化学工艺学教案8(化工12本)-胡江良

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1、化学工艺学课程教案课次8课时2型打请)课(TJ理论课V讨论课口实验课口习题课口其他口授课题目（教学章、节或主题）：第3章合成氨3.4合成氨；3.5合成氨生产的发展趋势教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1•理解合成反应的特点、化学平衡和化学反应动力学；2.熟悉氨合成催化；3.理解合成氨工艺条件选择；4.掌握合成氨基本工艺步骤和流程；5•熟悉合成塔的结构特点、基本要求和分类6.了解合成氨生产的发展趋势。教学重点及难点：重点：合成氨反应的特点、平衡和反应动力学难点：氨合成基本工艺步骤和合成塔的结构特点。教学基

2、本内容方法及手段第3章合成氨氨合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨流程中的核心部分。它的任务是在高温高压和催化剂存在的条件下将经过精制的氢氮混合气直接合成为氨，然后将所生成的气体氨从反应气和生成气的混合气体屮冷凝分离出來，得到产品液氨，分离氨后的氢氮气体循环使用。3.4氨合成3.4.1氨合成原理3.4.1.1氨合成反应的特点氨合成的化学反应式为：1.5H2+0.5N2二NH3+Q特点：①该反应是可逆反应：在氮气和氢气反应生成氨的同时，氨也分解成氢气和氮气，前者称为正反应，后者称为逆反应。②该反应是放热反应：在生成

3、氨的同时放出热量反应热与温度、压力有关。③该反应是体积缩小的反应：从反应式可以看出，由1.5个分子的氢和0.5个分子的氮，讲解反应后生成1分子的氨，在化学反应过程中，体积减少。④反应需耍有催化剂：实践证明，在没有催化剂存在的条件下，生成氨的反应速度相当缓慢，在300〜50()°C的条件下，氨合成反应需要若干年才能达到平衡。但在适当催化剂的作用下，减少了氢氮气化合时所需要的能量，因此大大加快了反应速度。所控制的压力、温度、反应物流体速度、接触时间和原料中含有一定杂质的实际操作条件下长期运转。3.4.1.2氨合成反应的

4、化学平衡应用化学平衡移动原理可知，低温、高压操作有利于氨的生成。但是温度和压力对合成氨的平衡产生影响的程度，需通过反应的化学平衡研究确定⑴其平衡常数为：k二Pg二1畑式中：p,pi—分别为总压和各组分平衡分压；yi—平衡组分的摩尔分数(2)平衡氨含量平衡氨含量是在一定的温度、压力和氢氮比等条件下，反应达到平衡时氨在气体混合物中的摩尔分数。平衡氨含量即反应理论最大产量。(3)影响平衡时氨浓度的因素a、氢氮比R：R二3(此时y最大)b、温度：温度越低，Kp越大。低温催化剂为发展方向。c、压力：压力越大，平衡浓度越大。d

5、、惰性气体含量：平衡氨含量随惰性气体含量的增加而减少。提高平衡氨含量的途径为：降低温度、提高压强、保持氢氮比R二3左右，减少惰性气体含量3.4.1.3氨合成反应的动力学(1)反应机理在催化剂作用下氢和氮合成氨的反应是气固催化反应，反应需经历扩散、吸附、反应、脱附、扩散的历程。氮在催化剂表面活性中心上的吸附是最慢的一步，是氨合成反应的控制步骤。^2+[a-Fe]―►N2〔(rFe]N2[G-Fe：—*2N[旷Fe]2N[(rFe]+H2—►2NH[(rFe]2NH[a-FeJ+H2—>2NH2[a-Fe]2NH2[<

6、rFe]+H2一2NHa[旷Fe]2NHj[(j-FeJ―>2NHj+[a-Fe2（2）反应速率反应控制阶段取决于反应条件（温度、催化剂颗粒的大小）温度一定：大颗粒为内扩散控制，小颗粒为化学动力学控制。颗粒一定：低温为化学动力学控制，高温为内扩散控制。扩散控制时：畑二kp/扩散系数；卩总压力3化学动力学控制：©远离平衡时：丫二kp強'接近平衡时：r二叭単牛-隔〜Ph,k、、k2：正逆反应速度常数；（3）影响氨合成反应速率的因素影响氨合成反应速率的主要因素有温度、压力、氢氮比、惰性气体的含量等。①温度：合成氨的反应是

7、可逆反应，温度对正逆反应速率都有影响，反应存在最适宜的温度，具体值由气体组成、压力和催化剂活性决定。②压强：增大压强，氢氮比的分压也相应增加，相互碰撞机会也增加,故净反应速率大大增加。③氢氮混合气组成：从化学平衡看，氢氮比应为3,但从动力学角度看,提高氮气分压反应速率增加，最终结果是收率提高，可适当提高氮的比例,让氮气稍过量，通常生产屮控制氢氮比为2.8〜2.9④惰性气体含量：惰性气体含量既对平衡浓度有影响，又对反应速率有影响，而且其影响结果是一致的，即惰性气体含量增加使反应速率下降,同时使平衡氨浓度降低。3.4.

8、2氨合成的催化剂可以作为合成氨催化剂的物质很多，如铁、钳、猛、钩、铀等，但以铁为主体的催化剂由于具有原料来源广、价格低廉、在低温下有较好的活性、抗中毒能力强、使用寿命长等优点而被合成氨工业广泛使用。3.421催化剂的组成和作用铁催化剂的主要成分是Fe2O3和FeO；但其活性组分是由氧化铁还原而得的a型纯金属铁，而不是铁的氧化物。催化剂组成：三氧化二铁（Fe2