合成氨工艺概述课件
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化学工艺学第2章合成氨
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。
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。
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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。
化学工艺学课件-合成氨
n 1 2
CnH2n+2+
H2O=
3 4
n 1 4
3n 1 CH4+ 4
CO2
CnH2n+
n 2
H2O=
CH4+
n 4
CO2
14
烃类稳定性
比较ΔGf , CH4 最稳定
生成的甲烷与水蒸气进行转化反应：
CH4＋H2O CH4＋2H2O CO＋H2O CO2＋CH4 CO＋3H2 CO2＋4H2 CO2＋H2 2CO＋2H2
湿基浓度
1 x 1 m 2x
CO2 H2
H2O
y 3x+y
m-x-y 1+3x+y 1+m+2x
m x y 1 m 2x
干 湿
100% 100%
注意：干湿基
20
Kp1
Kp2
3 pCO pH 2
pCH 4 pH 2O
pCO2 pH 2 pCO pH 2O
( x y )( 3 x y ) 3 p / p 2 ( ) (1 x)( m x y ) 1 m 2 x
CH4 =
CO2＋H2
C＋2H2
17
甲烷蒸汽转化反应理论基础
1 热力学分析
CH4＋H2O = CO＋3H2 CO＋H2O = CO2＋H2
Kp1
3 pCO pH 2
pCH 4 pH 2O p
2
Kp 2
pCO2 p H 2 pCO p H 2O
Kp1 exp(27464/ T 30.707) Kp2 exp(45778 / T 4.33)....... 873K . T Kp2 exp(408402 / T 3.765).... 873K . T
CnH2n+2+
H2O=
3 4
n 1 4
3n 1 CH4+ 4
CO2
CnH2n+
n 2
H2O=
CH4+
n 4
CO2
14
烃类稳定性
比较ΔGf , CH4 最稳定
生成的甲烷与水蒸气进行转化反应：
CH4＋H2O CH4＋2H2O CO＋H2O CO2＋CH4 CO＋3H2 CO2＋4H2 CO2＋H2 2CO＋2H2
湿基浓度
1 x 1 m 2x
CO2 H2
H2O
y 3x+y
m-x-y 1+3x+y 1+m+2x
m x y 1 m 2x
干 湿
100% 100%
注意：干湿基
20
Kp1
Kp2
3 pCO pH 2
pCH 4 pH 2O
pCO2 pH 2 pCO pH 2O
( x y )( 3 x y ) 3 p / p 2 ( ) (1 x)( m x y ) 1 m 2 x
CH4 =
CO2＋H2
C＋2H2
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甲烷蒸汽转化反应理论基础
1 热力学分析
CH4＋H2O = CO＋3H2 CO＋H2O = CO2＋H2
Kp1
3 pCO pH 2
pCH 4 pH 2O p
2
Kp 2
pCO2 p H 2 pCO p H 2O
Kp1 exp(27464/ T 30.707) Kp2 exp(45778 / T 4.33)....... 873K . T Kp2 exp(408402 / T 3.765).... 873K . T
合成氨工艺的发展历史PPT课件
空速24000(1/h)、R=2.5出口氨浓度最大 采取的方法：新鲜原料气比为3，混合后的循环气在合 成塔入口的比约为2.8。 5、进塔气中的惰性气体含量：一般≤2% 6、催化剂颗粒：反应初期：温度440~470度粒径
0.6~3.7mm;反应后期：温度420~440度粒径 8~16mm
二、氨的分离
三、变换 1、化学反应与平衡转化率
变换的目的将一氧化碳变成氢。
CO H2O CO2 H2
2、工艺条件的优化 (1)、催化剂：
铜催化剂：氧化铜、氧化锌、氧化铝烧结用氢还原 活性温度为180-250度，为低变催化剂。 铁铬催化剂：氧化铁、氧化铬，活性温度为350-450 度，为中变催化剂。 (2)、原料气组成： 使水蒸气过量，提高转化率。 200度时，CO与H2O体积比由1：1提高到1：6时转 化率由93.8%提高到99.9%。
3、甲烷化： 除去热钾减法处理后气体中的一氧化碳、二氧化碳 和氧气。 “甲烷化”为广泛使用的初步净化方法。
CO 3H2 CH4 H2O 206kJ mol 1 CO2 4H2 CH4 2H2O 165kJ mol 1
镍做催化剂，在280-380度的条件下进行。 反应为简单绝热反应器。 甲烷化处理后的气体中一氧化碳、二氧化碳、水等总 量在10毫克每立方米以下。
造气与送风的五个阶段 间歇操作： 第一阶段为送风发热， 后四个阶段为造气。 1、空气吹风： 送风发热、提高炉温
2、上吹造气： 将水蒸气和炉气 从炉底吹入生产 半水煤气经废热 锅炉、洗涤塔送 至气柜。
3、下吹造气： 上吹后炉底温度降 低，炉顶温度尚 高，改为下吹造 气。先从炉顶向下 吹几秒水蒸气，防 止直接吹空气与煤 气相遇爆炸。得半 水煤气经废热锅 炉、洗涤塔送至气 柜。
0.6~3.7mm;反应后期：温度420~440度粒径 8~16mm
二、氨的分离
三、变换 1、化学反应与平衡转化率
变换的目的将一氧化碳变成氢。
CO H2O CO2 H2
2、工艺条件的优化 (1)、催化剂：
铜催化剂：氧化铜、氧化锌、氧化铝烧结用氢还原 活性温度为180-250度，为低变催化剂。 铁铬催化剂：氧化铁、氧化铬，活性温度为350-450 度，为中变催化剂。 (2)、原料气组成： 使水蒸气过量，提高转化率。 200度时，CO与H2O体积比由1：1提高到1：6时转 化率由93.8%提高到99.9%。
3、甲烷化： 除去热钾减法处理后气体中的一氧化碳、二氧化碳 和氧气。 “甲烷化”为广泛使用的初步净化方法。
CO 3H2 CH4 H2O 206kJ mol 1 CO2 4H2 CH4 2H2O 165kJ mol 1
镍做催化剂，在280-380度的条件下进行。 反应为简单绝热反应器。 甲烷化处理后的气体中一氧化碳、二氧化碳、水等总 量在10毫克每立方米以下。
造气与送风的五个阶段 间歇操作： 第一阶段为送风发热， 后四个阶段为造气。 1、空气吹风： 送风发热、提高炉温
2、上吹造气： 将水蒸气和炉气 从炉底吹入生产 半水煤气经废热 锅炉、洗涤塔送 至气柜。
3、下吹造气： 上吹后炉底温度降 低，炉顶温度尚 高，改为下吹造 气。先从炉顶向下 吹几秒水蒸气，防 止直接吹空气与煤 气相遇爆炸。得半 水煤气经废热锅 炉、洗涤塔送至气 柜。
合成氨工业 PPT
第四节 合成氨工业
N2 + 3H2 2NH3 + 22.08千卡
反应的特点：正反应是体积缩小的放热反应
达到平衡时混合气中氨的含量（体积百分数）
氮气和氢气的体积比1:3
压强 氨含量 温度 200°C 300°C 400°C 500°C 600°C
0.1MPa
15.3 2.2 0.4 0.1 0.05
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循环操作过程（N2与H2浓度比 为1：3）
二 合成氨工业简述：
1原料气的制备，净化和压缩： Ａ制备：
液化，蒸发 N2 N2:空气
O2+C CO2 N2 H2:水，燃料（煤，石油，天数气）
C+H2O(g)=CO+H2 CO+H2O(g)=CO2+H2
B 净化：清除杂质，防止催化 剂“中毒”
C压缩
2 氨的合成 3 氨的分离
服务特 权
共享文档下载特权
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合成氨PPT演示文稿
净 化
合 成
分 离
液氨
合成氨的实地照片
(五)合成氨工业的发展
阅读书本Ｐ１４～Ｐ１５页后总结．
小结：
工业合成氨:
(1)原理: (2)条件: (3)生产过程: (4)三废处理:
练习：
１．合成氨所需的 可由煤和水蒸气反应而制得， 其中一步的反应为： （正反应放热），下列措施中，能提高CO转化率 的是（ Ｃ ） A．增大压强 B．降低温度 C．增大水蒸气浓度 D．加催化剂
催化剂
CH4+2H2O===4H2+CO2
催化剂
(四)工业合成氨的四个生产过程:
想一想:制取原料气的过程中常混有 CO,CO2 和H2S 的气体杂质有__________
四个生产过程:
造气, 净化，合成，分离
(五)工业合成氨的工业流程:
(五)工业合成氨的工业流程:
1、用图式表示合成氨的流程：
原料气 的制取
N2(g) + 3H2(g)
高温高压
催化剂
2NH3 (g) (放热)
(三)工业合成氨的原料选择
思考: 工业合成氨时N2取自于什么物质?H2又来 源于哪里?
N2主要来源于空气 ____ (从空气中分离出N2有哪些方法?) 氢气主要来源于水和碳氢化合物 ____ C+H2O===CO+H2
CH4+H2O===3H2+CO
２．合成氨工业有下列流程：①原料气制备；②氨 的合成；③原料气净化和压缩；④氨的分离。其 先后顺序为（ Ｂ） A．①②③④ B．①③②④ C．④③②① D．②③④①
1.在新疆与青海交界处有一山谷，人称魔鬼谷。每当 人畜进入后，经常电闪雷鸣，狂风暴雨，把人畜击毙。 然而谷内却是牧草茂盛，四季常青。请解释原因。 N2 + O2 ====
合成氨生产工艺讲义[1]
![合成氨生产工艺讲义[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8667deb7c1c708a1284a4464.png)
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合成氨生产工艺讲义[1]
二、氨的性质和用途
1、氨的性质
氨为无色透明、有强烈刺激臭味的气体， 能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官粘膜。
氨的密度为0.771Kg/Nm3 ，液氨的比重 0.667（20℃），液氨挥发性很强、气化热较 大。
氨极易溶于水，可生产含氨15～30% （重量）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。
以上转化工序和变换工序构成了合成氨装 置的造气系统，制出了合成氨所用的粗原料 气，主要成分是H2和CO2
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合成氨生产工艺讲义[1]
粗原料气进入脱碳工序，在这里用一种 MDEA溶液把气体中的CO2吸收掉，随后又使溶 液加热并减压，把CO2释放出作为副产品。溶液 循环使用。
来自脱碳的工艺气，首先按氢氮比约为3：1 配入来自空分的氮气，然后进入甲烷化工序，把 工艺气中残余的少量CO2和CO经甲烷化反应变 成水蒸气和CH4。水蒸气经过冷凝排出，而CH4 对后续工序是无害的惰性气体。
萘
HCN
有机 硫
总硫
含量
(mg/N 1000 100 4000
156
300 500 500 1500
m3)
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合成氨生产工艺讲义[1]
v 五、本装置生产规模（设计值）
v 合成氨产能 12万吨/年 （日产量360.36吨）
v 年操作时间 333天
v 年操作时数 8000小时
（小时产量15吨）
合成氨生产工艺讲义
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2020/11/7
合成氨生产工艺讲义[1]
讲课内容目录
第一部分 合成氨生产工艺流程和操作原理简介 第二部分 合成氨装置化工试车 第三部分 合成氨装置原始开车
合成氨PPT课件
反应特点 ：
主要副反应
主反应总体上是吸热，体积增大的反应
C4 ＝ H 2 H 2 C 7.9 4 k.m J 1ol 2 C O C2 O C 1.7 4 k2 .m J 1ol C H O 2 ＝ H 2 O C 1.3 3 k 6 1 .m J 1o
16
1.2.1 甲烷蒸汽转化反应的热力学分析
鉴于合成氨工业生产的实现和它的研究对化学 理论发展的推动，1918年，哈伯获得了诺贝 尔化学奖。
哈伯及其实验装置
合成氨发展的三个典型特点： 1. 生产规模大型化。 1000~1500T/日 2. 能量的合理利用。 用过程余热自产蒸汽推动蒸汽机供动力，基本不用电能。 3. 高度自动化。 自动操作、自动控制的典型现代化工厂。
第1章 合 成 氨 Synthesis of Ammonia
授课教师：蔡永伟
1
主要内容
1 1.1 概 述 2 1.2 原料气的制取 3 1.3 原料气的净化 4 1.4 氨的合成
2
1.1 概述 (Preface)
• 空气中含有游离氮(N2：78.03%)，但是只有豆科等能 够直接吸收空气中的游离氮。
1908年7月，德国化学家弗里茨·哈伯在实验 室用N2和H2在600℃、200个大气压，以锇 为催化剂的条件下合成了氨，虽然产率仅有 8%，却也是一项重大突破。并成功地设计了 原料气的循环工艺，这就是合成氨的哈伯法。
1913年，德国当时最大的化工企业——巴登 苯胺和纯碱制造公司，组织了以化工专家波施 为首的工程技术人员将哈伯的设计付诸实施， 进行了多达6500次试验，测试了2500种不 同配方的催化剂后，最后选定了含铅镁促进剂 的铁催化剂，将哈伯的合成氨设想变为现实， 一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产。
合成氨工业PPT课件
放热反应使温度达到12000C
首先是一段转化气与空气混合进行燃烧，温度可达 12000C，然后在充填镍催化剂的转化器下部，继续进 行甲烷的转化。
在转化炉内原料气在管内继续被管外燃烧气加热，进行 转化反应。转化炉所需高温由燃料用天然气燃烧放热 所产生。
天然气蒸汽转化流程
配以少量水蒸汽
一段转化炉
氧 化 锌 脱 硫 槽
氮的主要来源。
间歇式制半水煤气各阶段气体流向示意图
5
3
4
吹
风 气
6
水
蒸
气
煤气
2
1
7
空气
阶段
阀门开闭情况
1 2 3 4 567
吹风
○ × × ○ ○ ××
一次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
下吹
× × ○ × ×○○
二次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
空气吹净 ○ × × ○ × ○ ×
二、烃类蒸汽转化法 反应原理： 天然气中约有90%左右的甲烷，在较高的温度及催化剂
3、合成氨
将净化后的氢、氮混合气压缩至高压，在铁催化 剂与高温条件下合成氨。
第二节 合成氨原料气的制取
1、固体燃料气化法
固体燃料的气化：工业上用气化剂对煤或焦 炭进行热加工，将碳转化为可燃气体的过程。
固体燃料气化的目的：制备合成氨原料气。
要求：（CO＋H2）／N2应为3.1-3.2
3H2+N2=2NH3
20~32MPa 2） 温度： 一般控制在350-5500C 3) 采用廉价的铁催化剂
4) 冷冻法液化氨，使之与反应混合物及时分离。不断 补充新鲜原料气
补 充
中型氨厂合成工序流程
新
鲜
气
首先是一段转化气与空气混合进行燃烧，温度可达 12000C，然后在充填镍催化剂的转化器下部，继续进 行甲烷的转化。
在转化炉内原料气在管内继续被管外燃烧气加热，进行 转化反应。转化炉所需高温由燃料用天然气燃烧放热 所产生。
天然气蒸汽转化流程
配以少量水蒸汽
一段转化炉
氧 化 锌 脱 硫 槽
氮的主要来源。
间歇式制半水煤气各阶段气体流向示意图
5
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吹
风 气
6
水
蒸
气
煤气
2
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空气
阶段
阀门开闭情况
1 2 3 4 567
吹风
○ × × ○ ○ ××
一次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
下吹
× × ○ × ×○○
二次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
空气吹净 ○ × × ○ × ○ ×
二、烃类蒸汽转化法 反应原理： 天然气中约有90%左右的甲烷，在较高的温度及催化剂
3、合成氨
将净化后的氢、氮混合气压缩至高压，在铁催化 剂与高温条件下合成氨。
第二节 合成氨原料气的制取
1、固体燃料气化法
固体燃料的气化：工业上用气化剂对煤或焦 炭进行热加工，将碳转化为可燃气体的过程。
固体燃料气化的目的：制备合成氨原料气。
要求：（CO＋H2）／N2应为3.1-3.2
3H2+N2=2NH3
20~32MPa 2） 温度： 一般控制在350-5500C 3) 采用廉价的铁催化剂
4) 冷冻法液化氨，使之与反应混合物及时分离。不断 补充新鲜原料气
补 充
中型氨厂合成工序流程
新
鲜
气