氨合成的能量分析与操控要点分析
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摘要：由于在氨的合成过程中，会产生大量的化学能量，这就需要采取相关的措施去控制和转换，才能保证氨生产合成的顺利进行。文章将就氨合成的能量与操控要点进行分析。
氨的合成是一个较为复杂的化学过程，是无机化工的一个方面。在实际的操作中，需要生产人员了解氨合成的具体过程，掌握氨合成的技术要点，特别是要掌握氨合成的能量分析要点以及合成塔的操控特点，这样才能保证生产的顺利进行。
一、节氨合成过程的能量分析
一般而言，氨合成反应的热效应可以表示为 HR=-46.22kJ/mol，但是如果产品是液态氨，那还需要加上氨的冷凝热，则公式可以表示为 HR=-66.06kJ/mol。通常情况下，上述热能是无法得到全部利用的。有相当部分的余热，需要通过废热锅炉副产蒸汽和加热锅炉给水，而剩下部分则由水冷器中的水和氨冷器中的氨带走。
以并流三套管为例，在温-焓图上，简要说明氨合成系统气体能量变化的情况。如下图所示。此图以0℃为基准，压力为30.40MPa。同时规定0℃时含CH45.2％、Ar9.2％的氢氮混合气的焓值是零。
在这个过程中，进塔气体一般是处于温度为20℃、氨含量为3.5％ (图中1点)的状态进入合成塔，通过塔下部换热器及冷管换热后，其温度升将会至400℃，在整个预热的过程氨含量是不发生改变，在图上沿等氨含量线变化到2点。当气体开始进入催化床层后，就会在绝热段发生绝热反应，等焓变化至2’点。在进入冷却段之后，因为冷管的冷却作用，气体的焓值将会出现逐渐下降的想象，直到反应终了气体温度为493℃，氨含量为15．5％，如图中3点所示，此时气体会通过下部换热器降温至4点后出塔。
氨合成塔属于稳流体系，根据热力学第一定律可知，H=Q+W，很明显W=0，如果我们不计算塔的散热损失，则有Q=0，H =H4-H=0，也就是合成塔进口气体的焓值等于出口气体的焓值，此时可以发现1，4两点位于平行于横轴的一条直线上。这也就意味这，如果能够确定进塔气体状态，那就可以确定出塔气体的焓为定值。4点的位置可以任意由其他的状态参数确定，不过其余状态参数都是不能为独立参变数的。
出塔气体温度的高低决定出塔气体的余热回收价值。一般来说，如果出塔气体温度的高，那就代表其回收价值大，所产的蒸汽压力就高，数量也就比较大。通过温焓图分析表明，如果进塔气体的组成一定，那么进口气体的温度将会决定1点的焓值。如果进口气体温度提高，那1点焓值就会不断增加，当出塔氨含量一定时，出塔气体温度也就会提高；而在l点状态已经确定的情况下，如果继续提高出塔气体的温度，那就可以进一步提高出塔氨含量(或氨净值)。进塔氨含量的高低，也可以影响出塔气体温度，但一般来说进塔气体的氨含量变化不会太大。
综上所述，我们可以确定氨合成塔的出口气体温度，主要与进塔气体温度和氨净值有关。加设换热器是提高合成塔进气温度最简便的措施，其主要是利用合成塔出口气体的余热预热合成塔进口气体。这个原理一方面考虑了合成塔外筒对温度的要求，也考虑到了提高进塔气体的温度，这样就可以有效的提高出塔气体温度。当然，为保持合成塔塔壁温度能够控制在一定范围内，而不过于太高，合成塔一进气体的温度将会经内外筒之间的环隙自上而下，不会进入塔内换热器，而是引出塔外进提温型预热器，从而提高二进合成塔气体温度，保证二次出塔气体温度得到相应提高。
提高氨净值的方法主要有两种，一是通过选择优质合成塔内件来实现，二是在保证合成塔内件一定的前提下，进一步严格操作条件，确保催化剂的活性，最终实现较高的氨净值。当然，在这个过程中，我们需要注意的是，氨净值的提高，一方面会提高出塔气体温度，另一方面会增加余热回收量。这主要是因为在气体离开余热回收器温度相同的情况下，其焙值会随氨净值的增大而减小。造成余热回收量的增大。
二、热能回收的方法
回收热能的方法主要有两种方式，一种是利用余热副产蒸汽，一种是用来加热锅炉给水。如果选择使用于副产蒸汽，那从锅炉安装的位置，又可分两中，即塔内副产蒸汽合成塔和塔外副产蒸汽合成塔。内置式副产蒸汽合成塔的主要优点是热能利用好，但因结构复杂且塔的容积利用系数低，所以当前并不常使用。
根据反应气抽出位置的不同，外置式副产蒸汽合成塔可以分为三种：
①前置式副产蒸汽合成塔。抽气位置在换热器之前，反应气出催化床层即进入废热锅炉换热，然后回换热器。
②中置式副产蒸汽合成塔。这种方法对材料的要求并不高。
③后置式副产蒸汽合成塔。因为抽气位置在换热器之后，所以气体温度一般较低，只能产生0．4MPa左右的低压蒸汽，那就意味着其使用价值比较低。
三、氨合成塔的操作控制要点
在安全生产的前提下，提高设备的生产能力，进一步降低原料消耗，确保系统进行安全、持续、均衡、稳定的生产，是生产操作控制的最终目的。
生产操作中控制的各个指标是相互作用的，也就是说在生产过程中是互相影响又互为条件的关系，这就意味着怎样保证工艺指标相对稳定，不产生或者很少产生波动，确保系统处于安全、稳定的状态，其实是一件复杂的工作。这就要求操作人员，必须要熟悉系统的工艺情况，同时还需要掌握生产条件之间的内在联系。这样，当一个条件发生变化时，就能够快速地进行预见性调节。除了通过观看仪表进行操作控制外，还应通过系统中某些现象的变化，正确果断地进行处理，避免操作中事故的发生和扩大。
氨合成塔的操作控制应以氨产量高、消耗低和操作稳定为目的，而操作稳定是实现高产量、低消耗的必要条件。氨合成塔的操作控制最终表现在催化床层温度的控制上，在既定的反应温度下，应始终保持温度的相对稳定。影响温度的主要因素有压力、循环气量、进塔气体成分等。
1.温度的控制
温度的控制关键是对催化床层热点温度和入口温度的控制。
热点温度的控制
对冷管式合成塔，不论是轴向还是径向，其热点温度是指催化床层最高一点的温度。由前述冷管式催化床温度的分析可知，催化床的理想温度分布是先高后低，即热点位置应在催化床的上部。对冷激式合成塔，每层催化剂有一热点温度，其位置在催化床的下部。显然，就其中一层催化剂而言，温度分布并不理想，但多层催化剂组合起来，则显示温度的合理性。虽然，热点温度仅是催化床中一点的温度，但却能全面反映催化床的情况。床层其他部位的温度随热点温度的改变而相应变化。因此，控制好热点温度，在一定程度上就相当于控制好了床层温度。但是，热点温度的大小及位置不是固定不变的，它随着负荷、空速、和催化剂使用的时间而有所改变。
正确控制热点温度，有以下几点要求：
首先，根据塔的负荷及催化剂的活性情况，应该在稳定的前提下，尽可能维持较低的热点温度。因为热点温度低不仅可提高氨的含量，还可延长内件催化剂的使用寿命。生产中一般根据催化剂不同使用时期和生产负荷，规定热点温度范围，控制10℃的温差，如470℃±5℃等。这一方面考虑操作中可能会引起的温度波动；另一方面在操作中应根据系统的实际情况来确定温度的高低。当压力高、空速大和进口氨含量低的情况下，因为反应不易接衡，所以将热点温度维持在指标的上限以提高反应速率。相反，应将热点温度维持在指标的下限，以提高平衡氨含量。
其次，热点温度应尽量维持稳定，虽然规定波动幅度为10℃，但当系统生产条件稳定和勤于调节时，能经常在2~4℃范围内波动为好，波动速率要小于5℃/15min。因为热点温度稳定，可以控制反应在最适宜条件下进行。但需指出，在控制热点温度的同时，对床层的其他温度点也应密切注意。特别是床层的入口温度。
2.入口温度的控制
床层入口温度应高于催化剂的起始活性温度。床层入口温度既会影响绝热层的温度，又会影响催化床层的热点温度。这是由于床层顶部的反应速率随入口温度的变化而变化，这种变化会使不同深度床层反应速率相应发生变化，伴随各部位的反应热也有变化，以致整个床层的温度要重新分布。因此，在其他条件不变的情况下，人床层的温度控制了整个床层的反应情况。所以调节热点温度时，应特别注意床层入口温度的变化进行预见性的调节。在催化剂活性好、气体成分正常和压力高的情况下，入口温度可以维持低一些。反之，入口温度必须维持较高。
四、结语
氨合成的能量分析需要一定的技术支持，也需要按照相关的操作细则进行，这需要操作人员对整个操作流程和技术有充分的认识，此外还需要对操控要点进行有效的分析，这样才可以保证氨合成的能量得到很好的处理，保证生产的顺利进行。
参考文献：
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