化工工艺学1章 合成氨

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1、化工工艺学Chemicalengineeringtechnics应用化学专业54学时1前言化工工艺学是关于化工生产工艺基本概念和基本理论的学科。原料产品化学加工2掌握几个典型的化工产品的生产过程：合成氨、氮肥（尿素、硝酸铵）、磷酸、硫酸、硝酸、纯碱、乙烯等基本有机化工产品的生产及石油炼制、煤化工。本门课内容3化学原理生产方法工艺条件（T、P、catalyst……)工艺流程关键设备本门课学习方法①用什么原料？（化学原理）H2NH3N23H2+N2=2NH3②用什么方法？（生产方法）H2如何得？N2如何得？如何合成NH3？③具体如何实现？（工艺流程、工艺条件、关键设备）

2、原料的制取原料的净化氨的合成三废治理4本门课是进行化工过程开发（开发新工艺、新产品、新设备）、设计、化工厂建设的基础，是进入化工企事业所须掌握的一门基础课。前景要求54学时3学分必须上课听讲并做好笔记闭卷考试5合成氨SynthesisofAmmonia1概述2原料气的制取3原料气的净化4氨的合成6一、概述Introduction空气中含有大量的游离氮，但是只有极少数农作物才能直接吸收空气中的氮。大多数作物只能吸收化合态氮来供给生长所需主要养分。将空气中的氮转化为氮化合物的过程称为固定氮，它是化学化工研究中既古老又前沿的课题。目前已投入工业生产的主要固定氮方法：1.合

3、成氨法2.氰氨法3.电弧法目前最重要最经济的方法是合成氨法。首例合成氨厂是1912年在德国建立的日产30砘合成氨的工厂。目前先进合成氨厂的规模已达到1000~1500T/日。7合成氨首先为农业生产提供了充足的肥料，使农业生产产量大大提高，为人类社会发展和人口增长作出了巨大贡献。氨除了主要用作化学肥料的原料外，还是生产染料、炸药、医药、有机合成、塑料、合成纤维、石油化工等的重要原料。合成氨发展的三个典型特点：1.生产规模大型化。1000~1500T/日2.能量的合理利用。用过程余热自产蒸汽推动蒸汽机供动力，基本不用电能。3.高度自动化。自动操作、自动控制的典型现代化工

4、厂。8目前的主要生产过程：(1)制气用煤或原油、天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。(2)净化将原料气中的杂质：CO、CO2、S等脱除到ppm级。（ppm：百万分比浓度）(3)压缩和合成合成氨需要高温、高压，净化后的合成气原料气必须经过压缩到15~30MPa、450°Ｃ左右，在催化剂的作用下才能顺利地在合成塔内反应生成氨。其主要过程如图1和图2。9图1以焦炭或煤为原料的合成氨流程造气除尘脱硫CO变换脱CO2压缩脱除少量CO和CO2合成焦炭或煤空气蒸汽氨10图2以天然气为原料的合成氨流程【优点】热利用率高、自动化程度高、生产成本低。脱硫一段转化二段转化高温CO变换甲

5、烷化压缩脱出CO2液氨低温CO变换压缩天然气空气压缩氨冷凝氨分离合成蒸汽工段二工段一工段三CO2工段四工段五工段六11二、原料气的制取Productionofsyntheticgases工段一“一段转化”及“二段转化”氮气氢气+合成氨12制备方法：①深度冷冻将空气液化，使空气中O2、N2分开，得到纯净的氮气。②将H2在空气中燃烧，是空气中O2与H2化合成水，剩下纯净的氮气。③氮气也可在合成氨制造氢气的同时制得。（二段转化时引入的空气中的O2与一段转化得到的H2燃烧，得到氮气。氮气的制取工段一13氢气的制取因为氢气不能直接从其他混合物中取得，合成氨生产过程中更为重要问

6、题的是如何获取纯净的氢气而不是氮气。可以说合成氨的绝大多数过程都是在制取氢气。氢气的主要来源有：气态烃类转化、固体燃料气化和重质烃类转化。其中以天然气为原料的气态烃类转化过程经济效益最高，因此本节重点介绍气态烃类蒸汽转化过程。天然气中主要成份为甲烷，还含有乙烷、丙烷及其他少量烯烃等，其中也有极少量的S等对催化剂有害的元素。一般以甲烷为代表来讨论气态烃类蒸汽转化的主要反应及其控制条件。工段一14气态烃原料以甲烷为主要成分，在高温、催化剂存在的条件下发生下述转化反应：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)－Q（1）CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H

7、2(g)+Q（2）气态原料烃一般是各种烃的混合物，在蒸汽转化过程中这些高级烷烃进行如下反应，且因反应的平衡常数很大，其转化反应是完全的。反应如下：（3）但要完成这一工业过程，必须对可能发生的主要反应及副反应进行详细研究。主要的副反应有：CH4(g)=C(s)+2H2(g)－Q（4）2CO(g)=CO2(g)+C(s)+Q（5）CO(g)+H2(g)=C(s)+H2O(g)+Q（6）1转化的化学原理P3转化反应（主反应）析碳反应（副反应）工段一之化学原理n-1———23n+1—————4n-1———4CnH2n+1(g)+H2O(g)=CH4(g)+CO2(g)1