合成氨工艺学
化学工艺学第2章合成氨
1
第2章 合成氨
• 2.1 概述
1、氨的性质：
物理性质：冰点-77.7℃，汽化热大，所以 可作为冷冻剂使用。有刺激性气味。 化学性质：较活泼，可制化肥、硝酸等。 氨的用途：生产化肥（固氮）、生产硝酸、纯碱、 含氮无机盐、化纤、塑料。
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2章 合成氨
• 2.1 概述
2、合成氨的原料 原料：（包括提供H2的原料和燃料） 固体原料：焦碳、煤 气体原料：天然气、重油、焦炉气等 液体原料：石脑油、重油、原油等 常用的原料有：焦碳、煤、天然气、重油
6
第2章 合成氨
• 2.2 原料气的制取
煤气的类型： 空气煤气：H2：0.9%，CO：33.4%、N2：64.6% 水煤气：H2：50%，CO：37.3%、N2：5.5% 半水煤气：H2：37%，CO：33.3%、N2：22.4% （接近H2：N2=3.2:1） 半水煤气可采取分阶段制得空气煤气及水煤气， 然后将两者按一定比例混合而成。
钴钼加氢 反应器
排风机
天然气蒸气转化工艺流程图
28
第2章 合成氨
• 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式 一段转化：
采用管子炉，3~4MPa下，在多根耐热合金钢管 内填放催化剂，侧壁（或顶部）设有多个烧嘴，燃烧 天然气，产生高温。炉膛温度：1000℃，管子内温 度：750~800℃。 进入一段的原料气：3~4MPa，H2O/CH4=3.5， 500~520℃； 出一段的转化气：850~860℃
CO2+N2
CO+N2
空气
9
第2章 合成氨
第二阶段（一次上吹）： 水蒸气从下往上，一次地吹过炽热的C层，产生水煤 气送往气柜，炭层的温度上移，温度下降。
合成氨的工艺流程
合成氨的工艺流程1. 空气分离：首先，空气中的氮气和氧气需要被分离。
这可以通过空气压缩和冷却，然后用分子筛或液化分离技术将氮气和氧气分离出来。
2. 氮气制备：通过空气分离得到的氮气需要被进一步提纯。
这可以通过低温分馏或其他技术将氮气提纯到适当的纯度。
3. 氢气制备：氢气可以通过天然气蒸汽重整反应或者电解水得到。
4. 催化剂制备：制备出合成氨反应所需的催化剂，通常是以铁为主要成分的铁钼镍催化剂。
5. 合成氨反应：将氮气和氢气在高压高温的条件下通过催化剂进行反应，生成合成氨。
6. 分离纯化：将合成氨经过冷却和减压，然后通过吸收剂、冷却和压缩等工艺步骤来分离纯化合成氨。
7. 储存和运输：将合成氨储存于合适的储罐中，并通过管道或其他运输方式将其运输到需要的地点。
以上就是合成氨的工艺流程，通过这个工艺流程可以高效地制备出高纯度的合成氨，供给各种化工生产需要。
合成氨的工艺流程是一个复杂而精细的过程，其中的每一步都需要严格控制，以确保产出的合成氨的纯度和质量能够满足工业需求。
在合成氨的工艺中，采用了一系列先进的化工技术和设备，以下将进一步细说合成氨的工艺流程过程。
8. 催化剂再生：在合成氨反应中使用的催化剂需要不断地被再生。
随着反应进行，催化剂表面会积聚一定量的杂质物质，从而影响催化剂的活性和选择性。
因此，通过热气流或蒸汽来清洁催化剂表面，以恢复催化剂的活性和选择性。
9. 热力学控制：合成氨的反应是放热反应，因此需保持适宜的温度。
以确保反应不至于过热，影响产品的选择性及催化剂的稳定性。
使用适当的冷却系统来维持反应温度，是非常关键的。
10. 蒸汽重整制氢：氢气是合成氨反应的一种重要原料。
而氢气通常是通过天然气蒸汽重整反应得到的。
在这个过程中，通过加热天然气并与水蒸气反应，生成氢气和二氧化碳。
11. 压缩系统：由于合成氨反应需要高压，所以需要使用高效的压缩系统，来将氮气和氢气压缩至合适的反应压力。
一般情况下，合成氨反应的压力约为100至200大气压。
合成氨的生产工艺流程
合成氨的生产工艺流程合成氨是一种重要的化工原料，广泛应用于农药、肥料、塑料等行业。
合成氨的制备是一项复杂的过程，涉及到多个化学反应和工艺步骤。
本文将介绍合成氨的生产工艺流程，并逐步解析其中的关键步骤和反应。
1. 原料准备1.1 天然气处理在合成氨的生产中，最常用的原料是天然气。
天然气中主要含有甲烷，须进行处理以消除其中的杂质。
天然气处理的关键步骤包括脱除硫化物、脱除中烃和脱除水蒸气等。
其中，脱除硫化物通常采用吸收剂法，通过与氢气反应将硫化氢转化为硫，从而降低硫化物的含量。
1.2 空气压缩合成氨的制备过程中需要大量的氢气和氮气。
氮气可通过空气经过压缩和分离获得。
这一步骤主要是将空气压缩至一定压力，然后通过分离装置将其中的氧气和氩气分离出来，得到纯净的氮气。
1.3 氢气制备氢气是合成氨的重要原料，可通过水蒸气重整和空气分离等方法制备。
水蒸气重整是指将甲烷与水蒸气反应产生氢气和一氧化碳的过程。
空气分离则是利用空气中氧气和氮气的不同沸点进行分离，得到纯净的氢气。
2. 氨合成2.1 催化剂制备氨的合成反应需要使用特定的催化剂，最常用的催化剂是铁-铝催化剂。
铁-铝催化剂制备方法主要包括混合沉积法和干法混合沉积法等。
混合沉积法是将铁盐和铝盐混合溶解后沉积得到催化剂，干法混合沉积法则是将铁盐和铝盐直接混合后进行焙烧得到。
2.2 反应器设计合成氨的反应器可采用固定床反应器或流化床反应器。
固定床反应器是将催化剂填充在反应器中，通过氢气和氮气的通入进行反应。
流化床反应器则是将催化剂悬浮在气流中，通过流化床底部的分配装置和氢气、氮气的通入进行反应。
2.3 反应条件合成氨的合成反应需要在一定的温度、压力和催化剂的存在下进行。
通常情况下，合成氨反应的温度约为350-450°C，压力约为200-300atm。
此外，还需要在反应器中加入适量的惰性气体（如氦气）以稀释氢气和氮气，以减少反应的热量和危险性。
2.4 反应过程合成氨的合成反应是一个多步骤的复杂过程。
化学工艺学案例库
化学工艺学案例库一、合成氨工艺。
1. 工艺背景与目的。
你知道吗？在以前，农业发展可愁坏了大家，因为土壤里的氮元素不够呀。
这时候合成氨工艺就闪亮登场啦。
这个工艺就是要把空气中取之不尽的氮气，和氢气反应，生成氨气。
氨气可不得了，它是制造化肥的关键原料，有了它，农作物就能茁壮成长，就像给植物吃了超级营养餐。
2. 主要反应与原理。
反应式是N₂ + 3H₂⇌2NH₃。
这个反应可不容易呢，它是一个可逆反应。
就像两个人在拔河，氮气和氢气在一头，氨气在另一头，得想办法让这个平衡朝着生成氨气的方向移动。
通常会在高温（400 500°C）、高压（10 30MPa）的条件下，再加上铁触媒做催化剂，来促进这个反应。
3. 工艺流程简述。
首先呢，得把原料准备好。
氢气的来源有很多，比如可以从水煤气变换反应得到。
氮气就直接从空气中分离出来，空气里氮气占了大概78%呢。
然后把氢气和氮气按照一定的比例混合，送进合成塔。
在合成塔里，在高温高压和催化剂的作用下，它们就开始反应啦。
但是反应不会一次就完全进行，生成的氨气会被分离出来，没反应完的氢气和氮气再循环回去继续反应，就像工人在流水线上，没做好的产品重新加工一样。
4. 实际应用与意义。
合成氨工艺简直就是农业的大救星。
有了大量的氨气，就能生产出各种各样的氮肥，像尿素、碳酸氢铵等。
这些化肥让粮食产量大幅提高，养活了世界上好多好多人。
而且氨还可以用来制造硝酸等化工产品，在工业上也是相当重要的。
二、石油炼制工艺。
1. 工艺背景与目的。
石油就像一个大宝藏，里面有各种各样有用的东西。
但是刚从地下开采出来的石油可不能直接用哦。
石油炼制工艺就是要把这个黑乎乎、黏糊糊的石油变成我们日常生活中能用得上的东西，比如汽油、柴油、煤油、润滑油等。
2. 主要反应与原理。
石油炼制里有好多反应呢。
比如说分馏，这就像把不同大小的珠子分开一样。
石油是由各种碳氢化合物组成的混合物，根据它们沸点的不同，可以在分馏塔里把它们分开。
合成氨工艺的实训报告
一、实训目的1. 熟悉合成氨工艺流程及设备结构；2. 掌握合成氨生产过程中的操作技能；3. 了解合成氨生产过程中的安全注意事项；4. 培养团队合作精神，提高实际操作能力。
二、实训内容1. 合成氨工艺流程简介合成氨工艺是将氮气和氢气在高温、高压、催化剂作用下合成氨的过程。
其基本流程如下：（1）原料气预处理：将空气和天然气进行分离，得到氮气和氢气；（2）变换反应：将氮气和氢气在变换炉中与水蒸气反应，生成中压变换气；（3）压缩：将中压变换气压缩至高压；（4）合成反应：将高压变换气在合成塔中与催化剂反应，生成氨；（5）冷凝分离：将合成气冷却，使氨冷凝分离出来；（6）净化：将氨气进行净化处理，去除杂质；（7）储存：将净化后的氨气储存。
2. 实训设备（1）原料气预处理系统：包括空气分离装置、天然气分离装置等；（2）变换反应系统：包括变换炉、变换催化剂等；（3）压缩系统：包括压缩机、冷却器等；（4）合成反应系统：包括合成塔、合成催化剂等；（5）冷凝分离系统：包括冷凝器、分离器等；（6）净化系统：包括氨吸收塔、氨液分离器等；（7）储存系统：包括氨罐、管道等。
3. 实训操作（1）原料气预处理：观察空气分离装置、天然气分离装置的工作状态，了解其工作原理；（2）变换反应：观察变换炉、变换催化剂的工作状态，了解变换反应过程；（3）压缩：观察压缩机、冷却器的工作状态，了解压缩过程；（4）合成反应：观察合成塔、合成催化剂的工作状态，了解合成反应过程；（5）冷凝分离：观察冷凝器、分离器的工作状态，了解冷凝分离过程；（6）净化：观察氨吸收塔、氨液分离器的工作状态，了解净化过程；（7）储存：观察氨罐、管道的工作状态，了解储存过程。
4. 实训安全注意事项（1）严格遵守操作规程，确保操作安全；（2）佩戴好劳动保护用品，如安全帽、防尘口罩、防护眼镜等；（3）注意设备运行状态，发现问题及时上报；（4）保持现场清洁，防止事故发生；（5）注意个人卫生，防止职业病。
合成氨各工序工艺详细流程
合成氨各工序工艺详细流程合成氨是一种重要的化工原料，广泛用于合成各类农药、肥料、化学品等。
下面将详细介绍合成氨的工序和流程。
合成氨的工艺主要分为三个步骤：气体净化、气体压缩和反应制氨。
1.气体净化：合成氨的原料气体主要有空气和甲烷。
在进入反应装置之前，需要进行气体净化处理。
空气首先经过过滤装置去除微小杂质、灰尘和固体颗粒物。
然后通过制冷装置降低气体温度，使其中的水蒸气凝结成液体，然后被排放。
甲烷通过碳分子筛吸附去除杂质。
这样可以保证反应装置中气体的纯度和稳定性。
2.气体压缩：经过气体净化后的空气和甲烷被分别压缩到一定压力，以满足反应器中的需求。
通常使用压缩机进行压缩，然后将压缩后的气体分别输送到反应器中。
3.反应制氨：反应制氨是整个过程的关键步骤。
通常采用哈柏法（Haber-Bosch）来实现反应制氨。
反应器中，高温高压的空气与甲烷的混合气体通过催化剂床进行催化反应。
常用的催化剂是铁与铁-铝的混合物，也可以加入少量的钾、镁等元素。
反应是一个放热反应，反应温度一般在380-550°C 之间，压力一般在1.7-3.5 MPa之间。
催化剂的存在可以提高反应速率，但也会增加反应的等离子体强度，导致了碳催化剂和蒸汽的选择性降低，产生非氮气杂质。
反应过程中，氮气与氢气进行反应生成氨气。
原料气体经过催化剂床后，反应转化率不高，需要多次通过催化剂床进行反应。
一般采用多级反应器和中间冷却装置，提高氨气的产率和纯度。
经过多级反应后，氨气还需要进行冷却和净化处理，以达到合成氨的纯度要求。
以上是合成氨的工序和流程的详细介绍。
合成氨的过程需要进行气体净化、气体压缩和催化反应制氨。
这个过程需要确保原料气体的纯度和稳定性，通过压缩提高原料气体的压力，催化剂的存在可以提高反应速率和转化率。
经过多级反应，最终得到高纯度的合成氨。
合成氨工艺的不断优化和改进，可以提高合成氨的生产效率和氨气的纯度，降低生产成本。
合成氨工艺
合成氨工艺————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：合成氨工艺流程(1)原料气制备将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。
对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。
(2)净化对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。
①一氧化碳变换过程在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%~40%。
合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。
变换反应如下：CO+H2OH→2+CO2 =-41.2kJ/mol 0298HΔ由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。
第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。
因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。
②脱硫脱碳过程各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。
工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。
粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。
CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。
因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。
一般采用溶液吸收法脱除CO2。
化工工艺学第1章合成氨9130
• 0.50
0.000025 0.0008 0.009
• 10
0.00055 0.018 0.20
• 20
0.005 0.16 1.80
• 实际上天然气等原料中水蒸气含量很低，所以即使温度在 400°C也可满足S含量＜0.1×10-6的要求。 200°C含水20％时， S＜0.005×10-6，因此氧化锌也用在变换工序作变换催化剂的 保护剂。
673 773 873 973 1073
使与一段的H2反应产生高温，
温度/°C
保证二段中转化较为完全。
图 1.6
• 2. 工艺条件
• 压力 通常为3~4MPa
• 采用加压条件的主要原因：
• 降低能耗
能量合理利用
• 提高余热利用价值
全厂流程统筹
• 减少设备体积降低投资 综合经济效益
• 温度
• 一段炉温度 主要考虑投资费用及设备寿命， 一般选择760~800°C
• 平衡常数 • 两个制气反应的平衡常数为
K
0 p1
pCO
p3 H2
p p CH4 H2O p0
2
(1.2.1)
•
K
0 p2
p p CO2 H2 pCO pH2O
(1.2.2)
• 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
3. Na2CO3 +H2S =NaHS+NaHCO3 然后再与偏钒酸钠反应
反 应 速 率
催化剂粒度
催 化 剂 内 表 面 利 用 率
催化剂粒度
• 1.2.3 过程析碳处理
• 碳黑生成后主要有以下几点不利：堵塞反应管道 增大压降、使局部区域高温损坏催化剂、增大反 应阻力。从热力学分析，几个析碳反应
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。
合成氨工艺培训
合成氨工艺培训合成氨是一种重要的化工原料，被广泛应用于化肥、塑料、颜料等领域。
为了提高生产效率和质量，合成氨工艺已经得到了不断的改进和优化。
下面将对合成氨工艺进行培训。
1. 合成氨的基本原理合成氨工艺的基本原理是通过合成气的反应生成氨气。
合成气是指由一定比例的氮气和氢气组成的混合气体。
在高温和压力下，氮气与氢气在催化剂的作用下发生反应，生成氨气。
2. 合成氨的工艺流程合成氨的工艺流程主要包括气体净化、催化反应、氨气冷却和分离等步骤。
首先，合成气中的杂质需要通过气体净化系统进行去除，以确保催化剂的稳定性和反应的高效性。
然后，在催化剂的催化下，氮气和氢气进行反应生成氨气。
接下来，氨气需要通过冷却系统进行降温，以便于后续的分离操作。
最后，通过分离器将氨气和未反应的氮气、氢气进行分离，得到纯净的合成氨。
3. 合成氨的催化剂催化剂在合成氨工艺中起着至关重要的作用。
常用的合成氨催化剂有铁、钼、钛等金属的化合物。
催化剂的选择和使用对合成氨的产率、选择性和催化活性有重要影响。
因此，在工艺培训中需要对催化剂的性能和使用注意事项进行详细讲解。
4. 合成氨的优化措施为了提高合成氨的生产效率和质量，可以采取一系列优化措施。
例如，在气体净化环节，可以优化催化剂的配置和操作条件，提高杂质的去除效率；在催化反应中，可以调整反应温度和压力，以提高氨气产率；在氨气冷却和分离过程中，可以优化冷却系统和分离器的设计，提高氨气的纯度和回收率。
通过以上培训内容，学员可以全面了解合成氨工艺的基本原理、工艺流程、催化剂选择和优化措施等方面的知识。
这将为生产实践提供理论指导，帮助提高合成氨生产的效率和质量。
5. 合成氨工艺的安全性和环保性在合成氨工艺中，安全性和环保性是非常重要的考虑因素。
合成氨工艺涉及高温和高压的反应条件，需要严格控制工艺参数和操作过程，以确保生产安全。
培训中可以介绍合成氨工艺的安全操作规范、应急措施以及对环境的影响评估。
6. 合成氨工艺的自动化控制为了提高生产的稳定性和控制精度，自动化控制在合成氨工艺中得到了广泛应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
合成氨工艺学以氨的合成为重点，阐述合成原理，并对一些合成塔、合成流程进行分析对比，然后对现代合成氨工厂的一些问题如原料路线、大型化、综合利用等，着重从技术经济的角度作一些分析。
§13－1 概述13－1.1 合成氨工业的重要性合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，有十分广泛的用途。
氨可生产多种氮肥,如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；还可生产多种复合肥，如磷铵复合肥等。
氨也是重要的工业原料。
基本化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮无机盐；有机工业各种中间体，制药中磺胺药物，高分子中聚纤维、氨基塑料、丁腈橡胶、冷却剂等。
国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等13－1.2 合成氨工业发展简介1784年，有学者证明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·查得利提出氨合成的条件是高温、高压，并有适当催化剂存在。
1909年，德国人哈伯以锇为催化剂在17～20MPa和500～600℃温度下进行了合成氨研究，得到6％的氨。
1910年成功地建立了能生产80gh-1氨的试验装置。
1911年米塔希研究成功以铁为活性组分的合成催化剂，铁基催化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得。
合成氨的生产需要高纯氢气和氮气。
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。
现在工业上采用天然气、炼厂气，石脑油、焦炉气、重油、焦炭和煤生产合成氨。
其在高温下与水蒸汽的作用，制取粗原料气，都可用下式：CnHm+nH2O(g)=nCO+(n+m/2)H2或C+H2O=CO+H213－1.3 合成氨的原则流程合成氨生产的原则流程如图示。
在这个原则流程中，由于氨合成这一步最为困难，工艺条件要求也最严格，所以是主要化学反应过程，应该首先进行优化。
原料气的生产和净化过程是氨合成的前置过程，它的优化必须以满足氨合成的要求为前提；氨的分离和循环气返回合成塔既是氨合成的后继过程也是氨合成的前置过程。
因此氨的合成和分离必须结合在一起统筹考虑。
§13－2 氨合成的热力学基础从化学工艺的角度看其核心是反应过程工艺条件的确定，而确定反应的最佳工艺条件，需先从事反应热力学和动力学的研究。
13－2.1 氨合成反应与反应热氢气和氮气合成氨是放热，体积缩小的可逆反应，反应式如下：0.5N2＋1.5H2==NH3ΔH?298=－46.22 kJ·mol-1其反应热不仅与温度有关，还与压力和组成有关。
氨合成反应的热效应表见教材（P143）13－2.2 氨合成反应的平衡常数应用化学平衡移动原理可知，低温、高压操作有利于氨的生成。
但是温度和压力对合成氨的平衡产生影响的程度，需通过反应的化学平衡研究确定。
其平衡常数为：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。
高压下化学平衡常数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：式中: f,γ分别为各平衡组分的逸度和逸度系数.13－2.3 影响平衡时氨浓度的因素若总压为P的混合气体中含有N2, H2, NH3和惰性气体的的摩尔分数分别为yN2,yH2, yNH3和yi其关系为yN2+yH2+yNH3+yi=1.令原始氢氮比R= yH2/ yN2, 则各组分的平衡分压为所以所以整理的此式可分析影响平衡氨含量的诸因素:a．压力和温度的影响：温度越低，压力越高，平衡常数Kp越大，平衡氨含量越高。
b．氢氮比的影响当温度、压力及惰性组分含量一定时，使yNH3为最大的条件为若不考虑R对Kp的影响，解得R=3时，yNH3为最大值；高压下，气体偏离理想状态，Kp将随R而变，所以具有最大yNH3时的R略小于3，约在2.68～2.90之间。
c.惰性气体的影响惰性组分的存在，降低了氢、氮气的有效分压，会使平衡氨含量降低。
§13－3 氨合成动力学13－3.1 氨合成催化剂以铁为主的催化剂(铁系催化剂)有催化活性高、寿命长、活性温度范围大、价廉易得等特点，广泛地被国内外合成氨厂家采用。
催化剂的活性成分是金属铁，而不是铁氧化物。
使用前用氢氮混合气对催化剂还原，使铁氧化物还原为具有较高活性的a型纯铁。
还原反应方程式为：FeO·Fe2O3＋4H2==3Fe＋4H2OA12O3在催化剂中能起到保持原结构骨架作用，从而防止活性铁的微晶长大，增加了催化剂的表面积，提高了活性。
CaO起助熔剂作用。
K2O的加入可促使催化剂的金属电子逸出功降低。
MgO除具有与Al2O3相同作用外，其主要作用是抗硫化物中毒的能力，从而延长催化剂的使用寿命。
少量CO、CO2、H2O等含氧杂质的存在将使铁被氧化，而失去活性。
但当氧化性物质清除后，活性仍可恢复，故称之为暂时中毒。
硫、磷、砷等杂质引起的中毒是不可恢复的，称作永久性中毒。
13－3.2 氨合成反应动力学过程氨合成为气固相催化反应，它的宏观动力学过程包括以下几个步骤。
a．混合气体向催化剂表面扩散(外,内扩散过程)；b．氢,氮气在催化剂表面被吸附，吸附的氮和氢发生反应，生成的氨从催化剂表面解吸(表面反应过程)；c. 氨从催化剂表面向气体主流体扩散(内,外扩散过程)氮、氢气在催化剂表面反应过程的机理，可表示为：N2(g)+Cate —→2N(Cate)H2(g)+Cate —→2H(Cate)N(Cate) + H(Cate) —→NH(Cate)NH(Cate) + H(Cate) —→NH2(Cate)NH2(Cate) + H(Cate) —→NH3(Cate)NH3(Cate)—→NH3(g)+ (Cate)实验结果证明，N2活性吸附是最慢的一步，即为表面反应过程的控制步骤。
对整个气固相催化反应过程，是表面反应控制还是扩散控制，取决于实际操作条件。
低温时可能是动力学控制，高温时可能是内扩散控制；大颗粒的催化剂内扩散路径长，小颗粒的路径短，所以在同样温度下大颗粒可能是内扩散控制，小颗粒可能是化学动力学控制。
当内扩散控制时，动力学方程为rNH3=kP式中rNH3为反应速率,k为扩散系数,p为反应物的总压。
当化学动力学控制时，在接近平衡时：式中rNH3——氨合成反应的净速率：k1，k2——正、逆反应速率常数；pN2, pH2, pNH3——N2, H2, NH3的分压.a为常数，与催化剂性质及反应条件有关，由实验测定。
通常0＜a＜l，对以铁为主的氨合成催化剂a=0.5，故反应达到平衡时,r=0,则整理得上式关联了k1,k2及Kp间的关系。
§13－4 氨的合成与分离13－4.1 氨合成工艺条件的优化合成工艺参数的选择除了考虑平衡氨含量外，还要综合考虑反应速度、催化剂特性及系统的生产能力、原料和能量消耗等。
1、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。
高压法动力消耗大，对设备材料和加工制造要求高。
生产上选择压力的依据是能耗及包括能耗、原料费、设备投资、技术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30MPa左右是氨合成的适宜压力。
从节省能源的观点出发，合成氨的压强应为15～20 M Pa的压力。
2、温度温度过高，会使催化剂过早失活。
塔内温度应维持在催化剂的活性温度范围(400～5 20℃)内。
氨的合成反应存在一个使反应速度最大的温度，即最适宜反应温度，它除与催化剂活性有关外，还取决于反应气体组成和压力。
最适宜反应温度与平衡反应温度之间存在确定的关系。
随着反应的进行，温度逐渐升高，当接近最适宜温度后，再采取冷却措施。
3、空间速度空间速度指单位时间内通过单位体积催化剂的气体量(标准状态下的体积)。
单位h-1，简称空速。
空速越大，反应时间越短，转化率越小，出塔气中氨含量降低。
增大空速，催化剂床层中平衡氨浓度与混合气体中实际氨含量的差值增大，即推动力增大，反应速率增加；同时，增大空速混合气体处理量提高、生产能力增大。
采用中压法合成氨，空间速度为20 000～30 000 h-1较适宜。
4、氢氮比动力学指出，氮的活性吸附是控制阶段，适当增加原料气中氮含量利于提高反应速率。
为达到高的出口氨浓度、生产稳定的目的，循环气氢氮比略低于3(取2.8--2.9)，新鲜原料气中的氢氮比取3：1。
5、惰性气体含量惰性气体在新鲜原料气中一般很低，只是在循环过程中逐渐积累增多，使平衡氨含量下降、反应速度降低。
生产中采取放掉一部分循环气的办法。
放掉的气体称为驰放气。
另行处理以回收氨和其它有用的气体。
理论上是惰性气体越少越好，但实际上这是不现实的。
要确定一个合理的惰性气体含量范围，还需大量计算，综合各种操作因素作图比较分析得出。
以增产为主要目标，惰气含量，约为10%—14%，若以降低原料成本为主，约为16%～20%。
6、催化剂的粒径催化剂的粒径也必须优化，优化过程涉及的因素很多且难以定量描述，所以优化条件只能通过实验来确定。
在反应初期粒径小，反应后期粒径大。
13－4.2 氨的分离除了在需要氨水的地方，要用水吸收法来得到一些浓氨水外，一般都用冷凝法来分离氨。
冷却分离过程是一个能耗较大的过程，较高温度时可用水冷，冷至较低温度一般用氨冷。
就是用液氨作冷源，经过较复杂的冷冻流程将工艺气中的氨冷凝分离出来。
分离氨之后的气体含有少量氨，同时还含有H2，要送循环系统再入合成塔循环反应。
为了维持系统浓度稳定，惰性气体浓度不至累积过高，只有少量气体被引出作进一步处理。
现在一般都要将里面所含H2分离出来循环利用，不再是简单地用作燃料。
液氨冷冻系统的传热温差一般都较小，所以流程复杂。
这是热力学上功的损失因素所决定了的。
进合成氨塔气体中的氨由循环气带入，其数量决定于氨分离的条件。
温度越低，分离效果越好。
合理的氨含量应由增产与能耗之间的经济效益来定。
在30 MPa左右，进口氨含量控制在 3.2%～3.8%；15 MPa时为 2.8%～3%。
13－4.3 合成塔合成塔必须保证原料气在最佳条件下进行反应。
氨合成是在高温、高压下进行，氢、氮对碳钢有明显的腐蚀作用。
将塔设计成外筒和内件两部分。
外筒一般做成圆筒形，可用普通低合金钢或优质碳钢制造,气体的进出口设在塔的上、下两端顶盖上。
外筒只承受高压而不承受高温。
塔内件由热交换器、分气盒和催化剂筐三部分构成。
热交换器供进入气体与反应后气体换热；分气盒起分气和集气作用；催化剂筐内放置催化剂、冷却管、电热器和测温仪器。
冷却管的作用迅速移去反应热。
按从催化剂床层移热的方式不同，合成塔分连续换热式、多段间接换热式和多段冷激式三种。
1、多段冷激式冷激式氨合成塔有轴向冷激和径向冷激之分。
大型氨厂多用立式轴向四段冷激式氨合塔(凯洛格型)。