第4章无机化学工艺学合成气
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无机化工工艺学
合成氨工业1.1 气态烃类蒸汽转化法天然气在高温下与蒸汽作用制取合成氨粗原料气反应CnHm+nH2O(l)=nCO+(n+m/2)H2这是强吸热反应，热量的供给方式不同有两种制备粗原料气的方法：外部供热的蒸汽转化法内部蓄热的间歇操作法粗原料气要求：残余甲烷低于0.5% （H2+CO)/N2在2.8~3.1间在高温有催化剂存在的条件下可实现下述反应：CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g)CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)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)2CO(g) = CO2(g) + C(s)CO(g) + H2(g) = C(s) + H2O(g)1.1.2 甲烷蒸汽转化反应原理1.1.2.1 CH4转化反应热力学1、化学平衡常数独立反应数=系统中物质数-物质元素数本反应系统独立数=6-3=3个，若不考虑炭黑的存在，独立反应可取2个，即 CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g)CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)两个制气反应的平衡常数为24423CO H p CH H O p p K p p = 2282CO H p CO H Op p K p p =上式是将体系视为理想气体混合物的结论，通常转化过程压力不是太高，用它来计算误差不大。
但要求较高的设计需要计算逸度系数，用逸度代替上式中的压力才是准确关系。
利用热力学原理可导出平衡常数与温度的关系。
只需要反应焓变与温度的关系就可根据导出平衡常数与温度的关系。
02ln //()p d K dT H RT =∆4372lg 9864.57/8.3666lg 2.0814101.87371013.883p K T T T T --=-+-⨯+⨯-8372lg 2183/0.09361lg 0.632101.0810 2.298p K T T T T --=++⨯-⨯-Kp 的求法有两种，查图和经验式。
第四章 无机化工反应单元工艺
烧结、焙烧和煅烧的区别： 烧结、焙烧和煅烧的区别：
• （1）虽然都是高温反应过程，但反应温度 是不同。焙烧和煅烧 焙烧和煅烧都在低于炉料熔点的 焙烧和煅烧 高温下进行，烧结在高于炉料熔点的高温 下进行. • （2）烧结是物料配加还原剂、助熔剂的化 学转化过程。焙烧 焙烧是原料与空气、氯气等 焙烧 气体以及添加剂发生化学反应，煅烧 煅烧是物 煅烧 料发生分解反应，失去结晶水或挥发组分。
三、烧结
• 钙镁磷肥生成原理 钙镁磷肥是用磷矿与硅矿物配 制的原料，在电炉、高炉或平炉中于1350～ 1500℃熔融溶体用水骤冷，形成粒度小于2mm的 玻璃质物料，经干燥磨细后成为产品。各种含镁 物料如蛇纹石、白云石、橄榄石等均可作助剂。 • 钙镁磷肥由CaO，MgO，P2O5和SiO2四个主要成 分组成。其中CaO，P2O5来自磷矿，MgO，SiO2 来自助溶剂。磷矿与助熔剂配制成矿料，应使制 得的产品中含P2O5尽可能高，而熔点最低，溶体 粘度最小。
4、浸取条件
• （1）温度：反应的浸取高温有利，扩散控制的浸 取温度影响不大，高温使杂质增多。 • （2）浸取剂种类 • （3）浸取剂浓度：一般高有利。 • （4）固体粒度：小有利，故要对原料破碎、筛分 等。 • （5）孔隙率： • （6）搅拌 • （7）浸取时间：由浸取率和杂质共同决定。
5、浸取液的处理方法
2、焙烧过程的物理化学基础 、
• ⑴ 焙烧过程热力学：根据相图确定反应产物的相 焙烧过程热力学： 区。 • ⑵焙烧过程动力学与影响焙烧速率的因素 ： • ①温度的影响 温度越高，焙烧速度也越快。 • ②固体原料粒度影响 ：平均粒度在0.07 ~ 3.0 平均粒度在0.07 平均粒度在 mm之间。 之间。 之间 • ③氧气含量的影响 ：金属矿物焙烧时必须搅动矿 粒，使矿物表面更新、改善矿粒间接触情况、促 使氧气达到被焙烧物料的表面上，以提高焙烧速 率。
无机化学合成方法
无机化学合成方法无机化学合成方法指的是通过化学反应将原材料转化成所需的无机化合物的方法。
在实验室中，无机化学合成方法是一种常用的手段，广泛应用于材料科学、催化剂制备、功能材料设计等领域。
本文将介绍几种常见的无机化学合成方法。
1. 沉淀法沉淀法是一种常见的无机化学合成方法，通过控制反应条件，使溶液中的溶负离子与溶正离子发生反应生成沉淀。
沉淀法常用于合成无机盐类、氧化物和氢氧化物等无机化合物。
例如，制备氢氧化铜的实验中，可以将铜盐加入氢氧化钠溶液中反应生成深蓝色沉淀。
2. 水热合成法水热合成法是利用高温高压水溶液中的热力学参数，以及水分子的溶剂能力进行合成的方法。
该方法广泛应用于制备陶瓷材料、纳米颗粒、多孔材料等。
水热合成法具有简单、环境友好等优点。
例如，通过水热合成方法可以制备出具有特定形状和尺寸的二氧化钛纳米颗粒。
3. 气相合成法气相合成法是一种将气体反应物在高温条件下进行化学变换的合成方法。
气体反应物经过一系列反应，形成所需的无机化合物。
常见的气相合成方法包括化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）。
气相合成法广泛应用于薄膜的制备、纤维材料的合成等领域。
4. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种将溶液转变为凝胶或固体的合成方法。
通过溶胶-凝胶法可以合成出具有特定形貌、结构和功能的无机材料。
该方法具有制备复杂形态材料的能力，广泛应用于催化剂的制备、光催化材料的合成等。
例如，通过溶胶-凝胶法可以制备出二氧化硅凝胶材料，具有高比表面积和孔隙结构，可用于吸附分离、催化反应等领域。
总结：无机化学合成方法是实验室中常用的方法之一，通过控制反应条件和选择合适的原料，可以合成出各种无机化合物。
本文介绍了沉淀法、水热合成法、气相合成法和溶胶-凝胶法四种常见的无机化学合成方法。
这些方法在材料科学、催化剂制备和功能材料设计等领域具有重要的应用价值。
化学工艺学概论ppt课件
②煤化工 通过煤的气化、干馏和生产的电石为原料的化学工业
③生物化工 采用农、林等生物资源以及非生物资源，通过发酵、 水解、酶催化而生产的化工产品
④矿产化工 以化学矿为原料的化工产品
⑤海洋化工 从海水中提炼的化工产品
1.1.2 化学工业的特征
⑴ 原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 ⑵ 向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高 ⑶ 是多学科合作、生产技术密集型的生产部门 ⑷ 重视能量合理利用，采用节能工艺和方法 ⑸ 资金密集，投资回收速度快，利润高 ⑹ 化工生产中易燃、易爆、有毒、污染环境
1.1.1 化学工业的分类
➢ 分类方法主要按产品和原料来分类 ➢ 按产品的物质组成可分为有机化工（碳氢化合物及其
衍生物）和无机化工（非碳氢化合物）两大类。 ➢ 一般综合考虑产品的性质、用途和生产量分为如下几
类： ➢ 按原料的性质和来源分：
①无机化学工业
包括合成氨、无机酸、碱、盐和无机化学肥料
②基本有机化学工业
乙醇
酯化
乙酸乙酯、其它酯类
烯
水合
溶剂及合成原
加氢脱水
丁二烯
合成橡胶
丙酸
氢甲酰化 丙醛 还原 正丙醇
溶剂
加乙烯烷基化 加丙烯烷基化
乙苯 脱氢
丙酮
双酚 A
苯乙烯
聚苯乙烯、丁苯橡胶、 ABS树脂
聚碳酸酯、环氧树脂
异丙苯 苯酚
酚醛树脂、苯胺、壬基酚等
加十二烯
十二烷基苯
合成洗涤剂
苯
加氢
环己烷
己内酰胺
聚酰胺纤维
催化重整 （catalytic reforming）
催化裂化 (catalytic cracking)
催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking)
③生物化工 采用农、林等生物资源以及非生物资源，通过发酵、 水解、酶催化而生产的化工产品
④矿产化工 以化学矿为原料的化工产品
⑤海洋化工 从海水中提炼的化工产品
1.1.2 化学工业的特征
⑴ 原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 ⑵ 向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高 ⑶ 是多学科合作、生产技术密集型的生产部门 ⑷ 重视能量合理利用，采用节能工艺和方法 ⑸ 资金密集，投资回收速度快，利润高 ⑹ 化工生产中易燃、易爆、有毒、污染环境
1.1.1 化学工业的分类
➢ 分类方法主要按产品和原料来分类 ➢ 按产品的物质组成可分为有机化工（碳氢化合物及其
衍生物）和无机化工（非碳氢化合物）两大类。 ➢ 一般综合考虑产品的性质、用途和生产量分为如下几
类： ➢ 按原料的性质和来源分：
①无机化学工业
包括合成氨、无机酸、碱、盐和无机化学肥料
②基本有机化学工业
乙醇
酯化
乙酸乙酯、其它酯类
烯
水合
溶剂及合成原
加氢脱水
丁二烯
合成橡胶
丙酸
氢甲酰化 丙醛 还原 正丙醇
溶剂
加乙烯烷基化 加丙烯烷基化
乙苯 脱氢
丙酮
双酚 A
苯乙烯
聚苯乙烯、丁苯橡胶、 ABS树脂
聚碳酸酯、环氧树脂
异丙苯 苯酚
酚醛树脂、苯胺、壬基酚等
加十二烯
十二烷基苯
合成洗涤剂
苯
加氢
环己烷
己内酰胺
聚酰胺纤维
催化重整 （catalytic reforming）
催化裂化 (catalytic cracking)
催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking)
化学工艺学(2版)课件无机化工反应单元
无机化工反应单元工艺 ——焙烧、煅烧与烧结
焙烧炉生产能力的大小，取决于焙烧的反应 速率，反应速率越快，在一定的残硫指标下，单 位时间内焙烧的固体矿物就越完全，矿渣残硫就 低。在实际生产中不仅要求焙烧的矿物量多，而 且要求烧得透，即排出的矿渣中残硫要低。
影响焙烧速率的因素很多，有温度、粒度、 氧含量等。
硫铁矿焙烧的总反应式为：
无机化工反应单元工艺 ——焙烧、煅烧与烧结
硫铁矿的焙烧是强放热反应，除可供反应自 热外，还需要移走反应余热。在空气中焙烧黄铁 矿获得含SO3的炉气，理论最高浓度为φ（SO3） =16.2%。
现代硫铁矿的焙烧都采用沸腾焙烧技术。
无机化工反应单元工艺 ——焙烧、煅烧与烧结
1-贮矿斗 2-皮带秤 3-给料器 4-粉体焙烧炉 5-废热锅炉 6-旋风除尘器 7-电除尘器 8-空气鼓风机 9-显形推灰线 10，11-链式运输机 12-矿渣增湿机 13-蒸汽洗涤器
无机化工反应单元工艺 ——焙烧、煅烧与烧结
重晶石矿物的主要成分是硫酸钡，含量为w（硫酸 钡）=95%~98%，其余是二氧化硅、硫酸钙等杂 质。目前世界各国大都是在转窑内以煤或石油焦 为还原剂，在1000~1250℃高温下将重晶石还原 为硫化钡：
其生产过程如下：研细的粒度为0.2~5mm的重晶 石粉与粒度为2~3mm的煤粉，经自动混料器混料 送至贮斗，再由自动运料机送入转窑。转窑直径 1.5~2.0m，长20~40m，以天然气、油或煤粉为 热源。物料在转窑中停留时间为1.5~2h。焙烧后 黑色或暗灰色含硫化钡的黑灰放入冷却筒中冷却， 再送至螺旋浸取器中浸取，溶液中w （硫化钡） =12%~15%，除渣后将溶液进一步精制后即可作 为生产其他钡盐的原料。
无机化工反应单元工艺 ——焙烧、煅烧与烧结
2.合成气
已知高温有利于甲烷裂解析碳，不利于CO歧化析碳， 却有利于碳被水蒸气所气化，温度越高，水蒸气比例 越大则越有利于消碳；如果气相中H2、CO2分压很大 时，均有利于抑制析碳。
由热力学第二定律知，在任何化学反应自发进 行的过程中，反应自由焓总是减小的。
以上三式中各组分的分压均为体系在某指定状态时的 实际分压，而非平衡分压。可由温度、压力查出Kp， 再根据指定组成和总压计算Jp，最后由Jp/ Kp是否小 于1来判断该状态下有否析碳发生。 当Jp/ Kp<1时，⊿G<0，反应自发向右进行，会 析碳； 当Jp/ Kp=1时，⊿G=0，反应达平衡，是热力学 析碳的边界； 当Jp/ Kp>1时，⊿G>0，反应不能自发进行，体 系不析碳。
甲烷水蒸气转化体系中，水蒸汽是一个重要组分，由各析碳反应 生成的碳与水蒸汽之间存在的平衡，通过热力学计算，可求得开 始析碳时所对应的H2O/CH4摩尔比，称为热力学最小水碳比。 不同温度、压力下有不同的热力学最小水碳比。综上所述，影响 甲烷水蒸气转化反应平衡的主要因素有温度、水碳比和压力。 (1) 温度的影响 甲烷与水蒸气反应生成CO和H2是吸热的可逆 反应，高温对平衡有利，即H2及CO的平衡产率高，CH4平衡含 量低。高温对一氧化碳变换反应的平衡不利，可以少生成二氧化 碳，而且高温也会抑制一氧化碳岐化和还原析碳的副反应。但是， 温度过高，会有利于甲烷裂解，当高于700℃时，甲烷均相裂解 速率很快，会大量析出碳，并沉积在催化剂和器壁上。 (2) 水碳比的影响 水碳比对于甲烷转化影响重大，高的水碳比 有利于甲烷的蒸汽重整反应，同时，高水碳比也有利于抑制析碳 副反应。 (3) 压力的影响 甲烷蒸气转化反应是体积增大的反应，低压有 利平衡，低压也可抑制一氧化碳的两个析碳反应，但是低压对甲 烷裂解析碳反应平衡有利，适当加压可抑制甲烷裂解。压力对一 氧化碳变换反应平衡无影响。
无机合成
液态吸收剂装于洗涤瓶内，让气体以气泡形式从吸收液中 通过。固体吸收剂须安置于干燥塔或管中。
选用吸收剂时，应注意在吸收杂质时，不要把待净化的气 体也吸收了。
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂
5.1.1 气体净化方法
吸附：
用多孔的固体吸附剂来吸附杂质气体。吸附与吸收的差别在于吸附 仅发生在吸附剂表面。吸附剂的比表面越大，则其吸附量也越大。
吸附剂表面吸满了被吸物质达到饱和后，就需要更换吸附剂或进行 再生处理。吸附剂再生的方法是加热、减压或吹洗。这些方法都是靠提 高温度和降低被吸气体分压以促使被吸物质解吸。
当杂质含量较低时，用吸附剂净化气体较为合适，可净化到液体吸 收过程所不能达到的程度。
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂
吸附剂：
常用的吸附剂有硅胶、活性炭和分子筛。 分子筛是一种广泛应用的高效能多选择性的吸附剂，是脱水 能力很强的干燥剂，可在较广的范围内使用。
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂
5.1.2 气体净化剂
脱氧剂和催化剂：
用金属脱氧和催化脱氧是实验室中常用的气体脱氧方法，后者 用于氢气的脱氧。常用催化剂为铂（或钯）石棉或105催化剂，可使 氢气中的杂质氧与氢结合成水。
思考题
气体净化方法有哪些？依据原理是什么？ 控制反应气氛的方法有哪些？应如何操作？
4 第 章 无机合成实验技术
一、高温合成技术 二、低温合成技术 三、高压合成技术 四、真空合成技术 五、气体净化及气氛控制
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂 5.2 气体流量的测定方法 5.3 定组成混合气体的配制 5.4 反应气氛的控制方法
选用吸收剂时，应注意在吸收杂质时，不要把待净化的气 体也吸收了。
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂
5.1.1 气体净化方法
吸附：
用多孔的固体吸附剂来吸附杂质气体。吸附与吸收的差别在于吸附 仅发生在吸附剂表面。吸附剂的比表面越大，则其吸附量也越大。
吸附剂表面吸满了被吸物质达到饱和后，就需要更换吸附剂或进行 再生处理。吸附剂再生的方法是加热、减压或吹洗。这些方法都是靠提 高温度和降低被吸气体分压以促使被吸物质解吸。
当杂质含量较低时，用吸附剂净化气体较为合适，可净化到液体吸 收过程所不能达到的程度。
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂
吸附剂：
常用的吸附剂有硅胶、活性炭和分子筛。 分子筛是一种广泛应用的高效能多选择性的吸附剂，是脱水 能力很强的干燥剂，可在较广的范围内使用。
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂
5.1.2 气体净化剂
脱氧剂和催化剂：
用金属脱氧和催化脱氧是实验室中常用的气体脱氧方法，后者 用于氢气的脱氧。常用催化剂为铂（或钯）石棉或105催化剂，可使 氢气中的杂质氧与氢结合成水。
思考题
气体净化方法有哪些？依据原理是什么？ 控制反应气氛的方法有哪些？应如何操作？
4 第 章 无机合成实验技术
一、高温合成技术 二、低温合成技术 三、高压合成技术 四、真空合成技术 五、气体净化及气氛控制
第五节 气体净化及气氛控制
5.1 气体净化方法及气体净化剂 5.2 气体流量的测定方法 5.3 定组成混合气体的配制 5.4 反应气氛的控制方法
无机合成化学ppt课件
4.1 水热-溶剂热合成
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
4.1.1
概念与实例
⑴ 概念
水热-溶剂热合成是指温度为100～1000 ℃、压力为 1MPa～1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反应所进行 的合成。在亚临界和超临界水热-溶剂热条件下,由于反应 处于分子水平,反应性提高,因而水热-溶剂热反应可以说扩 充了高温固相反应。又由于水热-溶剂热反应的均相成核 及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以 创造出其他方法无法制备的新化合物和新材料。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
本章将系统而简洁地介绍水热溶剂热合成、无水无氧合成和电解 合成三种合成方法，以及它们的一 些重要应用。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
Nd2O3 + H3PO4 → NdP5O14 CaO·nAl2O3 + H3PO4 → Ca(PO4)3OH + AlPO4 La2O3 + Fe2O3 + SrCl2 → (La, Sr)FeO3 FeTiO3 + KOH → K2O·nTiO2 (n = 4, 6)
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
4.1.1
概念与实例
⑴ 概念
水热-溶剂热合成是指温度为100～1000 ℃、压力为 1MPa～1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反应所进行 的合成。在亚临界和超临界水热-溶剂热条件下,由于反应 处于分子水平,反应性提高,因而水热-溶剂热反应可以说扩 充了高温固相反应。又由于水热-溶剂热反应的均相成核 及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以 创造出其他方法无法制备的新化合物和新材料。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
本章将系统而简洁地介绍水热溶剂热合成、无水无氧合成和电解 合成三种合成方法，以及它们的一 些重要应用。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
Nd2O3 + H3PO4 → NdP5O14 CaO·nAl2O3 + H3PO4 → Ca(PO4)3OH + AlPO4 La2O3 + Fe2O3 + SrCl2 → (La, Sr)FeO3 FeTiO3 + KOH → K2O·nTiO2 (n = 4, 6)
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属于气流床煤气化典型炉型之一。特征是对于 气化的原料适应性强，各种煤和焦、液态和气 态的烃，有万能炉之称。这是一种高温气流床 熔融排渣煤气化设备。采用气-固相并流接触， 煤和气化剂在炉内停留时间仅几秒钟。
属于气流床煤气化典型炉型之一
煤粉与气化剂混合，从炉子两侧水平方向以射流形 式喷入炉内，立即着火，中心温度高达2000℃。
第四章 合成气
主要内容
绪论 合成气的生产（煤气气化） 合成气的净化 合成气系化学品
第一章 绪论
合成气是以氢气、一氧化碳为主要组分供化学合 成用的一种原料气。
合成气的生产和应用在化学工业中具有极为重要 的地位。自1913年用合成气生产氨后，合成甲醇， 费托法生产液体燃料，羰基合成法生产脂肪醛和 醇，甲醛羰基化生产醋酸等工艺过程相继开发成 功。70年代石油涨价以后，又提出了“碳一化学” 的概念。 C1化学，就是以分子中只含一个碳原子的化合物 （如CO、CH3OH等）为原料来合成化工产品的 化学体系。
C
2H2
CH
4
,
H
298
74.90kJ /
mol
CO
3H 2
CH 4
H
2O(
g
)
,
H
298
206.29kJ
/
mol
CO2
4H2
CH 4
2
H
2O(
g
),
H
298
165.10kJ /
mol
2CO
2H2
CH 4
CO2
,
H
298
82.38kJ
/
mol
四、气化反应的化学平衡
气化反应的平衡状态是气化反应进行的限度，当气化反应 尚未达到平衡时，气化的推动力较大。达到平衡时就达到 了极限。气化反应的平衡状态既表明了变化的方向，也表 明了反应的限度，是研究氧化反应可能性的关键。
85%氧气，水煤浆走内环隙，氧气和水煤气并流入炉。
小结
例：间歇式制取半水煤气
间歇式抽取半水煤气一般包括6个阶段： ①吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度，吹风放空。 ②蒸汽吹净：将空气赶净，提高煤气质量。 ③蒸汽一次上吹：自下而上送入水蒸气进行气化反应，燃料层下部温度
下降，上部温度上升。 ④蒸汽下吹：水蒸气自上而下进行气化反应，使得燃料层温度趋于均匀。 ⑤蒸汽二次上吹：将炉底部的下吹煤气排净，为吹入空气作准备。 ⑥空汽吹净：此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中N2的主要来源。
二、气化炉的分类
1、按气化方式分：固定床、流化床、气流床 等
2、按原料的粒度分：块煤、细粒煤和粉煤。 3、按气化的排渣方式分：固态排渣和液态排
渣。 4、按气化压力分：常压和加压。 5、按气化炉的供热方式分：内热式和外热式。 6、按气化剂的种类分：（如下）
表2 按气化剂的种类分类
气化煤气名称 气化剂种类 煤气主要成分
K-T煤气化炉单炉生产能力大。缺点：耗氧量大。
德士古炉
燃烧室
激冷室
德士古炉主要特征是将煤制成70%的水煤浆，与纯氧一道 通过特殊设计的喷嘴喷入炉中。气化反应温度为 1350~1500℃，压力为1.8~ 3.6 MPa或更高的条件。属 于气流式自热反应器。
该炉的独特优点：比K-T炉设备结构简单，生产能力更大， 对原料适应能力强。
空气煤气。 约含50%的N2，一定量的CO 及少量CO2和H2。
水煤气。H2和CO含量约占85%。 混合煤气。主要用作工业气体燃料。 半水煤气。
将空气煤气和水煤气按H2+CO与N2物质的量比 3.1~3.2的比例进行复配。
一、煤气化的基本过程
一、煤气化的基本过程 煤或焦炭、半焦等固体燃料，在高温常压 或加压条件下，与气化剂反应转化为合成 气。固体燃料的气化过程是在气化炉内进 行的（煤气发生炉）。气化过程如图所示：
块煤给进气化炉顶部的闸斗仓，在进入气 化炉之前增压。 旋转的煤分配器确保煤在反应器各处均布 煤缓慢下移到气化炉。当煤下移时，由经 床层向上流动的燃料气加温；煤就被不断 干燥和挥去挥发分，然后气化。 床层底部紧靠炉蓖的上面是气化炉最热的 地方1000℃，在此处燃烧任何剩余的煤， 产灰生由的旋C转O炉2与蓖床排层出中并的在碳闸起斗反仓应中形减成压C。O蒸。 汽和O2被向上吹，通过炉蓖为气化过程 提供氧化剂。 所产生的气体在300-500℃离开气化炉， 利用水淬冷进行冷却和洗涤。该气化炉由 水夹套围绕，水夹套产生的蒸汽可用于工 艺过程中。
国内在中、小型合成氨生产中，主要还是用煤作为制 取合成氨原料气的。中国合成氨原料构成是以煤、焦 炭为主。 包括三部分：煤气化、蒸汽转化、部分氧化法。
表1 中国合成氨的原料构成/%
年份 煤、焦炭 渣油、石脑油 天然气、焦炉气 其他
Байду номын сангаас
1985 60.99
15.09
22.17
0.75
1990 63.47
16.94
以空气为气化剂 表3 以空气为气化剂的平衡常数
表4 总压0.1MPa时，空气煤气的平衡组成（V）/%
温度/℃ 650
CO2 10.8
800
1.6
900
0.4
1000
0.2
CO 16.9 31.9 34.1 34.4
N2 72.3 66.5 65.5 65.4
α=CO/(CO+CO2) 61.0 95.2 98.8 99.4
水煤气 反应
水煤气平 衡反应或 CO变换
反应
C
H2O(g)
CO
H2,
H
298
131.39kJ
/
mol
C
2H 2O( g )
CO2
2H
2
,
H
298
90.20kJ
/
mol
CO
H2O(g)
CO2
H2,
H
298
41.19kJ
/
mol
生成甲烷的反应（气体间的均相反应）
气化煤气中的甲烷，一部分来自气化原料 挥发物的热裂解产物，另一部分是炉内的碳与 气化剂或产物中的氢的反应的结果。
煤气主要用途
空气煤气 混合炉气
水煤气
空气
空气-水蒸 气
水蒸气
蒸气-氧气煤气
氧气-水蒸 气
CO、N2 CO、H2、N2
CO、H2 CO、H2
工业燃气
工业燃气
化工原料气、城市燃气 补充气源
化工原料气、城市燃气 补充气源
代用天然气
氢气
CH4、CmHn、H2
城市燃气
气化炉
将煤在气化炉内的运动方式分为：固定床（移动床） 气化法、流化床气化法、气流床气化法。其相应的 气化设备为：
温克勒炉优点：
沸腾层温度分布均匀，近似等温操作。气化剂与 煤以沸腾床方式进行气化，常压操作，温度 900℃~1000℃，煤在炉中停留时间0.5~1h。 生成气中甲烷含量较低，不含焦油。
温克勒炉缺点：
需用活性褐煤为原料，炉内存在严重逆向混合， 灰渣中残炭量高，气化效率低。目前，合成氨厂 较少采用。
K-T炉
的半水煤气发生量约1000m3·h-1，
生产强度较低。
气化剂
UGI炉的缺点：
要求使用热稳定性好，灰熔点高的块状无烟煤或焦炭， 不能使用其它劣质煤等原料和粉煤。
该炉齿轮转动部件磨损严重，维修量大，底盘内易结疤， 清除困难。
间歇法生产，单炉生产能力低，不易大型化。
常压气化，原料气压缩功耗能大。
间歇操作、生产管理难度大。
固定床气化炉：UGI煤气化炉，鲁奇煤气化炉等； 流化床气化炉：温克勒气化炉等； 气流床气化炉：K-T煤气化炉，德士古煤气化炉等。
UGI煤气化炉
这是一种常压固定床煤气化设备。 炉子为直立圆筒形结构。炉体用 钢板制成，下部设有水夹套以回 收热量、副产蒸汽；上部内衬耐 火材料，炉底设转动炉篦排灰。 气化剂可以从底部或顶部进入炉 内，生成气相应地从顶部或底部 引出。以空气、蒸汽、为气化剂 制取半水煤气或水煤气时，都采 用间歇式操作方法。 UGI炉气化温度为1000~1250℃， 以无烟煤为原料时，甲烷、煤焦 油及酚才含量均较低。为避免堵 塞煤层或气流分布不均，需采用 一定粒径范围的煤块。 UGI炉结构简单，易于操作，热 效率较低。但每平方米炉膛面积
第一章 绪论
因此近年来不仅研究以合成气，也研究也甲醇作为重要的 基础原料，用以合成一系列以乙烯为基础原料的基本有机 化工产品。
由此可知，通过碳一化学路线合成醇、醛、酸、酮等含氧 化合物及其衍生物等，虽然其经济性尚不能与石油化工竞 争，但对开发煤资源具有重要的意义，也展示了新一代的 煤化工技术。
合成气由含碳矿质如煤、石油、天然气以及焦炉煤气、炼 厂气等转化而得。按合成气的不同来源、组成和用途，它 们也可成为煤气、合成氨原料气、甲醇合成气等。合成气 的原料范围极广，生产方法甚多，用途不一。组成（体积 %）有很大差别：H232~67、CO10~57、CO22~28、 CH40.1~14、N20.6~23
阶段
阀门开闭情况
1 23 4
5 67
吹风
○ ×× ○ ○ × ×
蒸汽吹净 × ○ × ○ ○ × ×
一次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
下吹
× ×○ × × ○ ○
二次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
空气吹净 ○ × × ○ × ○ ×
○—阀门开启；×—阀门关闭
三、气化的基本反应（3类）
碳与氧的反应
灰渣中的一半以熔渣形式排入水封槽，另一半随生 成气带出炉外。出炉口时，先用水急冷到熔渣固化 点(1000℃)以下，防止粘结在紧接炉出口的辐射 锅炉炉壁，然后进入对流锅炉回收废热,最后去除 尘和气体净化系统。
K-T炉最关键的问题是炉衬耐火材料与煤的灰熔点 和灰组成必须相适应，尽量减少熔渣对耐火材料的 侵蚀作用。
属于气流床煤气化典型炉型之一
煤粉与气化剂混合，从炉子两侧水平方向以射流形 式喷入炉内，立即着火，中心温度高达2000℃。
第四章 合成气
主要内容
绪论 合成气的生产（煤气气化） 合成气的净化 合成气系化学品
第一章 绪论
合成气是以氢气、一氧化碳为主要组分供化学合 成用的一种原料气。
合成气的生产和应用在化学工业中具有极为重要 的地位。自1913年用合成气生产氨后，合成甲醇， 费托法生产液体燃料，羰基合成法生产脂肪醛和 醇，甲醛羰基化生产醋酸等工艺过程相继开发成 功。70年代石油涨价以后，又提出了“碳一化学” 的概念。 C1化学，就是以分子中只含一个碳原子的化合物 （如CO、CH3OH等）为原料来合成化工产品的 化学体系。
C
2H2
CH
4
,
H
298
74.90kJ /
mol
CO
3H 2
CH 4
H
2O(
g
)
,
H
298
206.29kJ
/
mol
CO2
4H2
CH 4
2
H
2O(
g
),
H
298
165.10kJ /
mol
2CO
2H2
CH 4
CO2
,
H
298
82.38kJ
/
mol
四、气化反应的化学平衡
气化反应的平衡状态是气化反应进行的限度，当气化反应 尚未达到平衡时，气化的推动力较大。达到平衡时就达到 了极限。气化反应的平衡状态既表明了变化的方向，也表 明了反应的限度，是研究氧化反应可能性的关键。
85%氧气，水煤浆走内环隙，氧气和水煤气并流入炉。
小结
例：间歇式制取半水煤气
间歇式抽取半水煤气一般包括6个阶段： ①吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度，吹风放空。 ②蒸汽吹净：将空气赶净，提高煤气质量。 ③蒸汽一次上吹：自下而上送入水蒸气进行气化反应，燃料层下部温度
下降，上部温度上升。 ④蒸汽下吹：水蒸气自上而下进行气化反应，使得燃料层温度趋于均匀。 ⑤蒸汽二次上吹：将炉底部的下吹煤气排净，为吹入空气作准备。 ⑥空汽吹净：此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中N2的主要来源。
二、气化炉的分类
1、按气化方式分：固定床、流化床、气流床 等
2、按原料的粒度分：块煤、细粒煤和粉煤。 3、按气化的排渣方式分：固态排渣和液态排
渣。 4、按气化压力分：常压和加压。 5、按气化炉的供热方式分：内热式和外热式。 6、按气化剂的种类分：（如下）
表2 按气化剂的种类分类
气化煤气名称 气化剂种类 煤气主要成分
K-T煤气化炉单炉生产能力大。缺点：耗氧量大。
德士古炉
燃烧室
激冷室
德士古炉主要特征是将煤制成70%的水煤浆，与纯氧一道 通过特殊设计的喷嘴喷入炉中。气化反应温度为 1350~1500℃，压力为1.8~ 3.6 MPa或更高的条件。属 于气流式自热反应器。
该炉的独特优点：比K-T炉设备结构简单，生产能力更大， 对原料适应能力强。
空气煤气。 约含50%的N2，一定量的CO 及少量CO2和H2。
水煤气。H2和CO含量约占85%。 混合煤气。主要用作工业气体燃料。 半水煤气。
将空气煤气和水煤气按H2+CO与N2物质的量比 3.1~3.2的比例进行复配。
一、煤气化的基本过程
一、煤气化的基本过程 煤或焦炭、半焦等固体燃料，在高温常压 或加压条件下，与气化剂反应转化为合成 气。固体燃料的气化过程是在气化炉内进 行的（煤气发生炉）。气化过程如图所示：
块煤给进气化炉顶部的闸斗仓，在进入气 化炉之前增压。 旋转的煤分配器确保煤在反应器各处均布 煤缓慢下移到气化炉。当煤下移时，由经 床层向上流动的燃料气加温；煤就被不断 干燥和挥去挥发分，然后气化。 床层底部紧靠炉蓖的上面是气化炉最热的 地方1000℃，在此处燃烧任何剩余的煤， 产灰生由的旋C转O炉2与蓖床排层出中并的在碳闸起斗反仓应中形减成压C。O蒸。 汽和O2被向上吹，通过炉蓖为气化过程 提供氧化剂。 所产生的气体在300-500℃离开气化炉， 利用水淬冷进行冷却和洗涤。该气化炉由 水夹套围绕，水夹套产生的蒸汽可用于工 艺过程中。
国内在中、小型合成氨生产中，主要还是用煤作为制 取合成氨原料气的。中国合成氨原料构成是以煤、焦 炭为主。 包括三部分：煤气化、蒸汽转化、部分氧化法。
表1 中国合成氨的原料构成/%
年份 煤、焦炭 渣油、石脑油 天然气、焦炉气 其他
Байду номын сангаас
1985 60.99
15.09
22.17
0.75
1990 63.47
16.94
以空气为气化剂 表3 以空气为气化剂的平衡常数
表4 总压0.1MPa时，空气煤气的平衡组成（V）/%
温度/℃ 650
CO2 10.8
800
1.6
900
0.4
1000
0.2
CO 16.9 31.9 34.1 34.4
N2 72.3 66.5 65.5 65.4
α=CO/(CO+CO2) 61.0 95.2 98.8 99.4
水煤气 反应
水煤气平 衡反应或 CO变换
反应
C
H2O(g)
CO
H2,
H
298
131.39kJ
/
mol
C
2H 2O( g )
CO2
2H
2
,
H
298
90.20kJ
/
mol
CO
H2O(g)
CO2
H2,
H
298
41.19kJ
/
mol
生成甲烷的反应（气体间的均相反应）
气化煤气中的甲烷，一部分来自气化原料 挥发物的热裂解产物，另一部分是炉内的碳与 气化剂或产物中的氢的反应的结果。
煤气主要用途
空气煤气 混合炉气
水煤气
空气
空气-水蒸 气
水蒸气
蒸气-氧气煤气
氧气-水蒸 气
CO、N2 CO、H2、N2
CO、H2 CO、H2
工业燃气
工业燃气
化工原料气、城市燃气 补充气源
化工原料气、城市燃气 补充气源
代用天然气
氢气
CH4、CmHn、H2
城市燃气
气化炉
将煤在气化炉内的运动方式分为：固定床（移动床） 气化法、流化床气化法、气流床气化法。其相应的 气化设备为：
温克勒炉优点：
沸腾层温度分布均匀，近似等温操作。气化剂与 煤以沸腾床方式进行气化，常压操作，温度 900℃~1000℃，煤在炉中停留时间0.5~1h。 生成气中甲烷含量较低，不含焦油。
温克勒炉缺点：
需用活性褐煤为原料，炉内存在严重逆向混合， 灰渣中残炭量高，气化效率低。目前，合成氨厂 较少采用。
K-T炉
的半水煤气发生量约1000m3·h-1，
生产强度较低。
气化剂
UGI炉的缺点：
要求使用热稳定性好，灰熔点高的块状无烟煤或焦炭， 不能使用其它劣质煤等原料和粉煤。
该炉齿轮转动部件磨损严重，维修量大，底盘内易结疤， 清除困难。
间歇法生产，单炉生产能力低，不易大型化。
常压气化，原料气压缩功耗能大。
间歇操作、生产管理难度大。
固定床气化炉：UGI煤气化炉，鲁奇煤气化炉等； 流化床气化炉：温克勒气化炉等； 气流床气化炉：K-T煤气化炉，德士古煤气化炉等。
UGI煤气化炉
这是一种常压固定床煤气化设备。 炉子为直立圆筒形结构。炉体用 钢板制成，下部设有水夹套以回 收热量、副产蒸汽；上部内衬耐 火材料，炉底设转动炉篦排灰。 气化剂可以从底部或顶部进入炉 内，生成气相应地从顶部或底部 引出。以空气、蒸汽、为气化剂 制取半水煤气或水煤气时，都采 用间歇式操作方法。 UGI炉气化温度为1000~1250℃， 以无烟煤为原料时，甲烷、煤焦 油及酚才含量均较低。为避免堵 塞煤层或气流分布不均，需采用 一定粒径范围的煤块。 UGI炉结构简单，易于操作，热 效率较低。但每平方米炉膛面积
第一章 绪论
因此近年来不仅研究以合成气，也研究也甲醇作为重要的 基础原料，用以合成一系列以乙烯为基础原料的基本有机 化工产品。
由此可知，通过碳一化学路线合成醇、醛、酸、酮等含氧 化合物及其衍生物等，虽然其经济性尚不能与石油化工竞 争，但对开发煤资源具有重要的意义，也展示了新一代的 煤化工技术。
合成气由含碳矿质如煤、石油、天然气以及焦炉煤气、炼 厂气等转化而得。按合成气的不同来源、组成和用途，它 们也可成为煤气、合成氨原料气、甲醇合成气等。合成气 的原料范围极广，生产方法甚多，用途不一。组成（体积 %）有很大差别：H232~67、CO10~57、CO22~28、 CH40.1~14、N20.6~23
阶段
阀门开闭情况
1 23 4
5 67
吹风
○ ×× ○ ○ × ×
蒸汽吹净 × ○ × ○ ○ × ×
一次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
下吹
× ×○ × × ○ ○
二次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
空气吹净 ○ × × ○ × ○ ×
○—阀门开启；×—阀门关闭
三、气化的基本反应（3类）
碳与氧的反应
灰渣中的一半以熔渣形式排入水封槽，另一半随生 成气带出炉外。出炉口时，先用水急冷到熔渣固化 点(1000℃)以下，防止粘结在紧接炉出口的辐射 锅炉炉壁，然后进入对流锅炉回收废热,最后去除 尘和气体净化系统。
K-T炉最关键的问题是炉衬耐火材料与煤的灰熔点 和灰组成必须相适应，尽量减少熔渣对耐火材料的 侵蚀作用。