[摘 要]合成氨工艺采用烃类蒸汽转化法。首先油田伴生气加压至4.05MPa，经预热升温到371℃在脱硫工序脱硫后与水蒸汽混合，进入一段转化炉进行转化制H2反应，一段转化炉出来的转化气进入二段转化炉，在此引入空气，转化气在二段炉内燃烧掉一部分H2，放出热量以供进一步转化，同时获得N2。二段转化气经废热锅炉余热回收后，进入变换系统，气体中的CO与水蒸汽反应，生成CO2和H2，从变换系统出来的气体经脱碳、甲烷化后为合成氨提供纯净的氢氮混合气，氢氮混合气经压缩至14.0MPa，送入合成塔进行合成氨反应。
　　[关键词]合成氨；工艺；反应
　　中图分类号：TQ113.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）42-0334-01
　　根据钴钼催化剂的特性，加氢转化反应可在260～400℃范围内进行。但温度对各个转化反应的影响是不同的，有机硫在350℃时，随温度上升其反应速度增加较快，但高于370℃后，反应速度的增加就不显著了；若达到430℃以上，则烃类加氢分解及其它副反应将加剧，从预防高温下的结焦和裂化反应考虑，应对催化剂床层的最高温度加以限制，最适宜的操作温度须根据原料烃和催化剂的性能来确定，一般控制在350～400℃。
　　升高压力对提高转化率和延长催化剂寿命均有利。因为这既有利转化反应的进行，又可控制结焦率。实际上压力并不是可以随意改变的，通常根据流程和装置的要求控制。
　　氢分压对转化深度和转化速度都有重要影响。氢分压增加，转化速度加大，循环氢气量与所要求的脱硫率和原料烃的性质有关。对天然气脱硫，以加氢转化后气体中的H2浓度在3～5.5%为宜。加氢转化的氢气是一秒钟都不能中断的，因为氢气不仅是脱硫的原料，而且又可以防止高级烃裂解析碳或结焦。
　　正常情况下甲烷化以后的合格氢氮气是氨厂最理想的氢源，它具有氢气浓度高、有害杂质少的优点，同时可以依靠自身的压力进入加氢转化器。气体从合成气压缩机的低压缸出口引出，不经冷却送到加氢转化器的入口，与已经预热的原料天然气汇合后进入101-D进行加氢反应。
　　当合成气压缩机停车或其它原因而使富氢气量低于某一给定值，就需要改合成回路的吹出气以保证氢流量。
　　合成气压缩机停车时，这个临时氢源一般只能用4个小时，压力就不够了。此时还有另外两个氢源，一个来自二氧化碳吸收塔的出口1113-F，一个来自合成气压缩机吸入罐104-F的出口。这两个配氢线从原料气压缩机的段间引入。
　　在装置开车或净化系统停车时，还须从外界引入纯度、压力合适的氢源。
　　烃类蒸汽转化是一个吸热反应，因此无论从加快反应平衡还是提高速度方面来看，提高温度有利于转化反应的进行，温度愈高，残余甲烷含量愈低。但转化温度高，会使炉管使用寿命降低、燃料消耗增加。另外，过低的甲烷含量有可能使二段转化炉超温。所以，一段转化炉出口温度控制指标应综合多种因素进行考虑，一般转化炉的反应温度通常为800℃左右。
　　从甲烷蒸汽转化反应方程式可知，水蒸汽浓度愈高，对转化反应愈有利，在其它条件相同时，水碳比愈大，残余甲烷含量愈低。因此，在烃类蒸汽转化过程中加入过量的水蒸汽。
　　水碳比不仅是烃类蒸汽转化应平衡和反应速度的重要影响因素，而且也是抑制转化触媒结碳的重要手段。水碳比的控制指标同转化反应的温度、压力有关。
　　由于加入过量的水蒸汽，转化后剩余的水蒸汽能够满足后续变换工序的需要，同时还为脱碳工序提供再生热源，因此，适当提高水碳比对后续工序也是有利的。但水碳比并非愈大愈好，当水碳比增大到一定数值后，对转化反应的影响已不明显。另外，水碳比增加，即蒸汽量增大，炉管阻力将加大，导致燃料消耗增加，同时还会影响二段炉的操作控制，因此过大的水碳比既不经济，又不利于稳定操作。
　　二段转化反应是在一个自热式的内衬耐火材料的圆筒式反应炉内进行的，在此引入空气，空气中的氧与一段转化出口气中的H2发生燃烧，燃烧热用来进一步转化残余甲烷。同时补入系统的空气量，可满足合成反应对氮气的需要。
　　变换是放热反应，随反应进行温度不断升高。变换催化剂的活性随温度上升而显著增加，从催化剂活性考虑，操作温度愈高愈好，如果变换率还没有接近平衡值，升高温度可以提高变换率。但是，降低温度有利于变换反应的化学平衡，如果变换率已经接近平衡值，升高温度会降低平衡率，这时降低温度可以增加变换率。
　　应用烃类蒸汽转化法合成氨厂普遍采用两段变换。第一段为高温变换，大部分CO在这一段通过变换反应脱除，操作温度在330～485℃，温升不超过120℃，高变出口CO含量为2～4%；第二段为低温变换，CO浓度在这一段趋向平衡值，操作温度在180～260℃，温升不超过45℃，低变炉出口CO浓度为0.2～0.5%。
　　压力对变换反应平衡无影响，而变换催化剂的活性却随压力提高而增加。
　　水气比是变换操作的一个重要调节手段。从平衡关系可知，水气比增大，则平衡变换率提高，当压力、温度、空速一定时，增加蒸汽量即提高变换炉进口水气比，有利于提高变换率。但是，随蒸汽量继续增加，变换率反而降低了，这是因为增加蒸汽量对平衡有利，却降低了反应气体的分压，缩短了催化接触反应时间，因而不利于反应。采用烃类蒸汽转化法的大型氨厂变换工序的水气比一般决定于转化。
　　高变催化剂是以Fe2O3形式供应的。铁铬系高变催化剂的活性组分是Fe3O4，促进剂主要是Cr2O3。高变催化剂的活性随压力的提高而增加，在相同的温度、水气比和空速条件下，压力愈高，变换率也愈大，但其效果愈来愈小。高变催化剂在使用之前先要活化，将Fe2O3还原为Fe3O4。
　　砷、磷和硫的化合物，是烃类蒸汽转化法大型氨厂高变催化剂中毒的主要物质，油、硼和氯等毒物则不常见。
　　低温变换催化剂的活性组份是单质Cu。低变催化剂的主要成份是氧化铜和氧化锌，低变催化剂在使用之前先要活化，将CuO还原为单质Cu。
　　从氨合成反应方程式可知，合成氨反应是一个体积缩小的反应。因此，提高压力不仅有利于反应平衡向生成氨的方向移动，而且对反应速度也有利，加压后，对产品NH3的分离也有利。所以，提高压力有利方面是：合成率高、循环气量少、冷冻量少、循环气压缩功和冰机功耗少；不利的方面是： 新鲜气压缩功耗大、设备材质要求高。
　　在催化剂的活性温度范围内，对于可逆放热反应，温度是一个矛盾的影响因素，从反应平衡的角度出发，温度升高对反应平衡不利，即降低了氨的平衡浓度。从动力学角度出发，提高温度则可以加快反应速度，使反应较快地达到较大的氨合成率。因此存在着一条最佳温度线，这个最佳温度是随着反应的进行而不断降低的。
　　在催化剂体积一定条件下，增大空速即增大循环气量，可提高单位体积催化剂的氨产量，但也不能过高，因为空速过高，将会使合成气压缩机和冰机功耗增加，所以应在一定条件下选择相应的最佳空速。
　　合成塔入口气体中有氢、氮、氨、甲烷及氩气等，进口氨含量越高，越不利于氢氮气的合成。新鲜气带入的甲烷和氩气及另有微量的氦、氖等稀有气体统称惰性气体，因为它们既不参与化学反应，也不毒害催化剂。但是它的存在降低了氢氮气的分压，不利于氨的反应平衡和反应速度，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，这部分气体称为弛放气。
　　合成塔入口气体中氢气和氮气的比例即氢氮比。从氨合成催化剂的活性（反应速度）来说，进塔气最适氢氮比在2.5左右， 而从平衡角度考虑则以3.0为最佳，所以进塔气氢氮比在2.5～3.0 范围内最有利于氨的合成。正常的最佳氢氮比为2.7～2.8，为此，可在循环气中保留有一定的过剩氮气，而新鲜气则应当根据循环气中氢氮比的需要来调节，在实际操作中，改变氢氮比的最主要手段是调整新鲜气的成份，即调整二段转化炉的工艺空气量。