化工工艺学第三章合成氨讲解
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化工工艺学课件合成氨05b
NiO+H2 Ni+H2O(g) △H0298=-1026kJ/mol ②经过还原 后的镍催化剂，在开停车以及发生操作事
故时都有可能被氧化剂氧化。
26 合成氨工业
三、烃类蒸气转化的工业方法
（一）、转化的分段
1、转化深度：
工业上采用了分段转化 的流程 ：首先，在较低温度下， 在外热式一段转化炉风进行烃类蒸气转化反应，而后 在较高温度下，在二段转化炉中加入 空气，利用反应 热将甲烷转化反应进行到底。
➢60年代，又从英国引进了一套年产100kt的装置，
且又在全国建设了一大批小型氨厂；
➢70年代，我国又从西方国家引进多套大型装置
（年产300 kt 以上）。
➢80年代后，我国设计的装置开始用于生产。
8 合成氨工业
我国合成氨生产工艺技术现状
2019年我国合成氨装置是大、中、小规模并存 的格局，总生产能力为4260万t/a。
烯烃：
C n H 2 n n2 O H nC 2 n O 2H
或
C n H 2 n 2 n2 O H nC 2 3 n O 2H
C n H 2 n n 2H 2 O 3 4 n C 4 H n 4 C 2O
但气态烃的蒸气转化可用甲烷蒸气转化表述。 21 合成氨工业
（二）、甲烷蒸气转化的化学反应
2、设备：对制气过程影响较大的是风机和煤气
炉的炉篦。
3、工艺条件：
（1）温度：炉温应较熔点温度低50℃ （2）吹风速度：吹风速度直接决定放热。 （3）蒸汽用量：是改善煤气质量和提高煤气产
量的重要手段之一。 （4）循环时间及其分配：等于或略少于3min.
18 合成氨工业
（五）、工艺流程和主要设备
32 合成氨工业
工业合成氨简易流程ppt课件
K p 1 py1 H .y 5 2N y 3N 0 H .5 2(1 yy i Ny 3N H 3) H 2(r p r 1 1 .)5 2
(1yy i Ny3H N3H )2Kpp(rr 1.1 5)2
影响平衡氨含量的要素
a．压力和温度的影响
当r＝3时， yi =0时，不同温度、 压力下的平衡氨含量值如下表：
快，外分散影响可忽略，但内分散阻力不能忽视，内分散速率影响氨 合成反响的速率。改动催化剂粒度，调理对反响速率的影响。
第二节 氨合成催化剂
氨合成反响必需用催化剂，没有催化剂，即使 在很高压力下反响速度也很小，生成的氨浓度很低。 可以作氨合成催化剂的物质很多，如锇〔Os〕、 铁(Fe)、锰(Mn)、钨(W)和铀(U)等。但由于以铁为 主体的催化剂具有原料来源广、价钱低廉、在低温 下有较好的活性、抗毒才干强、运用寿命长等优点， 广泛采用。
氧及含氧的化合物 CO、CO2、H2O
毒物
永久毒物
硫及其化合物 氯及其化合物 磷及其化合物
催化剂的改良： ①降低活性温度 ②改动外形降低 催化剂床层阻 力，节省功耗。
砷及其化合物
第三节 氨合成的工艺条件
❖ 前面讨论过氨合成的热力学、动力学及催化剂，实践消费 过程中，反响不能够到达平衡，合成工艺参数的选择除了 思索平衡氨含量外，还要综合思索反响速率、催化剂运用 特性以及系统的消费才干、原料和能量耗费等，以期到达 良好的技术经济目的。需求选择氨合成的工艺参数。
确定复原条件的原那么：
使四氧化三铁充分复原为α-Fe， 使复原生成的铁结晶不因重结晶而长大，以保证有最大的 比外表积和更多的活性中心。
3、影响复原质量的要素
装入氨合成塔的催化剂在运用前需求进展H2复原，使四氧化 三铁变为α-Fe 微晶才有活性。复原条件应使铁充分被复原，复原 后比外表积最大。 ◆复原温度，复原为吸热反响，提高温度利于平衡右移，复原速 度快，但生成的α-Fe 微晶颗粒较大，比外表积降低；复原温度过 低，复原速度慢，复原时间长，复原不彻底。复原温度略低于合 成氨操作温度。 ◆ 复原压力，提高复原压力，相当于提高H2分压，反响速度快， 同时可使氨合成反响进展，放出部分热量弥补电加热器。但也提 高了H2O的分压，添加了催化剂反复氧化复原程度，普通选1020MPa；
化学工艺学课件合成氨工艺30页PPT
生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢你的阅读
化学工艺学课件合成氨工艺
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢你的阅读
化学工艺学课件合成氨工艺
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
化工工艺学合成氨知识点总结
化工工艺学合成氨知识点总结一、合成氨的定义和应用合成氨是一种无色气体，化学式为NH3，具有强烈的刺激性气味。
合成氨广泛应用于农业、化工和医药等领域。
在农业中，合成氨作为氮肥的主要成分，用于提高作物产量；在化工中，合成氨用于制备尿素、硝酸等化工产品；在医药中，合成氨用于制备药物原料和医疗设备。
二、合成氨的制备方法1. 海勃基法：通过合成氢气和氮气的混合气体，经过高温高压的反应，生成合成氨。
该方法具有反应效率高、产品纯度高的优点，但设备复杂、生产成本较高。
2. 卡斯纳赫法：通过在催化剂的作用下，使氮气和氢气发生反应生成合成氨。
该方法具有反应速度快、催化剂使用量少的特点，但合成氨的纯度较低。
3. 氨合成过程：氨合成是一种重要的合成氨方法，其主要步骤包括氮气和氢气的吸附、氢气的解离、氮气和氢气的氧化反应、氮气和氢气的反应等。
三、合成氨工艺流程1. 氢气制备：通过甲烷重整反应或气化反应，将天然气或煤制气产生的合成气转化为氢气。
2. 氮气制备：通过空分设备或压缩空气制氮设备，将空气中的氮气分离出来。
3. 氢气和氮气的混合：将制备好的氢气和氮气按照一定的比例混合。
4. 反应器反应：将混合气体送入反应器中，在催化剂的作用下进行氨合成反应。
5. 分离和纯化：将反应产生的氨气通过冷凝和吸附等分离技术，去除杂质，提高氨的纯度。
6. 储存和运输：将纯净的合成氨储存于气体储罐中，通过管道或压缩瓶等方式进行运输。
四、合成氨工艺的优化和改进1. 催化剂的研发与改进：不断研发新型催化剂，提高反应速率和选择性，降低能耗和催化剂使用量。
2. 反应条件的优化：通过调节反应温度、压力和气体比例等参数，优化反应条件，提高合成氨的产率和纯度。
3. 能源利用的改进：采用新型的能源供应方式，如使用太阳能、风能等可再生能源，减少对传统能源的依赖。
4. 废气处理的改进：对于合成氨生产中产生的废气进行处理，减少对环境的污染。
5. 生产工艺的改进：通过改进工艺流程和设备结构，提高生产效率，降低生产成本。
第三章 无机化工单元 合成氨 合成工段[PPT课件]
![第三章 无机化工单元 合成氨 合成工段[PPT课件]](https://img.taocdn.com/s3/m/fe8788e5d5bbfd0a79567362.png)
பைடு நூலகம்
4、氨合成流程和设备
大型氨厂的流程主要有： ★美国凯洛格 ★丹麦托普索 ★日本NEC ★英国ICI 虽然各公司的合成工艺有差异，但氨合成 反应的特性使各工艺具有许多相同之处：
氨合成是一个循环过程：由于受平衡制约， 氨的合成率不高，大量未反应的N2、H2气 体需循环利用。 基本步骤：氨的合成、氨的分离．新鲜氢 氮气的补入，未反应气体的压缩与循环， 反应热的回收与惰性气体排放。 氨合成工艺流程的设计关键：在于合理组 合上述几个步骤，其中主要是合理确定循 环机、新鲜气补入及惰性气体放空的位置 以及氨分离的冷凝级数和热能的回收方式。
径向多段冷激式合成塔（托普索）
反应气出口
冷副线气体入口
径向多段冷激式合成塔
内部间接连续换热式合成塔
反应气
反应气
合成气入口
并流双套管
近期国内开发的合成氨有关技术
计算机应用技术。 造气生产集散控制系统； 造气炉炉况监测与优化系统； 造气专用集散系统； 合成、变换工段优化控制系统。 低温变换工艺技术。 全低变工艺技术(一氧化碳低温变换技术)； 一氧化碳低硫低温变换工艺技术；
3、反应机理和动力学 合成氨反应是气固相催化反应，经历内外 扩散、吸附解吸、反应等过程。其反应机 理如下： N2+σ-Fe=[σ-Fe]N2 [σ-Fe]N2=2 [σ-Fe]N 2[σ-Fe]N+H2=2[σ-Fe]NH 2[σ-Fe]NH+H2=2[σ-Fe]NH2 2[σ-Fe]NH2+H2=2[σ-Fe]NH3 [σ-Fe]NH3=[σ-Fe]+NH3
●驰放气 由于惰性气体的不断累积，当到一定量时会影 响合成反应，降低合成率和氨的平衡含量。因此， 需定期或连续放空一些循环气。
4、氨合成流程和设备
大型氨厂的流程主要有： ★美国凯洛格 ★丹麦托普索 ★日本NEC ★英国ICI 虽然各公司的合成工艺有差异，但氨合成 反应的特性使各工艺具有许多相同之处：
氨合成是一个循环过程：由于受平衡制约， 氨的合成率不高，大量未反应的N2、H2气 体需循环利用。 基本步骤：氨的合成、氨的分离．新鲜氢 氮气的补入，未反应气体的压缩与循环， 反应热的回收与惰性气体排放。 氨合成工艺流程的设计关键：在于合理组 合上述几个步骤，其中主要是合理确定循 环机、新鲜气补入及惰性气体放空的位置 以及氨分离的冷凝级数和热能的回收方式。
径向多段冷激式合成塔（托普索）
反应气出口
冷副线气体入口
径向多段冷激式合成塔
内部间接连续换热式合成塔
反应气
反应气
合成气入口
并流双套管
近期国内开发的合成氨有关技术
计算机应用技术。 造气生产集散控制系统； 造气炉炉况监测与优化系统； 造气专用集散系统； 合成、变换工段优化控制系统。 低温变换工艺技术。 全低变工艺技术(一氧化碳低温变换技术)； 一氧化碳低硫低温变换工艺技术；
3、反应机理和动力学 合成氨反应是气固相催化反应，经历内外 扩散、吸附解吸、反应等过程。其反应机 理如下： N2+σ-Fe=[σ-Fe]N2 [σ-Fe]N2=2 [σ-Fe]N 2[σ-Fe]N+H2=2[σ-Fe]NH 2[σ-Fe]NH+H2=2[σ-Fe]NH2 2[σ-Fe]NH2+H2=2[σ-Fe]NH3 [σ-Fe]NH3=[σ-Fe]+NH3
●驰放气 由于惰性气体的不断累积，当到一定量时会影 响合成反应，降低合成率和氨的平衡含量。因此， 需定期或连续放空一些循环气。
合成氨第3章粗原料气净化
Ka
aK2 H aK aH2O ( pCO2 H )
• 这是复合平衡常数表达式，式中H为亨利常数。若
实验得出活度系数则平衡上方CO2的分压可求
pCO2
C 2 2 KH KH
CK CH2O K H2O HKa
• 若已知溶液原始浓度和规定K2CO3转化率,则上式 可改为
pCO2
4C
2 K
x
2
(1 x)
图 1.22
• 工艺条件
• 1. 溶液组成 质量浓度 CK2CO3 27-30%
• CDEA 2.5-5% 缓蚀剂 总钒0.5% 消泡剂 几十ppm
• 2. 吸收压力
• 天然气为原料时
2.7-2.8MPa
• 煤焦为原料时
1.8-2.0MPa
• 3. 吸收温度
• 半贫液温度由再生塔中部操作温度决定，一般为110~1 15ºC。
•
• 吸2收NHO2是4O基H于低 价CO铜离2 子存在NH 4 2 CO3 H2O NH 4HCO3
2NH4OH H2S NH 4 2 S 2H2O
2CuNH3 2 AC 2H2S Cu2S 2NH 4 AC NH 4 2 S
4Cu
NH
3
2
AC
4NH4 AC
4 NH 4OH
• 贫液温度由净化气二氧化碳含量要求决定，常为70-80 °C。
• 4. 转化度
• 贫液
0.15-0.25 半贫液 0.35-0.45
5. 再生温度及压力
• 再生温度取决于压力，压力略高于大气压，在此压力 溶液沸点下操作。
• 6. 再生塔顶水气比
水气比大，能耗大，一般为1.8-2.2。
• 一般性问题
化工工艺学_第三章氨的合成
二.化学平衡及平衡常数
1.常压下平衡常数 Kp仅是温度的函数，低温、 有利于Kp的提高。
Kp
p NH 3
0 p N.25 p1.5 H2
1 y NH 3 0 p y N.25 y1.5 H2
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. 高压下Kp值不仅与温度有关，而且与压力和气体组成有关， 用逸度表示：
四、常用工业流程
目前工业上使用的氨合成流程很多。中小合成氨厂广 泛采用中压氨合成流程。大型氨厂典型流程有凯洛格 流程和托普索流程。
1.中压氨合成流程 该流程压力为 32MPa，空速为 20 000～30 000h-1。
2.凯洛格流程流程
流程特点：先循环混合再冷却分离， 冷冻功耗小但循环功耗大。总能耗小。
第四节 工艺条件
合成工艺参数的选择要考虑平衡氨含量，反应速度、催 化剂特性及系统的生产能力、原料和能量消耗等。
一、压力
提高压力利于提高氨的平衡浓度,也利于总反应速率的增加。
选择压力的依据:能耗、原料费、设备投资在内的综合费用。 经分析，总能耗在15～30MPa间相差不大，数值较小；就综 合费而言，压力从10MPa提高到30MPa时,下降40%左右 国内合成氨的压强为20～32MPa的压力。 许多新建的厂采用 15～20 MPa的压力。
实际的热效应还应考虑在给定组成条件下混合热的影响等。
第二节合成氨反应的动力学
1. 反应机理
氨合成为气固相催化反应，氮、氢气在催化剂表面反应过程 的机理，可表示为： a．混合气体向催化剂表面扩散(外 内扩散过程)；
化工工艺学-第三章-合成氨
3）重油部分氧化与烃类蒸气转化的比较
1.相似之处
都会发生以下主要反应: CH4+H2O（g） = CO+3H2 CO +H2O（g）= CO2+H2 注：重油部分氧化过程中应重视析碳反应 • CH4 = C+2H2 2CO =C+CO2 CO+H2 = C+H2O • 析碳的危害： 降低了碳的利用率； 当合成气洗涤不彻底时炭黑将覆盖在变换催化剂表面，使催化剂活性下 降并增大床层阻力。严重时还将污染净化工序的脱硫脱碳溶液，造成脱 碳溶液发泡泛塔。
和水蒸气存在时，氨－空气混合物的爆炸界限较窄。
工厂储存液氨的球罐
二、氨的用途
三、氨的生产方法
氮的固定： AIR中（78%）游离N2→氮的化合物
电弧法： N2 + O2 → 2NO (3000℃,放电 ) NO + 1/2O2 → NO2 NO2 + H2O → HNO3 电石法(氰氨法)： CaO + 3C → CaC2 + CO CaC2 + N2 → CaCN2 + C
• 以天然气为原料的合成氨产量约占22％ • 以煤为原料的合成氨产量约占其总产量的64％ • 以油为原料的合成氨产量约占14％
以 天 然 气 作 为 原 料 的 合 成 氨 流 程 图
蒸汽
焦炭 （无烟煤）
空气
造气
以 煤 作 为 原 料 的 合 成 氨 流 程 图
除尘 脱硫 CO变换 脱二氧化碳 压缩 合成 氨 脱一氧化碳
重油中含C 85~87%；含H 11~13%；此外还含有少量S、 O、N和碳生成的化合物。其虚拟分子式可写作CmHn。
2）反应原理及方程式
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Cn H 2n 2nH 2O nCO2 3nH 2
一、烃类蒸气转化法
• 气态烃的蒸气转化可用甲烷蒸气转化代表 • 主反应： CH4+H2O（g） = CO+3H2-206.29KJ·mol-1
CH4+2H2O（g） = CO2+4H2+41.19KJ·mol-1 主反应是我们所希望的。 CH4+CO2 = 2CO+2H2
应生成以H2和CO为主体的合成气。
•
氢碳比从天然气到烟煤为2:1~0.4:1。
•
因此，甲烷（天然气）最容易转化，而烟
煤最难转化。
3.2.2 原料气的制备
• 一、烃类蒸气转化法 • 二、重油部分氧化法 • 三、固体燃料气化法
一、烃类蒸气转化法
•
天然气及石脑油等轻质烃类是烃类蒸气转化
法中的重要原料。烃类经脱硫后，与水蒸气反应
中国合成氨简介
• 50年代，在恢复与扩建老厂的同时，从苏联 引进了三套年产5万/t的装置；
• 60年代，又从英国引进了一套年产10万/t的 装置，且又在全国建设了一大批小型氨厂；
• 70年代，我国又从西方国家引进多套大型装 置（年产30万/t以上）。
• 80年代后，我国设计的装置开始用于生产. • 90年代后，小型合成氨厂因技术落后、生产
分离器
石脑油-
炭
蒸
汽
水汽
提
塔
德士古冷激工艺流程
油 分 离 器
油和炭
气化炉
废热锅炉
炭黑 捕集器
• 1784年，伯托利确定氨是由氮和氢组成的。 • 19世纪末，在热力学、动力学和催化剂等
领域取得进展后，对合成氨反应的研究有 了新的进展。 • 1901年，法国物理化学家吕·查得利首次提 出氨合成的条件是高温、高压，并有适当 催化剂存在。
四、合成氨工业进展
• 1913年，在德国奥堡建成第一个工业化的合成氨 装置，日产30t。一次大战后，各国都在德国被迫 公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方 法。但氨产量增长缓慢。二战结束后，由于技术 的进步，高速发展。
二、重油部分氧化法
• 3、重油部分氧化与烃类蒸气转化的比较
• （1）相似之处
• 都会发生以下主要反应 • CH4+H2O（g） = CO+3H2-06.29KJ·mol-1 • CH4+2H2O（g） = CO2+4H2+41.19KJ·mol-1
注：重油部分氧化过程中应重视析碳反应
• CH4 = C+2H2 2CO =C+CO2 • 析碳的危害：
• 二段转化炉：为一立式圆筒，壳体材质 是碳钢，内衬耐火材料，炉外有水夹套， 图3-37为凯洛格型二段转化炉。
二、重油部分氧化法
• 重油是石油加工到350℃以上所得的馏 分，若将重油继续减压蒸馏到520℃以上所 得的馏分称为渣油。
• 重油、渣油以及各种深度加工所得残 渣油习惯上统称“重油”，它是以烷烃、 环烷烃及芳香烃为主的混合物。
• 在原料构成方面：由以固体燃料（焦炭，煤等） 为原料转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、 重油）为原料来合成氨。
• 在生产规模上：实现了单系列全盛氨装置的大型 化，现在世界上规模最大的合成氨装置为日产 1800t氨，而50年代以前，只有200t。
• 在能耗上，新工艺的开发，能耗的降低。计算机 的应用实现了自动化操作控制上。
制取合成气，一般工业上采用二段转化法。
• 1、一段转化——烃类原料通过与水蒸气反应生成 H2和CO
• （1）化学反应
• 烷烃：Cn H 2n 2 nH 2O（g） nCO (2n 1)H 2
Cn H 2n 2 2nH 2O（g） nCO2 (3n 1)H 2
• 烯烃：Cn H 2n nH 2O nCO 2nH 2
2800万t/a。
2004年我国产量为4222万吨，居世界第一。
四、合成氨工业进展
• 虽然各种合成氨技术存在一些差异，但 均包含以下三个过程：
• （1）原料气的制备——造气 • （2）原料气的净化——脱除原料气中的含
硫化合物和含碳化合物。 • （3）氨的合成
五、典型合成氨工艺流程
五、典型合成氨工艺流程
（a)顶部烧嘴炉
(b)侧壁烧嘴炉
烧嘴
炉管
（c)梯台炉
上分气管 炉膛
下集气管
冷激式
分气管
上 升 管
集气管
热底式
炉管的形式
集气管
分气管
炉膛
套管式
一、烃类蒸气转化法
• （2）二段转化炉
• 是在1000℃以上高温下把残余的甲烷 进一步转化，是合成氨中温度最高的催化 反应过程。
• 与一段转化不同，在二段转化炉内需 加入空气燃烧一部分转化气（主要是氢） 实现内部给热，同时也解决了氨合成所需 的氨。
二、重油部分氧化法
• 4、重油部分氧化主要工艺流程 • 重油气化工艺流程主要由气化、热能回收
和炭黑清除等部分组成。 • 按照热能回收方式分为：直接回收热
能的激冷流程和间接回收热能的废热锅炉 流程（简称废锅流程）。
氧气
水 重油
预热器
气
化
炉
合成气 水 洗 涤 塔
石脑油
石脑油
分离器
返回到发生器
过程的原料 预热器
CH4+2CO2 = 3CO+H2+H2O CO+H2O = CO2+H2
副反应：在一定条件下还可能发生析碳反应
副反应是我们所不希望的，因
CH4 = C+2H2
为它消耗原料，而且析出的炭 黑又沉积在催化剂表面，使催
2CO = C+CO2
化剂失活和破裂。
CO+H2 = C+H2O
一、烃类蒸气转化法
• （2）催化剂
图3-34 以重油为原料的合成氨流程
3.2.2 原料气的制备
•
合成氨中原料气中的氢氢碳比气：是表由示含某种碳原燃料料与转水
化得到的。
蒸气反应时释放氢比从水中
•
现在工业上采用天然释放气氢（容包易括的程油度田。气）、
炼厂气、焦炉气、石脑油、重油、焦炭和煤生
产合成氨。这些原料均可看做是有不同氢碳比
的烃类或元素构成，他们在高温下与水蒸气反
一、烃类蒸气转化法
• 4、转化炉
• （1）一段转化炉
•
是烃类蒸汽转化的关键设备之一。它由包括
若干根转化管的加热辐射段及回收热量的对流段
两部分组成。
顶部烧嘴炉 （图）
炉型
一段转化炉
侧壁烧嘴炉 （图） 梯台炉 冷激式
按结构 套管式 （图）
炉管
排管式
热底式 单管式
排管式
烧嘴
炉管
炉管 烧嘴
烟道气
烧嘴 炉管 炉管
•
从热力学角度分析，甲烷蒸气转化反应是
体积增大的吸热反应。因此，应该尽可能在高
温、低压和高水碳比（H2O/CH4）条件下进行。 但是，在相当高的温度下反应的速度仍然很慢，
需要催化剂来加快反应。
• 对催化剂的要求：
• A.高活性；
• B.高强度；
• C.较好的热稳定性和抗析碳能力。
一、烃类蒸气转化法
• 液氨或干燥的氨对大部分物质不腐蚀， 在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐 蚀。
• 氨与空气或氧的混合物在一定浓度范 围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨 －空气混合物的爆炸界限较窄。
二、氨的用途
• 氨的主要用途是作为生产硫酸铵、硝 酸铵、氯化铵、碳酸氢铵及尿素等化学肥 料，85％的氨用来制化学肥料。
•
经过还原 后的镍催化剂，在开停车以及
发生操作事故时都有可能被氧化剂氧化。
一、烃类蒸气转化法
• （3）一段转化炉出口气体组成 • 温度：800~900℃ • 压力：2.5~3.5MPa • H2O/CH4比：3.5 • 转化气组成（体积%）： • CH4 10 CO 10 CO2 10 H2 69 N2 1
一、烃类蒸气转化法
• ②镍催化剂的制备与还原
• a制备： ①at有足够的强度，需高温焙烧，为
提高活性，常将催化剂制成环状。
• b还原：工业上常用H2和水蒸汽来还原，T 高 于转化温度即可。
• NiO+H2＝Ni+H2O(g) △H0298=-1026kJ/mol
• 重油中含C 85%~87%；含H 11%~13%； 除此，还含有少量S、O、N和碳生成的化 合物。其虚拟分子式可写作CmHn。
二、重油部分氧化法
• 1、反应原理及方程式
•
重油部分氧化法是在高温下利用氧气或富氧空气
与重油进行反应，一部分重油与氧气完全燃烧生成
C蒸O气2，作同用时生放成出CO大和量H热2，量反；应另是一吸部热分的重，油所与需CO热2量、由水 完全燃烧反应放出的热提供。
• 目前已投入工业生产的主要固氮方法： • 1. 电弧法 2. 氰氨法 3. 合成氨法
氰氨法： CaO 3C 2000o CCaC2 CO
CaC2 N 2 1000o CCaCN2 C CaCN2 3H2O CaCO3 2NH3
四、合成氨工业进展
• 1754年，铺里斯利加热氯化铵和石灰时发 现了氨。
CmHn + (m+n/4)O2＝mCO2 +n/2 H2O+Q CmHn + mCO2＝2mCO +n/2 H2-Q CmHn + mH2O＝mCO +(n/2+m) H2-Q
二、重油部分氧化法
• 2、反应条件 • 反应温度：1200~1370℃ • 反应压力：3.2~8.37MPa • 催化剂：无 • 水蒸气用量：每吨原料加水蒸气400~500kg • 水蒸气的作用： • （1）起气化剂的作用。 • （2）可以缓冲炉温及抑制析碳反应。
一、烃类蒸气转化法
• 气态烃的蒸气转化可用甲烷蒸气转化代表 • 主反应： CH4+H2O（g） = CO+3H2-206.29KJ·mol-1
CH4+2H2O（g） = CO2+4H2+41.19KJ·mol-1 主反应是我们所希望的。 CH4+CO2 = 2CO+2H2
应生成以H2和CO为主体的合成气。
•
氢碳比从天然气到烟煤为2:1~0.4:1。
•
因此，甲烷（天然气）最容易转化，而烟
煤最难转化。
3.2.2 原料气的制备
• 一、烃类蒸气转化法 • 二、重油部分氧化法 • 三、固体燃料气化法
一、烃类蒸气转化法
•
天然气及石脑油等轻质烃类是烃类蒸气转化
法中的重要原料。烃类经脱硫后，与水蒸气反应
中国合成氨简介
• 50年代，在恢复与扩建老厂的同时，从苏联 引进了三套年产5万/t的装置；
• 60年代，又从英国引进了一套年产10万/t的 装置，且又在全国建设了一大批小型氨厂；
• 70年代，我国又从西方国家引进多套大型装 置（年产30万/t以上）。
• 80年代后，我国设计的装置开始用于生产. • 90年代后，小型合成氨厂因技术落后、生产
分离器
石脑油-
炭
蒸
汽
水汽
提
塔
德士古冷激工艺流程
油 分 离 器
油和炭
气化炉
废热锅炉
炭黑 捕集器
• 1784年，伯托利确定氨是由氮和氢组成的。 • 19世纪末，在热力学、动力学和催化剂等
领域取得进展后，对合成氨反应的研究有 了新的进展。 • 1901年，法国物理化学家吕·查得利首次提 出氨合成的条件是高温、高压，并有适当 催化剂存在。
四、合成氨工业进展
• 1913年，在德国奥堡建成第一个工业化的合成氨 装置，日产30t。一次大战后，各国都在德国被迫 公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方 法。但氨产量增长缓慢。二战结束后，由于技术 的进步，高速发展。
二、重油部分氧化法
• 3、重油部分氧化与烃类蒸气转化的比较
• （1）相似之处
• 都会发生以下主要反应 • CH4+H2O（g） = CO+3H2-06.29KJ·mol-1 • CH4+2H2O（g） = CO2+4H2+41.19KJ·mol-1
注：重油部分氧化过程中应重视析碳反应
• CH4 = C+2H2 2CO =C+CO2 • 析碳的危害：
• 二段转化炉：为一立式圆筒，壳体材质 是碳钢，内衬耐火材料，炉外有水夹套， 图3-37为凯洛格型二段转化炉。
二、重油部分氧化法
• 重油是石油加工到350℃以上所得的馏 分，若将重油继续减压蒸馏到520℃以上所 得的馏分称为渣油。
• 重油、渣油以及各种深度加工所得残 渣油习惯上统称“重油”，它是以烷烃、 环烷烃及芳香烃为主的混合物。
• 在原料构成方面：由以固体燃料（焦炭，煤等） 为原料转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、 重油）为原料来合成氨。
• 在生产规模上：实现了单系列全盛氨装置的大型 化，现在世界上规模最大的合成氨装置为日产 1800t氨，而50年代以前，只有200t。
• 在能耗上，新工艺的开发，能耗的降低。计算机 的应用实现了自动化操作控制上。
制取合成气，一般工业上采用二段转化法。
• 1、一段转化——烃类原料通过与水蒸气反应生成 H2和CO
• （1）化学反应
• 烷烃：Cn H 2n 2 nH 2O（g） nCO (2n 1)H 2
Cn H 2n 2 2nH 2O（g） nCO2 (3n 1)H 2
• 烯烃：Cn H 2n nH 2O nCO 2nH 2
2800万t/a。
2004年我国产量为4222万吨，居世界第一。
四、合成氨工业进展
• 虽然各种合成氨技术存在一些差异，但 均包含以下三个过程：
• （1）原料气的制备——造气 • （2）原料气的净化——脱除原料气中的含
硫化合物和含碳化合物。 • （3）氨的合成
五、典型合成氨工艺流程
五、典型合成氨工艺流程
（a)顶部烧嘴炉
(b)侧壁烧嘴炉
烧嘴
炉管
（c)梯台炉
上分气管 炉膛
下集气管
冷激式
分气管
上 升 管
集气管
热底式
炉管的形式
集气管
分气管
炉膛
套管式
一、烃类蒸气转化法
• （2）二段转化炉
• 是在1000℃以上高温下把残余的甲烷 进一步转化，是合成氨中温度最高的催化 反应过程。
• 与一段转化不同，在二段转化炉内需 加入空气燃烧一部分转化气（主要是氢） 实现内部给热，同时也解决了氨合成所需 的氨。
二、重油部分氧化法
• 4、重油部分氧化主要工艺流程 • 重油气化工艺流程主要由气化、热能回收
和炭黑清除等部分组成。 • 按照热能回收方式分为：直接回收热
能的激冷流程和间接回收热能的废热锅炉 流程（简称废锅流程）。
氧气
水 重油
预热器
气
化
炉
合成气 水 洗 涤 塔
石脑油
石脑油
分离器
返回到发生器
过程的原料 预热器
CH4+2CO2 = 3CO+H2+H2O CO+H2O = CO2+H2
副反应：在一定条件下还可能发生析碳反应
副反应是我们所不希望的，因
CH4 = C+2H2
为它消耗原料，而且析出的炭 黑又沉积在催化剂表面，使催
2CO = C+CO2
化剂失活和破裂。
CO+H2 = C+H2O
一、烃类蒸气转化法
• （2）催化剂
图3-34 以重油为原料的合成氨流程
3.2.2 原料气的制备
•
合成氨中原料气中的氢氢碳比气：是表由示含某种碳原燃料料与转水
化得到的。
蒸气反应时释放氢比从水中
•
现在工业上采用天然释放气氢（容包易括的程油度田。气）、
炼厂气、焦炉气、石脑油、重油、焦炭和煤生
产合成氨。这些原料均可看做是有不同氢碳比
的烃类或元素构成，他们在高温下与水蒸气反
一、烃类蒸气转化法
• 4、转化炉
• （1）一段转化炉
•
是烃类蒸汽转化的关键设备之一。它由包括
若干根转化管的加热辐射段及回收热量的对流段
两部分组成。
顶部烧嘴炉 （图）
炉型
一段转化炉
侧壁烧嘴炉 （图） 梯台炉 冷激式
按结构 套管式 （图）
炉管
排管式
热底式 单管式
排管式
烧嘴
炉管
炉管 烧嘴
烟道气
烧嘴 炉管 炉管
•
从热力学角度分析，甲烷蒸气转化反应是
体积增大的吸热反应。因此，应该尽可能在高
温、低压和高水碳比（H2O/CH4）条件下进行。 但是，在相当高的温度下反应的速度仍然很慢，
需要催化剂来加快反应。
• 对催化剂的要求：
• A.高活性；
• B.高强度；
• C.较好的热稳定性和抗析碳能力。
一、烃类蒸气转化法
• 液氨或干燥的氨对大部分物质不腐蚀， 在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐 蚀。
• 氨与空气或氧的混合物在一定浓度范 围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨 －空气混合物的爆炸界限较窄。
二、氨的用途
• 氨的主要用途是作为生产硫酸铵、硝 酸铵、氯化铵、碳酸氢铵及尿素等化学肥 料，85％的氨用来制化学肥料。
•
经过还原 后的镍催化剂，在开停车以及
发生操作事故时都有可能被氧化剂氧化。
一、烃类蒸气转化法
• （3）一段转化炉出口气体组成 • 温度：800~900℃ • 压力：2.5~3.5MPa • H2O/CH4比：3.5 • 转化气组成（体积%）： • CH4 10 CO 10 CO2 10 H2 69 N2 1
一、烃类蒸气转化法
• ②镍催化剂的制备与还原
• a制备： ①at有足够的强度，需高温焙烧，为
提高活性，常将催化剂制成环状。
• b还原：工业上常用H2和水蒸汽来还原，T 高 于转化温度即可。
• NiO+H2＝Ni+H2O(g) △H0298=-1026kJ/mol
• 重油中含C 85%~87%；含H 11%~13%； 除此，还含有少量S、O、N和碳生成的化 合物。其虚拟分子式可写作CmHn。
二、重油部分氧化法
• 1、反应原理及方程式
•
重油部分氧化法是在高温下利用氧气或富氧空气
与重油进行反应，一部分重油与氧气完全燃烧生成
C蒸O气2，作同用时生放成出CO大和量H热2，量反；应另是一吸部热分的重，油所与需CO热2量、由水 完全燃烧反应放出的热提供。
• 目前已投入工业生产的主要固氮方法： • 1. 电弧法 2. 氰氨法 3. 合成氨法
氰氨法： CaO 3C 2000o CCaC2 CO
CaC2 N 2 1000o CCaCN2 C CaCN2 3H2O CaCO3 2NH3
四、合成氨工业进展
• 1754年，铺里斯利加热氯化铵和石灰时发 现了氨。
CmHn + (m+n/4)O2＝mCO2 +n/2 H2O+Q CmHn + mCO2＝2mCO +n/2 H2-Q CmHn + mH2O＝mCO +(n/2+m) H2-Q
二、重油部分氧化法
• 2、反应条件 • 反应温度：1200~1370℃ • 反应压力：3.2~8.37MPa • 催化剂：无 • 水蒸气用量：每吨原料加水蒸气400~500kg • 水蒸气的作用： • （1）起气化剂的作用。 • （2）可以缓冲炉温及抑制析碳反应。