合成氨過程中分離氨氣方法綜述

畢秋蕓

【摘要】本文介紹了冷凝法、吸收法、吸附法分離氛的原理、有關(guān)概念及氛吸收劑、吸附劑，對吸收劑、吸附劑的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；闡述了三種方法的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，指出各種方法存在的突出問題和改進(jìn)及研究氛分離方法的必要性。

【關(guān)鍵詞】氨 分離 冷凝法 吸收法 吸附法

隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展和各種節(jié)能型流程的推出，許多研究者對氨分離方法進(jìn)行了研究。典型的氨分離方法有冷凝法、吸收法和吸附法三種。

一、冷凝法

該法是通過冷卻合成循環(huán)氣，使氣相中的氨冷凝成液氨，從而達(dá)到與其它不凝性氣體（N2、H2、CH4、Ar）分離的目的。要使氣相中的氨分離并達(dá)到預(yù)定的效果，必須將合成循環(huán)氣冷卻到很低的溫度，所需的冷量一般采用壓縮制冷方法獲得。

當(dāng)合成壓力在20～30MPa范圍內(nèi)時，在夏季水冷僅能分出部分氨，氣相中其余部分的氨需進(jìn)一步通過氨冷使氣相中氨含量降至2～4%；當(dāng)壓力在15MPa以下時，在夏季水冷幾乎不能分離出液氨，整個氨冷凝過程放出的熱量幾乎全靠制冷方法移出，并且所需的冷凝溫度須達(dá)到.20"（2左右才能達(dá)到分離要求。如再進(jìn)一步降低合成壓力會對氨的分離造成很大的困難。因?yàn)闇囟鹊慕档秃屠淠陌绷坎⒉怀删€性關(guān)系，溫度越低，每降低1℃所冷凝的氨量就越小，氨分離也就越困難。由此可見，隨著合成壓力的降低，靠降低制冷溫度達(dá)到所需的分離效果是有很大限制的。

冷凝法分離氨是絕大多數(shù)合成氨廠采用的一種氨分離方法，但由于其能耗高、分離不徹底、且限制合成氨壓力的降低等原因，有必要開發(fā)新的氨分離技術(shù)。

二、吸收法

吸收法是化工生產(chǎn)過程中分離氣體混合物的重要方法之一。它根據(jù)混合物各組分在所選擇的溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的。

1.吸收分離原理

氨吸收分離是用適當(dāng)?shù)奈談┨幚戆焙铣蓺怏w混合物，利用不同氣體組分（NH3、N2、H2、CH4、Ar）在吸收劑中溶解度的差異使氨從氣體混合物中分離出來。它是一種溶質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程。氨吸收操作的逆過程稱為解吸。

在此過程中，吸收劑的選擇對氨的吸收具有極其重要的影響，主要從以下三個方面考慮：（1）吸收劑對氨吸收選擇性好；（2）吸收劑具有較大的吸收容量；（3）選擇不會引起合成氨催化劑中毒的吸收劑。

2 氨吸收劑

氨吸收剎常見的有水、有機(jī)溶劑、無機(jī)鹽等。

（1）水

用水作吸收劑吸收氨的方法是利用氨在水中溶解度大，與溶液呈平衡的氣相氨分壓低的特點(diǎn)進(jìn)行的。用水吸收分離氨的效果良好，但氣相帶有水蒸氣會使催化劑活性降低；由于水同樣具有揮發(fā)性，當(dāng)吸收再生時須使用蒸餾塔蒸餾，因而需要消耗的熱量大大增加。

（2）有機(jī)溶劑

為克服水作吸收劑分離氨的不足，有人提出用對氨溶解度大的高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑來代替水。常用來吸收氨的有機(jī)溶劑有乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇及衍生物等。

近年來利用有機(jī)溶劑吸收氨的研究有所進(jìn)展，它的優(yōu)點(diǎn)是氨解吸時所需能耗少。缺點(diǎn)是動力消耗大，操作復(fù)雜，且有機(jī)溶劑具有一定的毒性。

（3）無機(jī)鹽

關(guān)于無機(jī)鹽吸收分離氨的觀點(diǎn)并無人提及，但用無機(jī)鹽與氨組成吸收制冷工質(zhì)對的研究報(bào)道卻很多，常見的有NaSCN-NH3，LiNOs-NH3等。由于NaSCN具有毒性，在此選用LiNO3作吸收劑吸收分離氨，而LiNO3無揮發(fā)性，可取消蒸餾裝置，提高熱效率，節(jié)約能源。

盡管人們?yōu)檠芯繉Π蔽招院?、選擇性優(yōu)良的吸收劑而努力，但由于吸收法采用高壓溶液循環(huán)泵等動設(shè)備，動力消耗較大。

三、吸附法

吸附法分離氨是利用吸附劑對混合氣體中各組分的吸附能力的差異而實(shí)現(xiàn)分離的。

1.吸附法分離原理

當(dāng)氨分子運(yùn)動到固體吸附劑表面對，由于氨分子與固體表面之間的相互作用，氨分子便會附在固體表面，使其在固體表面上濃度增大，即發(fā)生氨分子被固體表面吸附的現(xiàn)象。對吸附氨后的吸附劑進(jìn)行脫附，即可將氨分離。

根據(jù)吸附劑再生方法的不同，可將吸附分離過程分為變壓吸附、變溫吸附及變溫變壓吸附分離。

（1）變壓吸附（PSA）

變壓吸附是在較高壓力下進(jìn)行吸附，在較低壓力（甚至真空）下使吸附的物質(zhì)脫附。由于吸附循環(huán)周期短，吸附熱來不及散失可供解吸用，因此吸附熱和脫附熱引起的吸附床層溫度變化很小，可近似看作等溫過程。變壓吸附工作狀態(tài)僅僅是在一條吸附等溫線上變化。

（2）變溫吸附（TSA）

變溫吸附是利用吸附劑在不同溫度下吸附量的不同來實(shí)現(xiàn)的，吸附劑在常溫或低溫下吸附吸附質(zhì)，通過提高溫度使吸附質(zhì)從吸附劑中解吸出來，吸附劑本身則同時被再生，然后再降到吸附溫度，進(jìn)入下一吸附循環(huán)。變溫吸附是在兩條不同溫度的吸附等溫線之間上下移動進(jìn)行吸附和解吸的。

（3）變溫變壓吸附

變溫變壓吸附是溫度、壓力同時改變的吸附。吸附質(zhì)在低溫、高壓下被吸附后，逐漸降低壓力并同時升高溫度，使之達(dá)到所需的解吸溫度和解吸壓力，并在此條件下進(jìn)行解吸，吸附質(zhì)被解吸出來，吸附劑也可得到再生。它是在變壓、變溫吸附的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種吸附劑的再生方法。

本文提出的吸附法分離氮即是采用變溫變壓同時進(jìn)行的吸附分離方法。吸附劑在較低溫度、較高壓力下吸附氨，在較高溫度和冷卻永溫度對應(yīng)的氨飽和蒸氣壓下對氨進(jìn)行脫附，從而達(dá)到氨分離冷凝為液氨產(chǎn)品的目的。

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