无机化工工艺学
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。
无机化工工艺学
第二章、固体燃料气化1、最近十多年我国合成氨原料构成是以煤、焦炭为主。
2、煤化过程的第一阶段，首先是形成年轻的泥炭，继后逐次形成褐煤、次烟煤、烟煤、最终形成无烟煤和天然石墨。
3、煤气的分类：（1）空气煤气以空气作为气化剂所制得的煤气，可作为合成氨原料气中氮的来源。
（2）水煤气以水蒸气作气化剂所制得的煤气。
其中氢气和一氧化碳的含量在85%以上。
主要作为合成氨原料气中氢气的来源。
（3）混合煤气以空气和适量水蒸气的混合物作气化剂所制得的煤气。
主要用作工业气体燃料。
半水煤气分别以空气和水蒸气作气化剂，然后将分别制得的空气煤气和水煤气按混合后气体中（H2+CO）与N2的摩尔比为3.1-3.2的比例进行掺配。
4、5、煤在汽化炉中进行的气化过程包括：干燥、热解以及由热解生成的碳与气化剂反应阶段。
一）、煤的干燥：煤中水分包括三类：1、吸附在煤表面的外表水，叫游离水；2、吸附于煤结构体毛细孔中的吸附水3、煤中含氧基团-OH和-COOH相连的水，叫化学键态水。
其中1和2中的水在温度高于100℃，即可缓慢的释出（此过程为蒸发）。
3中的键态水在150-300℃时，开始分解，放出CO2和CO。
二）煤加热分解：三）、气化反应的化学平衡：1、以空气或富氧空气为气化剂时，碳与氧之间的反应为：C+O2= CO2；C+1/2O2=CO；C+CO2=2CO；CO+1/2O2=CO26、O2全部与C反应生成CO2，CO2的平衡转化率为α，总压为P；空气中N2∕O2的摩尔比为79∕21=3.76计算基准取1molO2。
C + CO2 = 2CO平衡时：1-ɑ2ɑ气相总量=1-ɑ+2ɑ+3.76=4.76-ɑmol由此求得各组分分压将分别代入平衡常数式中整理得：7、以水蒸汽作气化剂时碳与水蒸汽的反应为：C+H2O(g)=CO+H2 ，C+2H2O(g)=CO2+2H2 CO +H2O(g)=CO2+2H2 C +2H2=CH48、制取半水煤气的工业方法，按其供热方式可分为：①蓄热法也称间歇式制气法。
无机化工工艺学-尿素
半循环法：将一部 分或大部分未反应的 NH3和CO2返回合成塔 使用，这类循环氨的 利用率为42-73%。
1-二氧化碳压缩机；2-液氨泵；3-尿素合成塔； 4-预分离器；5-高压加热分离器；6-低压加热分 解器；7-高压吸收器；8-氨冷凝器
全循环法（流程附后1.4）：将未转化成尿素的NH3和CO2经减压加热 或气提分离后，全部返回合成系统循环利用，构成密闭的循环系统 ，原料的利用最充分，氨利用率高达98%以上。
④气提法 利用一种气体介质在与合成等压的条件下分解甲铵并将分解物返
回系统。 依气提介质的不同分为CO2气提法、NH3气提法、变换气气提法。
优点：热量回收完全，低压NH3和CO2处理量较少，技术经济指标先 进，是尿素发展的方向。
20世纪60年代初期, 斯塔米卡邦与DSM的研究中心一起开发了新的 尿素工艺———二氧化碳气提法,并于1967 年建成工厂投入生产,使尿 素生产的能耗大为降低。
意大利的SnamProgetti 也于1966 年建成了第一个以NH3作为气提 气的氨气提法尿素工厂(日产70 t) ,其设备采用框架式立体布置,而且 NH3直接加入气提塔底部,为第一代氨气提法。70 年代中期SNAM改进 了设计,设备改为平面布置,而且也不直接向气提塔加入气氨,即所谓的 自气提工艺或称为第二代氨气提法工艺。
由于添加的水量不同，又可分为两类：
添加水量较多，分子比近于1，称为碳酸铵盐水溶液全循环法。 添加水量较少，基本上以甲铵溶液返回系统，称为氨基甲酸铵溶
液全循环法。
难度—气液分离的温度不可太高，以免使生成的尿素分解；液体吸收 气体的温度不可太低，以防出现固体结晶；返回系统的水量必须控制 在最少，否则由于有水进入反应器，一次通过的尿素合成率太低，造 成大量溶液循环。
无机化工工艺学第三版
无机化工工艺学第三版《无机化工工艺学》是一本介绍无机化工工艺的教材，这是第三版的版本。
本书内容丰富全面，涵盖了无机化工工艺学的基本理论、技术应用和相关工程实践。
下面将简要介绍本书的主要内容和意义。
首先，本书的第一章到第四章主要介绍了无机化工工艺学的基本概念、基本原理和基本过程。
包括无机化工的定义、分类和特点，以及无机化工工艺的基本原理、传热传质过程、相变过程和反应动力学等内容。
这些章节对于初学者来说是很重要的，它们可以帮助初学者理解无机化工工艺学的基本理论和方法。
其次，本书的第五章到第九章介绍了无机化工工艺学的主要技术应用和相关工程实践。
其中包括无机化工反应器的设计与操作、燃烧和氧化过程、干燥和结晶过程、分离和纯化过程、以及催化剂和吸附剂的应用等。
这些章节详细讲解了各种无机化工工艺的原理、设备和操作方法，对于实际工程中的无机化工工艺设计和操作具有重要意义。
此外，本书还介绍了一些无机化工工艺学的前沿技术和研究方向。
比如，杂质的控制与去除、废水处理和固体废弃物的处理等。
这些内容反映了无机化工领域的最新研究进展和工程实践，并提供了一些解决实际问题的方法和思路。
《无机化工工艺学》第三版的出版对于无机化工工程专业的学生和从事无机化工工程研究和实践的工程技术人员都具有重要意义。
通过学习本书，可以帮助学生掌握无机化工工艺学的基本理论和技术方法，培养工程实践能力。
对于工程技术人员来说，本书可以帮助他们理解新技术和新方法的原理，并提供实际操作和问题解决的参考。
综上所述，《无机化工工艺学》第三版是一本内容丰富、全面详细的教材，对于无机化工工程学科的学术研究和实际工程应用都具有重要意义。
希望通过学习本书，读者能够更好地理解无机化工的基本理论和技术方法，并在实际工程中能够灵活运用。
无机化工工艺学复习
•1生产硫酸的原料有硫磺、硫铁矿、有色金属冶炼烟气、石膏、硫化氢、二氧化硫和废硫酸等。
硫磺、硫铁矿和冶炼烟气是三种主要原料。
•硫铁矿曾是中国硫酸工业的主要原料，目前硫磺用量最多，也使用冶炼废气和硫磺生产硫酸。
•大部分原料需先制成含二氧化硫的原料气，才能进一步制造硫酸。
• 2.硫酸生产分为原料处理、焙烧、净化、干吸、转化、尾气回收几个阶段，各工序作用如下：•⑴原料工序：•负责硫铁矿的过筛、配料与输送；•⑵焙烧工序：•对硫铁矿进行沸腾焙烧，制取二氧化硫气体；•⑶净化工序：•通过离心除尘、水洗与电除雾对炉气进行净化；•⑷干吸工序：利用浓度为93％的浓硫酸对净化后的炉气进行干燥；同时利用浓度为98％对转化后气体中的三氧化硫进行吸收；干燥酸在使用过程中浓度会降低，而吸收酸在使用过程中浓度会升高。
因此在生产过程中，两种酸之间要进行串酸操作。
•⑸转化工序：干燥后的炉气在催化剂作用下，SO2经过催化氧化为SO3。
•⑹硫酸储存工序：储存产品。
•(7)尾气回收•3、简述硫酸生产两转两吸工艺的优、缺点优点：①转化反应速度快，最终转化率高；②能处理SO2含量较高的气体；③能减轻尾气的危害。
缺点：①热量损失大；②阻力大，能耗增加；③流程长，操作复杂能量消耗大。
4.简述氨碱法生产纯碱的优、缺点。
优点：原料便宜；生产过程中氨能循环使用，损失少；能实现大规模连续生产；易实现机械化和自动化；产品质量高。
缺点：原料利用率低；废液废渣污染严重，不便在内陆建厂；母液中含有大量的NH4Cl，需加入石灰乳才能使之分解，并通过蒸馏回收氨，设置蒸氨塔消耗大量蒸汽和石灰；流程长，设备庞大，能量消耗大。
无机化工工艺学——纯碱
❖ 析出碳酸氢钠
❖
Na+ + HCO3－ = NaHCO3 (s)
❖ 反应到一定时间后，氨基甲酸铵的水解是控制步骤，所以
塔中要保持足够的溶液量使反应时间充分。
27
4.2.2 氨碱法的工业生产
碳酸化度R的定义
游离 已结合
R
溶 液 中 全 部CO2浓 度 总氨浓度
CCO2 2C NH3 C NH3,T
5
4.1 概述
四、生产方法
❖草木灰 ❖ 氨碱法生产纯碱 ❖ 联碱碱法生产纯碱（侯氏法） ❖ 路布兰法 湿法芒硝制碱法 干法芒硝制碱法 ❖ 天然碱加工提纯制纯碱
6
4. 2 碱法制纯碱
4.2.1 氨碱法的生产过程
（1）CO2气和石灰乳的制备。煅烧石灰石制得 石灰和二氧化碳，石灰消化而得石灰乳。
（2）盐水的制备、精制及氨化，制得氨盐水。 （3）氨盐水的碳酸化制重碱。来自石灰石煅烧 及重碱煅烧的CO2，经压缩、冷却送至碳化塔。 （4）重碱的过滤及洗涤（即碳化所得晶浆的液 固分离）。 （5）重碱煅烧制得纯碱成品及CO2。 （6）母液中氨的蒸馏回收。
❖ 总组成在 AC 线上，
只 析 出NaHCO3 时 ，
又必须在其饱和面
上 。 所 以 在 RS 线
无机化工工艺学复习
无机化工工艺学复习 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】•1生产硫酸的原料有硫磺、硫铁矿、有色金属冶炼烟气、石膏、硫化氢、二氧化硫和废硫酸等。
硫磺、硫铁矿和冶炼烟气是三种主要原料。
•硫铁矿曾是中国硫酸工业的主要原料，目前硫磺用量最多，也使用冶炼废气和硫磺生产硫酸。
•大部分原料需先制成含二氧化硫的原料气，才能进一步制造硫酸。
• 2.硫酸生产分为原料处理、焙烧、净化、干吸、转化、尾气回收几个阶段，各工序作用如下：•⑴原料工序：•负责硫铁矿的过筛、配料与输送；•⑵焙烧工序：•对硫铁矿进行沸腾焙烧，制取二氧化硫气体；•⑶净化工序：•通过离心除尘、水洗与电除雾对炉气进行净化；•⑷干吸工序：利用浓度为93％的浓硫酸对净化后的炉气进行干燥；同时利用浓度为98％对转化后气体中的三氧化硫进行吸收；干燥酸在使用过程中浓度会降低，而吸收酸在使用过程中浓度会升高。
因此在生产过程中，两种酸之间要进行串酸操作。
•⑸转化工序：干燥后的炉气在催化剂作用下，SO2经过催化氧化为SO3。
•⑹硫酸储存工序：储存产品。
•(7)尾气回收•3、简述硫酸生产两转两吸工艺的优、缺点优点：①转化反应速度快，最终转化率高；②能处理SO2含量较高的气体；③能减轻尾气的危害。
缺点：①热量损失大；②阻力大，能耗增加；③流程长，操作复杂能量消耗大。
4.简述氨碱法生产纯碱的优、缺点。
优点：原料便宜；生产过程中氨能循环使用，损失少；能实现大规模连续生产；易实现机械化和自动化；产品质量高。
缺点：原料利用率低；废液废渣污染严重，不便在内陆建厂；母液中含有大量的NH4Cl，需加入石灰乳才能使之分解，并通过蒸馏回收氨，设置蒸氨塔消耗大量蒸汽和石灰；流程长，设备庞大，能量消耗大。
无机化工工艺学全貌介绍
阐述蒸馏和萃取分离的原理、方法和设备， 以及操作条件的选择和控制。
结晶与沉淀分离
介绍结晶和沉淀分离的原理、方法及设备。
离子交换与吸附分离
分析离子交换与吸附分离的原理、方法和应 用范围。
废气、废水和固废的处理
废气处理
介绍废气的来源、危害及处理方法，包括吸收、吸附、催化燃烧 等方法及设备。
促进经济发展
无机化工工艺学的发展对于推动经济发展具有重要作用。通过改进生产工艺，提高生产效率，降低生 产成本，可以增加企业的竞争力，促进产业升级和转型。
无机化工工艺学的历史与发展
历史回顾
无机化工工艺学的发展可以追溯到古代的冶金和陶瓷制造。随着工业革命的兴起 ，无机化工工艺学得到了快速发展，各种新的提取、合成和加工技术不断涌现。
01
概述无机化工中常见的化学反应类型、特点和应用。
反应动力学与热力学
02
介绍反应速率、反应机理、活化能等反应动力学知识，以及反
应平衡常数、反应热等热力学知识。
反应器类型与选择
03
阐述不同类型反应器的原理、特点和使用范围，以及选择反应
器的原则和依据。
产品的分离与提纯
分离与提纯的目的与方法
说明分离与提纯的目的、基本原则和常用方 法。
03 无机化工工艺流程
原料的预处理
原料的来源与性质
介绍无机化工原料的来源、种类 及性质，说明原料选择的原则和
要求。
原料的破碎与混合
阐述原料破碎的目的、方法和设备， 以及混合操作的原理和设备。
原料的干燥与除杂
分析原料干燥和除杂的必要性，介 绍常用的干燥和除杂方法及设备。
化学反应原理与设备
无机化工中的化学反应
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油含量/ (mg/kg) ≤
≤
铁含量/%(质量) ≤
指标
优等品
一等品
99.9
99.8
0.1(重)
0.2
0.1
—
5（重）
—
2(红外光谱法)
—
1
—
合格品 99.6 0.4 — — — —
0.1.2 氨的性质
氨是在高温、高压和有催化剂存在 的条件下，氮气和氢气直接合成为氨： N2+3H2=2NH3+Q
由于采用了合成的方法生产氨，所 以习惯上将氨称为合成氨，将生产氨的 工厂称合成氨厂
以油为原料合成氨的生产示意框图
0.2 甲醇的性质、用途和生产方法
0.2.1物理性质
常温常压下，甲醇是易挥发和易燃的无色液 体、具有类似酒味的气味 。
能与水互溶，但不与水形成共沸混合物。 能溶解多种树脂，是一种良好的有机溶剂。 常压下沸点是64.5-64.7 ℃ 。
0.2.2化学性质
甲醇不具酸性，也不具碱性 1.氧化反应，生成CO2和H2O； 2.脱氢反应，生成甲醛； 3.与酸反应，生成酯； 4.与氨反应，生成甲胺； 5.与CO作用，生成醋酸； 6.与苯作用，生成甲苯； 7.与金属作用，生成甲醇盐
空气中含氮量很多，但空气中的氮是 呈游离状态存在的，不能供植物直接吸收， 植物只能吸收化合物中固定状态的氮。因 而必须固定氮。
以氮和氢为原料合成氨，是目前采用 最广泛、也是最经济的一种固氮方法。
0.1.1产品说明
NH3，无色液体。标准如下：
项目
氨/%(质量)
≥
残留物/%(质量) ≤
水/%(质量)
≤
0.2.3甲醇的危险性
1.有毒—神经性毒物，可经呼吸道、肠胃和皮肤 吸收，具有明显的麻醉效应；特别是对视神经和 视网膜具有特殊的选择作用；
2.甲醇极易燃烧；
3.与空气能形成爆炸性混合物；爆炸极限为6.0— 36%(V)；
0.2.4甲醇的生产方法
联醇生产技术即甲醇生产装置串联在合成氨 生产装置中，用合成氨原料气中的CO、CO2、H2合 成甲醇，同时又减轻了精炼负荷。
变换 脱硫
甲醇 合成
脱碳
粗醇 精馏
CO2
尿素 合成
未反应 物分离
尿液 蒸发
造粒
尿素
要求：
掌握各生产过程的基本理论，并与生产实 际相结合；
掌握各生产工艺过程，明确各工艺的特点；
理论联系实际，学会分析问题和解决问Βιβλιοθήκη 的方法；掌握生产操作的关键。
0.1 合成氨的性质、用途和生产方法 氮是自然界里分布较广的一种元素。
4NH3+5O2=4NO+6H2O 一氧化氮继续与水作用能制得硝酸。 (4)在高温下、电火花或紫外光作用下，氨 能分解成氢和氮：
2NH3=2N2+3H2
(5)液氨或干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀 性，但在有水的条件下，对铜墙、银、锌等 金属有腐蚀作用。 (6)氨与空气或氧按一定比例混合后，遇火能 爆炸。常温常压下，氨在空气中的爆炸范围 为15.5%～ 28%，在氧气中为13.5%～ 82%。
2.合成氨生产过程
造气，即制备含有氢 、氮的粗原料气。 净化，主要包括脱硫、变换、脱碳、少量 一氧化碳及二氧化碳脱除等工序。 压缩和合成，在高温、高压和有催化剂的 条件下，将氢氮气合成为氨。
3.合成氨生产的几种典型工艺流程
以固体燃料为原料合成氨的生产示意框图
以天然气为原料合成氨的生产示意框图
(3)氨很易被液化 在 0.1MPa 压 力 下 将 氨 冷 却 到 -33.5 ， 或 在
常温下加压到0.7-0.8MPa，氨就能冷凝成无色 的液体，同时放出大量的热量。
如果人与液氨接触,则会严重地冻伤皮肤。 液氨也很易气化，降低压力可急剧蒸发， 并吸收大量的热。
2.化学性质 (1)氨与酸或酸酐可以直接作用，生成各种 铵盐：
1.物理性质 (1)在常温常压下，氨是具有特殊刺激性臭味 的无色气体，能刺激人体器官的粘膜。氨有 强烈的毒性，空气中含有0.5%的氨，就使人 在几分钟内窒息而亡。在标准条件下，氨的 相对密度为0、5971。
(2) 氨特易溶于水，可制成含氨15-30%的商 品氨水。氨溶解时放出大量的热。氨的水溶 液呈弱碱性，易挥发。
应防止猛烈撞击和防止日晒雨淋。 2.液氨的贮存
液氨应贮存在通风良好的室内，与氧化 剂、酸、卤素隔离，附近不得有火源。
3.安全措施 凡是接触液氨的人员均需熟悉液氨的安
全规定。
火灾 爆炸 吸入 皮肤 眼睛
0.1.5合成氨的工业生产方法
1.合成氨的原料
N2来源于空气 (1)化学法。耗掉空气中的氧，剩下的氮即可作为
氮氢混合气中的氮。 (2)物理法---深度冷冻法。将空气液化，再利用
氮气和氧气沸点的不同进行分离，制得高纯度的氮 和氧。
H2来源于水和碳氢化合物。工业上制氢原料主要为： 以固体燃料为原料，如煤等。 以气态烃类为原料，如天然气等。 以液态烃类为原料，如重油等。 深度冷冻法分离焦炉气或石油加工废气制氢。
主要内容
第一篇 合成氨的生产 第二篇 尿素的生产
温馨提示
本课程主要内容以煤 为原料生产氨、尿素，并 副产甲醇的生产原理、工 艺及其操作。
绪论
§0.1 合成氨的性质、用途和生产方法 §0.2 甲醇的性质、用途和生产方法 §0.3 尿素的性质、用途和生产方法
煤
造气 脱硫
产品氨 氨合 成 氨
精制 甲醇
0.1.3氨的用途
(1)85％的氨用来制化学肥料，其余作为 生产其他化工产品的原料。
(2)氨在工业上主要用来制造炸药和各种 化学纤维及塑料。如NO3-、-NH2、-NO2 (3)氨的其他工业用途也十分广泛，例如： 在制冰、空调、冷藏等系统的致冷剂。
0.1.4产品的包装、运输、贮存与安全
1.液氨的包装与运输 液氨用槽车与钢瓶包装，装卸与运输时
NH3+HCl=NH4Cl NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 NH4HCO3+ NH3 =( NH4)2CO3
(2) 氨 与 二 氧 化 碳 作 用 生 成 氨 基 甲 酸 铵 ， 脱 水生成尿素：
2NH3+CO2=NH2COONH4=CO(NH2)2+H2O
(3)在铂催化作用存在条件下，与氧作用生 成一氧化氮：
CO+H2=CH3OH+Q CO2+3H2=CH3OH+H2O+Q
0.2.5联醇生产对原料气的要求
1.原料气中维持适当的H2/CO比 2.原料气中含氮量应较低 3.清除原料气中催化毒物