提高合成率并降低循环机功耗。此时合成压力可降低至10~15MPa，又不引起总功耗的上升。目前国内中、小型合成氨厂均采用20~32MPa压力。
4．空间速度
空间速度直接影响氨合成系统的生产能力，空速太小，生产能力低。空速过高，减少了气体在催化剂床层的停留时间，合成率降低，循环气量要增大、能耗增加，同时气体中氨含量下降，增加了分离产物的困难。过大的空速对催化剂床层稳定操作不利，导致温度下降，影响正常生产。故空速的选择一般根据合成压力、反应器的结构和动力价格综合考虑。低压法常取5000~10000h-1，中压法取1500~30000h-1，而高压法可达60000h-l。
5．合成塔进口气体组成
合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量和初始氨含量。
最适宜氢氮比与反应偏离平衡的状况有关。当接近平衡时，氢氮比为3，可获得最大平衡氨含量；当远离平衡时，氢氮比为1最适宜。生产实践证明，最适宜的循环氢氮比应略低于3，通常在2.5~2.9间，而对含钴催化剂，该氢氮比在2.2左右。
惰性气体的存在，无论从化学平衡、反应动力学还是动力消耗讲，都是不利的。但要维持较低的惰性气体含量需要大量地排放循环气，导致原料气单耗增高。生产中必须根据新鲜气中惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等综合考虑。
进塔氨含量的高低，需综合考虑氨冷凝的冷负荷和循环机的功耗。通常操作压力为25~30MPa时采用一级氨冷，进塔氨含量控制在3％~4％；而在20MPa合成时采用二级氨冷15MPa下合成时采用三级氨冷，此时进塔氨含量可降至1.5％~2.0％。
第六节 氨的分离和合成氨系统工艺流程
一、氨的分离
即使在100 MPa的压力下合成氨，合成塔出口气体的氨含量也只能达到25％左右。因此，必须将生成的氨分离出来，将未反应的氢氮气送回系统循环利用。
氨的分离方法有冷凝分离法和水或溶剂吸收法，溶剂吸收法尚未获得工业应用。目前工业生产中主要为冷凝法分离氨。
冷凝法分离氨是利用氨气在高压下易于液化的原理进行的。高压下，与液氨呈平衡的气相氨含量随温度降低、压力增高而下降，近似可以下式计算：
lgyNH3?4.1856?001.9060p?1099.5T
式中 yNH——与液氨呈平衡的气相氨含量，％
3 p一—混合气总压力，MPa；
T——温度，K。
如操作压力在45MPa以上，用水冷却即可使氨冷凝。而在20~30 MPa下操作，水冷只
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能分出部分氨，气相中尚含有7％~9％的氨，需进—步以液氨为冷冻剂冷至0℃以下，方可将气相氨含量降至2％~4％。
冷凝的液氨在氨分离器中与气体分开后经减压送入贮槽。同时带入一定量的氢、氮、甲烷和氩气（包括溶解和夹带），这些气体大部分在氨贮槽中释放出来，工业上称为“贮槽气”或“弛放气”。
二、合成氨系统工艺流程
根据氨合成的工艺特点，工艺过程系采用循环流程。其中包括氨的合成、分离、氢氮原料气的压缩并补入循环系统，未反应气体补压后循环利用、热量的回收以及排放部分循环气以维持循环气中惰性气体的平衡等。
在工艺流程的设计中，要合理地配置上述各环节。重点是合理的确定循环压缩机、新鲜原料气的补入以及情气放空的位置、氨分离的冷凝级数（冷凝法）、冷热交换器的安排和热能回收的方式等。
采用柱塞式压缩机的氨合成系统，活塞环采用注油润滑，压缩后气体中夹带油雾，新鲜气补入及循环压缩机的位置均不宜设置在合成塔之前。循环机宜尽量置于流程中气量较少、温度较低的部位，以降低功耗。一般设置在水冷与氨冷之间。而补充气宜补入水冷与氨冷之间的循环机滤油器中，以便在氨冷中利用液氨进一步脱除其中的水、油和微量二氧化碳。
采用离心式压缩机的合成氨系统，气体中不存在油雾，而且循环气和新鲜气是在同一压缩机的不同段里进行，有的甚至直接在压缩机的缸内混合。因此，新鲜气的补入和循环压缩机在流程中处于同—位置。
惰性气体的放空显然应设在情性气体含量高，氨含量较低的部位。氨分离冷凝的级数以及冷热交换的安排均以节省冷量为原则。同时有利于回收合成反应热以降低系统能耗。
由于采用压缩机的型式、氨分离冷凝级数、热能回收形式以及各部分相对位置的差异而形成不同的流程。
（一）中小型合成氨厂流程
图3-7
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在该类流程中，新鲜气与循环气均由往复式压缩机加压，设置水冷器与氨冷器两次冷却，氨合成反应热仅用于预热进塔气体。如图3-7所示。
合成塔出口气经水冷器冷却至常温，其中部分氨被冷凝，液氨在氨分离器中分出。为降低惰性气体含量，循环气在氨分离后部分放空，大部分循环气进循环压缩机补充压力后进滤油器，新鲜原料气也在此处补入。而后气体进冷凝塔的上部热交换器与分离液氨后的低温循环气换热降温，经氨冷器冷却到0~ -8℃，使气体中绝大部分氨冷凝下来，在氨冷凝塔的下部将气液分开。分离出液氨的低温循环气经冷凝塔上部热交换器与来自循环压缩机的气体换热，被加热到10~30℃进氨合成塔，从而完成循环过程。
该流程的特点：放空气位置设在惰性气体含量最高、氨含量较低的部位以减少氨损失和原料气消耗；循环压缩机位于第一、第二氨分离之间，循环气温度较低有利于压缩作业；新鲜气在滤油器中补入，在第二次氨分离时可以进一步达到净化目的，可除去油污以及带入的微量CO2和水分。
对15MPa下操作的小型合成氨厂，因为操作压力低，水冷后很少有氨冷凝下来，为保证合成塔入口氨含量的要求，设置有两个串联的氨冷器和氨分离器。
（二）大型氨厂流程
在该类流程中采用蒸汽透平驱动的带循环段的离心式压缩机，气体中不含油雾可以直接 把它配置于氨合成塔之前。氨合成反应热除预热进塔气体外，还用于加热锅炉给水或副产高
图3-8
压蒸汽，热量回收较好。图3-8为凯洛格传统流程。
新鲜气在离心压缩机的第一缸中压缩，经新鲜气甲烷化气换热器、水冷却器及氨冷却器逐步冷却到8℃。除去水分后新鲜气进入压缩机第二缸继续压缩并与循环气在缸内混合，压
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力升到15.3MPa，温度为69℃经过水冷却器，气体温度降至38℃。而后，气体分为两路，一路约50％的气体经过两级串联氨冷器6和7。一级氨冷器6中液氨在13℃下蒸发，将气体进一步冷却到l℃。另一路气体与高压氨分离器来的-23℃的气体在冷热换热器内换热，降温至-9℃，而来自氨分离器的冷气体则升温到24℃。两路气体汇合后温度为-4℃，再经过第三级氨冷器，利用-33℃下蒸发的液氨进一步冷却到-23℃，然后送往高压氨分离器。分离液氨后含氨2％的循环气经冷热交换器和热热换热器预热至141℃进轴向冷激式氨合成塔。高压氨分离器中的液氨经减压后进入冷冻系统，弛放气与回收氨后的放空气一并用作燃料。 该流程除采用离心式压缩机并回收氨合成反应热预热锅炉给水外，还具有如下一些特点：采用三级氨冷，逐级将气体降温至-23℃，冷冻系统的液氨亦分三级闪蒸，三种不同压力的氨蒸气分别返回离心式氨压缩机相应的压缩级中，这比全部氨气一次压缩至高压、冷凝后一次蒸发到同样压力的冷冻系数大、
功耗小；流程中弛放气排放位于压缩机循环段之前，此处惰性气体含量最高，但氨含量也最高，由于回收排放气中的氨，故对氨损失影响不大；此外，氨冷凝在压缩机循环段之后进行，可以进一步清除气体中夹带的密封油、CO2等杂质。缺点是循环功耗较大。
三、氨合成反应器
氨合成塔是整个合成氨生产工艺中最主要的设备。它必须适应过程在接近最适宜温度下操作，力求小的系统阻力降以减少循环气的压缩功耗，结构上应简单可靠，满足合成反应高温高压操作的需要。
1．结构特点
在氨合成的温度、压力条件下，氢、氮气对碳钢具有明显的腐蚀作用。为避免腐蚀，合成塔通常都由内件和外筒两部分组成。进入合成塔的气体先经过内件和外筒之间的环隙。内件外面设有保温层（或死气层），以减少向外筒散热。因而，外筒主要承受高压而不承受高温，可用普通低合金钢或优质低碳钢制成。正常情况下，寿命达40~50年。内件虽在500℃左右的温度下操作，但只承受高温而不承受高压，承受的压力为环隙气流和内件气流的压差，此压差一般为0.5~2.0MPa，可用镍铬不锈钢制作。内件由催化剂筐、热交换器、电加热器三个主要部分构成。大型氨合成塔的内件一般不设电加热器，由塔外供热炉供
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查一查 近年来还出现哪些节能型氨合成装置？ 图3-9 热。
氨合成塔的结构形式繁多。工业上，按降温方式不同，可分为冷管冷却型、冷激型和中间换热型。一般而言冷管冷却型用于φ500~φ1000的小型氨合成塔；冷激型具有结构简单，制造容易的特点；中间换热型氨合成塔是当今世界的发展趋势，但其结构较复杂。近年来将
传统的塔内气流由轴向流动改为径向流动以减少压力降，降低压缩功耗已受到了普遍重视。
2．主要形式
（1）连续换热式（冷管冷却型） 连续换热式又叫内部换热式，特点是在催化剂床层中设置冷却管，通过冷却管进行床层内冷、热气流的间接换热，以达到调节床层温度的目的。
（2）冷激式
这类合成塔催化剂床层分为若干段，在段间通入未预热的氢、氮混合气直接冷却，故称为多段直接冷激式氨合成塔。以床层内气体流动方向的不同，可分为沿中心轴方向流动的轴向塔和沿半径方向流动的径向塔。图3-9为凯洛格四层轴向冷激式氨合成塔，催化剂床层温度和氨含量分布如图3-10所示。
（3）中间换热式 图3-11为Topsφe S—200型氨合成的两种型式（带下部换热器型和不带换热器型）。
该塔采用了径向中间冷气换热的TopsφeS-200型内件，代替原有层间冷激的Topsφe S-100型内件。由于取消了层间冷激，不存在因冷激降低氨浓度的不利因素，使合成塔出口氨浓度
图3-11
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图3-10