合成氨工藝教學初探

　　合成氨工藝涵蓋的知識面廣，涉及到化工基礎、化工機械及設備、化工制圖、熱力學和動力學等知識。許多教師沒有接觸過生產實際，加上大部分學校沒有配套的教學器材和合成氨模擬裝置，教學過程枯燥乏味，學生更加抽象難理解，往往課程結束了，卻不知道學到了什么。因而在合成氨工藝的教學中，無論是教師還是學生都存在許多困難。在多年的教學過程中，我結合生產實際，逐步對合成氨工藝教學進行了一些探索。
　　一、教師應該是一個“雙師型”的教師，才能勝任這門科的教學
　　教師一定要在合成氨生產系統進行過一定的生產實踐，熟悉生產的設備、工藝流程、工藝條件。尤其是工藝條件的確定是合成氨工藝的難點，也是整個化工生產的難點，所有化工理論知識在這里交匯。溫度、壓力、濃度、流量、物料和熱量的衡算等理論數據和實際生產要求的數據出現一定偏差，甚至出現脫節，造成教學的難點和學生的迷茫。所以如何把理論知識和生產知識結合起來進行對照、分析，就顯得非常重要。
　　二、理清思路，抓住主線條
　　在課堂上要把氨的用途和氨的生產原理和生產過程進行簡明扼要的講解，讓學生有一個初步的認識。
　　氨是重要的無機化工產品之一，在國民經濟中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農業上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、磷酸銨、氯化銨及各種含氮復合肥，都是以氨為原料的，同時氨還是生產純堿的主要原料。
　　氨合成反應式如下：
　　N+3H?葑2NH+Q
　　合成氨的主要原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料。工藝流程都是由三個基本部分組成，即原料氣制備過程、凈化過程及氨合成過程。
　　1.原料氣制備。
　　將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態烴類和石腦油，工業中利用二段蒸汽轉化法制取合成氣。
　　2.凈化。
　　對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程及氣體精制過程。
　　（1）一氧化碳變換過程。在合成氨生產中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分數一般為12%—40%。合成氨需要的是H和N，因此需要除去合成氣中的CO。
　　變換反應如下：
　　CO+H?葑HO+CO
　　由于CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利于回收反應熱，并控制變換段出口殘余CO含量。第一步是高溫變換，使大部分CO轉變為CO和H；第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3%左右。因此，CO變換反應既是原料氣制造的繼續，又是凈化的過程，為后續脫碳過程創造條件。
　　（2）脫硫脫碳過程。各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除。以天然氣為原料的蒸汽轉化法，第一道工序是脫硫，用以保護轉化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。粗原料氣經CO變換以后，變換氣中除H 和CO外，還有少量的CO和CH等組分，其中以CO含量最多。CO既是氨合成催化劑的毒物，又是制造純堿、尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中CO的脫除必須兼顧這兩方面的要求。一般采用溶液吸收法脫除CO。根據吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)、碳酸丙烯酯法。一類是化學吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA法、MEA法。
　　（3）氣體精制過程。經CO變換和CO脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規定CO和CO總含量不得大于30ppm。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。
　　目前在工業生產中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍(<-100℃)條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100cm/m以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO與H反應生成CH和HO的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分數)一般應小于0.7%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO)含量脫除到10cm/m以下，但是需要消耗有效成分H，并且增加了惰性氣體CH的含量。甲烷化反應如下：
　　CO+3H?葑CH+HO
　　CO+4H?葑CH+2HO
　　3.氨合成。
　　將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產品的工序，是整個合成氨生產過程的核心部分。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有10%—20%，故采用未反應氫氮氣循環的流程。氨合成反應式如下：
　　N+3H?葑2NH(g)
　　三、在教學過程中找到合成氨過程的一些共同點
　　1.脫硫、脫碳、氣體精制的共同點。
　　（1）反應原理有共同點：大多都采用溶液吸收和再生兩個過程。a.大都是采用堿性溶液吸收；b.吸收過程都是可逆反應；c.反應都放出熱量；d.反應后氣相介質體積減小；e.再生過程都是吸收的逆反應，都是吸熱和體積增大的反應。
　　（2）使用的設備有共同點：a.都使用吸收塔和再生塔；b.吸收塔和再生塔都是鋼板卷焊而成的；c.吸收塔必須承受吸收的高壓力要求；d.吸收塔的直徑小于再生塔。
　　（3）工藝條件有共同點：吸收過程采用低溫、加壓的方法，再生采用加熱、減壓的方法。
　　（4）工藝流程有共同點：為了節約能源和動力消耗吸收和再生過程采用互相換熱的裝置。
　　2.氨的合成和一氧化碳的變換有共同點。
　　（1）反應過程都使用催化劑，開車前必須對催化劑進行升溫還原，停車時都要對催化劑進行鈍化（緩慢氧化）保護。
　　（2）都是可逆反應，反應不徹底，變換采用兩段以上的反應，合成采用氣體循環的方式。
　　（3）反應前要求進入塔內氣體溫度高，都在450℃以上，反應后都是放熱反應，反應后溫度超出操作溫度要求，所以工藝上都采取反應前后的氣體進行間壁換熱，達到節約熱能的目的。
　　（4）因為都是可逆放熱反應，化學熱力學要求提高溫度，以達到快的反應速度，而化學動力學要求降低溫度，以提高最終轉化率。
　　（5）由于都使用催化劑，同時考慮化學熱力學和動力學對溫度的相反影響，因此都存在最適宜溫度，操作要在最適宜溫度附近才能達到高產和合格產品。
　　總之，合成氨的教學需要理論和實踐的有機結合，理論知識需要在實踐中證明，實際操作需要靠理論知識來指導。教師應該在生產實踐中鍛煉自己，在理論知識上多下功夫，仔細研究教材和教法，才能達到教學目的。