反应工程基础教学课件：合成氨作业-反应工程

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1、反应工程合成氨张千洋目录一、合成氨生产工艺概述3二、合成氨生产工艺流程图31）气头合成氨32）煤头合成氨4三、合成氨催化剂的概述4新FEO基（Feu0基）催化剂的技术特点和工艺条件4四、合成氨反应工艺条件和反应器结构51）内咅E换热式62）间断换热式6五、典型的合成氨反应器7六、参考文献11一、合成氨生产工艺概述合成氨的原料气是氢气和氮气的混合气。而原料气的主要夹源有固体原料，液体原料和气体原料三种。对于我国的合成氨工业來说，最为常用的是固体原料气和气体原料气。固体原料主要是煤。将煤放入半水煤气发生炉中，交替通入空气和水蒸气，就可

2、以得到半水煤气。气体原料主要是天然气。天然气，是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。它主要存在于油田和天然气田。二、合成氨生产工艺流程图1)气头合成氨purificationpre-reformerprimaryreformersecondaryreformerhightemperatureShaftlowtemperatureshiftprocesscondensateammonialiquidsteam

3、r气头合成氨的工艺流程主要包括：原料气净化，转化，变换，脱碳，甲烷化，氨的合成，冷凝分离。i.原料气净化原料气净化主要以脱硫为主。主要以碱液洗涤和清水洗涤的方式进行。ii.转化可以包含预转化、一次转化、二次转化等几个阶段。在高温、催化剂作用下，原料气中的甲烷等转化为氢气、CO、C02o在出口处控制甲烷的含量。iii.变换分为高温变换和低温变换两步。在催化剂作用下，CO与水蒸气反应生成氢气和C02o在变换过程中控制co的含量。i.脱碳变换后的气体经溶液吸收脱去C02oi.甲烷化由吸收塔出來的净化气，还要用氢气与co和CO2反应生成甲

4、烷。因为少量的co和co2就会使合成氨的催化剂中毒。ii.氨的合成氨的合成在高温高压催化剂的条件下进行：N2+3H2=2NH3O催化剂常用铁催化剂。iii.冷凝分离反应后的气体经过换热后，通入冷凝塔，最终液氨减压贮存。2）煤头合成氨GasifierSourshrftammonialiquidAmmorwsynthesisAodgasrenxMlNitrogenwashblockmdtisUQ*withincerMdcoo4in9煤头合成氨与气头合成氨流程很相似。有几步流程稍有不同。制取半水煤气煤经过粉碎后，通入水和氧气，进行煤的气

5、化。需耍采用耐硫变换催化剂进行变换。ii.合成气的净化采用水、吸附剂和拨基硫水解催化剂，将硫和CO脱去。同时可采用氮气洗涤和甲烷化进一步净化。三、合成氨催化剂的概述19□年，Haber和Mittasch成功研究出以铁为活性组分的氨合成催化剂，在此后接近一个世纪的工业生产实践屮，以铁为主体并添加促进剂的催化剂实用效果良好。铁系催化剂也分为传统熔铁系（FesOq基）催化剂和新熔铁系（FeO基）催化剂。相对于其他催化剂，铁系催化剂原料來源广泛、价格低廉，在当今合成氨工业中仍占主导地位。但是铁系催化剂高温高压的操作条件需要很高的能耗，并极

6、大地限制了合成氨的反应速率。长期以来，人们一直都在寻找替代铁的更高效合成氨催化剂，并将其进行工业应用，科学家相继对钉、饿、铀等进行了研究。研究发现，钉因其低温活性好，不易屮毒等优良特性，被冠以“第二代氨合成催化剂”的美誉。近20年来，随着钉系催化剂日益成熟，我国FeO基催化剂体系的确立，氨合成催化剂己由传统F®04基催化剂独霸一方转化为现在三足鼎立的局而，并各自取得了长足的发展。新FeO基（F%0基）催化剂的技术特点和工艺条件Fe^O基低温低压氨合成催化剂具冇高活性和低活性温度，而且易还原。其中ZA-5型催化剂与经典熔铁系(F8O

7、4基)催化剂中的A110-2和ICI74-1对比有以下特点：表1.1不同催化剂的反应速率常数(幻)和活化能(Ea)Table1.1Reactionrateconstant(kT)andactivityenergy(Ea)ofdifferentcatalysts温度/"CkT/(atm05•s')Matm05•s')Ea/(KJ•mof具有极易还原的性能Fe^O基催化剂(ZA-5型)的本征还原速度是老式A110-2催化剂的4.5倍,是老式ICI74-1催化剂的2倍。述原温度也比较低。活性温度低在相同条件下，Fei.xO基催化剂的活性

8、温度比老式A110-2催化剂低25-300)Al10-2ZA-51C174-1Al10-2ZA-5ICI74-1Al10-2ZA-5ICI74-147537.1950.5841.2745014.7222.9817.214255.643&736.34