴向固定床反应器的外径为DC，内径为Di，高度为H，且流体分布均匀，流动中没有沟流和短路。在催化床从外半径l到l+dl之间取一个dl圆柱状的微元，相应微元体积为dVR。在此微元体积中，用单位催化剂体积表示的本征动力学方程式如下式，并将dVR?(22.4NT0)dT0和式(2.1)式代入其中可得：
RNH3?dNH3dVR?NT0dyNH3(1?yNH3)2?1 （2.3）
(22.4NT0)d?0对此微元作关键组分NH3的物料衡算，可得：
dNNH3dldyNH3dl?s?Cor?RNH3 （2.4）
将式（2.1）（2.2）代入（2.3）可得：
?s?CorkT0(1?yNH3)2FA （2.5）
22.4NT0?Ea RT式中，kt?k0exp2.2.2.3 动力学参数的求取
本文采用文献[14]所给的动力学参数。A110型催化剂在10-15Mpa下的动力学参数为：
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