林清 刘丽华
山东润银生物化工有限公司 山东省 271500
摘要：现阶段我国合成氨催化技术的理论研究与技术研究逐渐成熟起来，合成氨是支持农业生产与发展的重要技术之一，随着农业生产规模的不断扩大，合成氨催化技术越来越高。合成氨催化技术是整个生产系统的核心与关键，将其视为火炸药工业主要原料，在此基础上转而为工业、农业服务，伴随技术革新及市场发展，合成氨需求量与日俱增。催化技术主要是指运用有效的催化剂进行催化反应，达到节约原料，增强原料活力，满足工业生产需求的目的。
关键词：合成氨；催化技术；工艺发展
现阶段我国合成氨催化技术的理论研究与技术研究逐渐成熟起来，合成氨是支持农业生产与发展的重要技术之一，随着农业生产规模的不断扩大，合成氨催化技术越来越高。合成氨催化技术是整个生产系统的核心与关键。在当前农业生产发展过程中，合成氨催化技术在其中发挥着至关重要的作用，而合成氨催化技术和生产工艺是目前需要解决的重要问题，为了满足社会发展需求，必须进行合成氨催化技术改革与创新，将合成氨催化专业知识应用在生产实践中，实现全过程控制和生产管理控制。基于此，就合成氨催化技术和工艺发展进行分析具有现实意义。
一、合成氨催化技术与工艺
1、合成氨催化剂分析。该公司（简称 KBR）组合合成氨工 艺技术，它是由布朗深冷净化工艺与凯洛格设备设计的组合。 KBR 的氨合成塔是单台卧式高压设备，在高压壳体内有三个 绝热床层，每个床层装填1.5-3mm 的改进的传统铁催化剂，与催化剂床层集合在一起的还有两个内部换热器，控制第二、 第三床层的入口温度，所有经换热后的入塔气体都返回第一 床层进行反应。目前我国合成氨工艺已达到世界先进水平，高温高压条件下的合成氨生产的催化效率已经与平衡氮浓度接近，但是合成氨的单程转化率较低，由于生产过程中绝大部分的原料气体要经过多次的循环，因而导致了合成氨反应 能量消耗的增大。为提高合成氨的平衡转化率就需要对反应 温度进行有效的控制，提高催化剂在低温下的活性。
2、合成氨催化技术路线。目前世界范围内常见的合成氨催化剂包括氧化铁基催化 剂、钌基催化剂及四氧化三铁传统熔铁催化剂三种。以火山型活性曲线为基础的传统熔铁催化剂的应用时间较早，在合成氨反应中四氧化三铁催化剂的活性提升难度较大，经过多年研究和发展仍未找到突破点。目前催化剂研究的热点为逸度和普遍化 Temkin 方程。利用浸渍法可以将稀有贵金属钌负载到特定的载体上并保证较高的分散度，进而得到合成氨所 需的钌基催化剂，与四氧化三铁类似，在利用钌基催化剂的 合成氨反应中，氮气以催化剂为基础的解离吸附平衡是影响反应速度的关键。钌基催化剂目前多用于KAAP 工艺中。FeO 基催化剂的前驱体为维氏体，该中催化剂的活性较高在合成 氨生产中具有突出的优势，即使在压力和温度都较低环境下 也可保持较高的活性和还原性，同时机械强度和耐热性能也 较出色，生产能耗可得到有效控制。
3、KAAP合成氨工艺。合成塔是 KAAP 合成氨工艺中最为重要的部件，KAAP 工艺采用效能更高的钌基催化剂，相较于传统铁催化剂的活性更高，且适用性更广，从而促进了合成氨生产设计灵活性的提升和生产规模的扩大。KAAP 合成氨工艺中采用了性能出 色的热壁塔，同时将不同床的催化剂和内部换热器置于同个筒体内，提高生产效率。三床采用钌基催化剂，一床采用铁催化剂，相较于传统的生产工艺，成本大幅降低，该工艺对 于氢气/ 氮气比的适应范围较为宽泛，在高氨浓度的情况下正常反应。
二、合成氨技术的进展
1、等压合成技术。工业生产中，其合成氨技术效率已经得到质的飞跃，即使在高温情况下，也可达到将催化剂的转化效果为九成，几乎与平衡氨浓度相一致。但是工业生产中，氨合成的单一转化率仅为两成，那么研究人员就可认知氨合成的转化效果则为现阶段的研究重点内容，而平衡转化率以及单程转化率则为重中之重。大型的合成氨又可分为多种类型，现以煤做原料分析不同类型的合成氨工艺的主要流程，众所周知，合成氨生产过程中，煤为第一原料提供重要热能，保证整个合成氨工艺的稳定运行状态。
而形成不同类型的合成氨工艺主要原因是生产环境压力的不同。即可分为微加压合成氨技术、等压合成氨技术和升压合成氨技术。这三种技术中压力的转化效率也有所不同。通过研究和对比数据可知等压合成氨技术是三种技术中转发效率最高的。主要的原因则为在相持平压力状态下的合成氨工艺生产中，可以保障生产能耗量为最低。低能耗不仅仅可以降低生产成本，还能提升整个工艺的生产效率。因此等压合成氨技术被各大企业广泛适用到生产环节中，满足自身企业的生产需求。当然在低温低压环境状态下的等压合成氨技术，选用的合成氨催化剂是保证等压合成氨技术效果的关键点。企业一般会将合成氨催化剂的选择方向明确到催化剂中的氨净值,最佳的氨净值为8.4%～10%。8.4%的氨净值是企业保障自身经济效益的临界点，8.4%以上的氨净值则能够不断地提升整体生产经济效益。根据测试结果分析，在低压环境下想达到经济生产的目的，需要保持氨净值≥8.4%（体积分数)，但是采用等压合成氨技术，可以在氨净值10%环境下达到经济生产的目的。[2] 研究人员通过实验，表明合成氨工厂采用等压合成工艺，在使用渣油、粉煤或者水煤气制气，能够节省4000kW能量，相当于每生产一吨氨，能够节省1.30GJ；在小型工厂实验，每生产一吨氨，能够节省1.36GJ。等压合成氨工艺一般会在8.5MPa状态下利用粉煤浆或者水煤浆为原料进行制气，然后转变到7.5MPa中进行合成氨工艺生产。等压合成氨工艺的最大优点是可以无限降低合成气压缩机的能量损耗值。对比升压合成氨工艺，后者的优势则为可合成较高压力，并在高压状态中保持稳定的未反应低能耗量。
2、超临界合成氨。平衡氨浓度是整个合成氨催化技术与工艺维持稳定关键要素，因为在合成氨反应过程中，影响稳定的平衡氨浓度因素有反应温度。而反应温度又在一定程度上影响着整个合成氨反应速率，反应速率又不同程度的影响平衡氨浓度。循环如此整个合成氨催化剂数与工艺方案浓度值就会极端受到多种因素的限制。因此需要通过多种有效方式改善平衡氨浓度。例如可以利用催化剂在不同环境中的反应速率来控制平衡氨浓度。低温环境下催化剂的活性较大，而且催化剂能够在持续性低温条件下保持较高的活性，通过提升催化剂的低温活性，将反应温度控制到最低。现阶段合成氨催化技术研究人员还有无法把控不同类型的催化剂功能效果，不能通过在合成氨反应中改变现有的催化剂种类，实现催化剂超高的活性，达到控制平衡氨浓度的目标。所以研究人员只能从现有合成氨催化剂品种入手，不断完善合成氨中的反应条件物，形象化的改善和转变平衡氨浓度范围值。
对超临界合成氨中的超临界流体分析，可以知道流体的优势包含气体和液体特有的优势。即包含气体特有的扩散系数、粘度系数；液体的密度和溶剂化能力。超临界流体可以无限度的将传递性能和萃取性能发挥出来，达成在合成氨反应中正向反应速率值，满足合成氨反应中所需的接受度、选择性以及转化率。正常状态下的合成氨反应在平衡条件下是可逆的，但是应用超临界流体，可以转变稳定状态中的平衡条件，让反应呈现出不可逆效果。不可逆的合成氨反应可以稳定平衡氨浓度值，让整个合成氨单程转化率最大化提升。提升合成氨单程转化率可以让不同原理中直接实现经济生产目标。现阶段我国合成氨工业类型规模小，企业核心力量不足。对比国外大型工业低能耗量，我国小型企业的能耗量巨大，然后过量的能量会引发一系列的生产成本，直接降低企业的生产效益。只要不断强化合成氨催化技术与工艺，才能直接从根源上降低整体的能耗和成本，发展和提升自身企业的核心价值力，满足现今市场的竞争力需求。
为了有效促进我国农业生产的进步，大量地利用化肥原料已经成为一个必然的发展趋势，而在多种多样化肥原料的使用过程中，合成氨的使用频率和使用剂量最大，而且对于农业生产的效果也最好。在对合成氨催化技术进行研究的过程中，可以发现相关的工艺参数控制和生产流程的规范性都会对其产生巨大影响，为了促进合成氨催化技术的进步，使得相应的工艺发展水平越来越高，研究人员就必须要结合实际来进行高活性催化剂的研究，进一步推动合成氨生产工艺的发展。
参考文献：
[1] 王建红. 合成氨技术的应用现状与发展研究[J]. 化工管理，2018，(14).
[2] 雷玉平，王娟娟. 合成氨催化技术与工艺发展探究[J]. 化工管理，2018，(1)：193.
[3] 朱鑫，董大为，黄建国. 600kt/a 合成氨装置氨合成催化剂还原小结[J]. 中氮肥，2018(2).
[4] 王建红. 合成氨工艺流程及生产系统节能改造研究[J]. 化工管理，2018，(11).