合成氨过程中分离氨气方法综述

合成氨过程中分离氨气方法综述

【摘要】本文介绍了冷凝法、吸收法、吸附法分离氛的原理、有关概念及氛吸收剂、吸附剂，对吸收剂、吸附剂的优、缺点进行了分析；阐述了三种方法的发展及研究现状，指出各种方法存在的突出问题和改进及研究氛分离方法的必要性。
【关键词】氨分离冷凝法吸收法吸附法
随着合成氨工业的发展和各种节能型流程的推出，许多研究者对氨分离方法进行了研究。典型的氨分离方法有冷凝法、吸收法和吸附法三种。
一、冷凝法
该法是通过冷却合成循环气，使气相中的氨冷凝成液氨，从而达到与其它不凝性气体（N2、H2、CH4、Ar）分离的目的。要使气相中的氨分离并达到预定的效果，必须将合成循环气冷却到很低的温度，所需的冷量一般采用压缩制冷方法获得。
当合成压力在20～30MPa范围内时，在夏季水冷仅能分出部分氨，气相中其余部分的氨需进一步通过氨冷使气相中氨含量降至2～4%；当压力在15MPa以下时，在夏季水冷几乎不能分离出液氨，整个氨冷凝过程放出的热量几乎全靠制冷方法移出，并且所需的冷凝温度须达到.20"（2左右才能达到分离要求。如再进一步降低合成压力会对氨的分离造成很大的困难。因为温度的降低和冷凝的氨量并不成线性关系，温度越低，每降低1℃所冷凝的氨量就越小，氨分离也就越困难。由此可见，随着合成压力的降低，靠降低制冷温度达到所需的分离效果是有很大限制的。
冷凝法分离氨是绝大多数合成氨厂采用的一种氨分离方法，但由于其能耗高、分离不彻底、且限制合成氨压力的降低等原因，有必要开发新的氨分离技术。
二、吸收法
吸收法是化工生产过程中分离气体混合物的重要方法之一。它根据混合物各组分在所选择的溶剂中溶解度的不同而达到分离的目的。
1.吸收分离原理
氨吸收分离是用适当的吸收剂处理氨合成气体混合物，利用不同气体组分（NH3、N2、H2、CH4、Ar）在吸收剂中溶解度的差异使氨从气体混合物中分离出来。它是一种溶质由气相转移到液相的传质过程。氨吸收操作的逆过程称为解吸。
在此过程中，吸收剂的选择对氨的吸收具有极其重要的影响，主要从以下三个方面考虑：（1）吸收剂对氨吸收选择性好；（2）吸收剂具有较大的吸收容量；（3）选择不会引起合成氨催化剂中毒的吸收剂。
2氨吸收剂
氨吸收刹常见的有水、有机溶剂、无机盐等。
（1）水
用水作吸收剂吸收氨的方法是利用氨在水中溶解度大，与溶液呈平衡的气相氨分压低的特点进行的。用水吸收分离氨的效果良好，但气相带有水蒸气会使催化剂活性降低；由于水同样具有挥发性，当吸收再生时须使用蒸馏塔蒸馏，因而需要消耗的热量大大增加。
（2）有机溶剂
为克服水作吸收剂分离氨的不足，有人提出用对氨溶解度大的高沸?c有机溶剂来代替水。常用来吸收氨的有机溶剂有乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇及衍生物等。
近年来利用有机溶剂吸收氨的研究有所进展，它的优点是氨解吸时所需能耗少。缺点是动力消耗大，操作复杂，且有机溶剂具有一定的毒性。
（3）无机盐
关于无机盐吸收分离氨的观点并无人提及，但用无机盐与氨组成吸收制冷工质对的研究报道却很多，常见的有NaSCN-NH3，LiNOs-NH3等。由于NaSCN具有毒性，在此选用LiNO3作吸收剂吸收分离氨，而LiNO3无挥发性，可取消蒸馏装置，提高热效率，节约能源。
尽管人们为研究对氨吸收性好、选择性优良的吸收剂而努力，但由于吸收法采用高压溶液循环泵等动设备，动力消耗较大。
三、吸附法
吸附法分离氨是利用吸附剂对混合气体中各组分的吸附能力的差异而实现分离的。
1.吸附法分离原理
当氨分子运动到固体吸附剂表面对，由于氨分子与固体表面之间的相互作用，氨分子便会附在固体表面，使其在固体表面上浓度增大，即发生氨分子被固体表面吸附的现象。对吸附氨后的吸附剂进行脱附，即可将氨分离。
根据吸附剂再生方法的不同，可将吸附分离过程分为变压吸附、变温吸附及变温变压吸附分离。
（1）变压吸附（PSA）
变压吸附是在较高压力下进行吸附，在较低压力（甚至真空）下使吸附的物质脱附。由于吸附循环周期短，吸附热来不及散失可供解吸用，因此吸附热和脱附热引起的吸附床层温度变化很小，可近似看作等温过程。变压吸附工作状态仅仅是在一条吸附等温线上变化。
（2）变温吸附（TSA）
变温吸附是利用吸附剂在不同温度下吸附量的不同来实现的，吸附剂在常温或低温下吸附吸附质，通过提高温度使吸附质从吸附剂中解吸出来，吸附剂本身则同时被再生，然后再降到吸附温度，进入下一吸附循环。变温吸附是在两条不同温度的吸附等温线之间上下移动进行吸附和解吸的。
（3）变温变压吸附
变温变压吸附是温度、压力同时改变的吸附。吸附质在低温、高压下被吸附后，逐渐降低压力并同时升高温度，使之达到所需的解吸温度和解吸压力，并在此条件下进行解吸，吸附质被解吸出来，吸附剂也可得到再生。它是在变压、变温吸附的基础上发展起来的一种吸附剂的再生方法。
本文提出的吸附法分离氮即是采用变温变压同时进行的吸附分离方法。吸附剂在较低温度、较高压力下吸附氨，在较高温度和冷却永温度对应的氨饱和蒸气压下对氨进行脱附，从而达到氨分离冷凝为液氨产品的目的。
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