合成氨生产工艺流程.ppt
化学工艺学第2章合成氨
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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
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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
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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
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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。
合成氨工艺流程图
合成氨
合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨,世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外,绝大部分是合成的氨。
合成氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料。
①天然气制氨。
天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0。
1%~0。
3％（体积)，经甲烷化作用除去后,制得氢氮摩尔比为3的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路,制得产品氨。
以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。
②重质油制氨.重质油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气,生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置。
空气分离装置制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂.
③煤(焦炭）制氨.随着石油化工和天然气化工的发展,以煤（焦炭）为原料制取氨的方式在世界上已很少采用。
o合成氨工艺流程图
o合成氨的在线分析检测点。
合成氨工艺的发展历史PPT课件
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。
鲁教版九年级上册化学 第2章-第4节《化学反应条件的优化——工业合成氨》ppt课件(共38张ppt)
B．降低温度，增大压强，加入催化剂
C．升高温度，增大压强，增加氮气
D．降低温度，增大压强，分离出部分氨
解析：本题旨在考查影响化学平衡的外界因素的应用与
分析。题目要求增大合成氨反应中氢气的转化率，就是
在不增加氢气的情况下，改变合成氨反应的其他条件，
使更多的氢气转化为氨。从化学平衡分析也就是使平衡 栏
故B发生移动。在恒温、恒压时，加入He，使整个体
系做等压膨胀，体积变大，He虽然不参与化学反应，
但由于体积的膨胀，而使平衡混合物中的N2、H2、 栏
目
NH3的浓度都相应减小，结果，反应物浓度减小的程
链 接
度比生成物浓度减小的程度大，此时正反应速率小于
逆反应速率，平衡左移，故C发生移动。在恒温、恒
容时，向体系中加入He，使整个体系压强增大，但由
目 链
接
kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3)知，在一定的温度、压强下，
化学反应速率与反应物浓度c(N2)或c1.5(H2)成正比关系，
与生成物浓度c(NH3)成反比关系。因此可以采用增大
反应物浓度、减小生成物浓度来提高化学反应速率。
4．催化剂对化学反应速率的影响：加催化剂可以
使反应的活化能从335kJ·mol－1降低为167kJ·mol－1，
例2 对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施加高压，
下列叙述中正确的是( )
A．都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响
栏
B．都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态 目
链
所用的时间
接
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有压强对化
学平衡状态有影响
D．催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间，而压
工业合成氨课件
5、在合成氨反应中，入口气体体 积比 N2:H2:NH3 为6:18:1，出口 气体体积比为9:27:8，则H2的转
化率为___2_5_%___。
起始
N2+3H2 6 18
2NH3 1
施来提高反应速率？
2、压强的选择
①合成氨反应是气态物质系数减小的气体 反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使 平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩 H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合 实际科学技术。
综合以上两点:根据反应器钢材质量 及综合指标，一般选择中压生产。
弗里茨·哈伯：
给人类带来丰收和 喜悦的天使，用空 气制造面包的圣人。
合成氨反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
假如你是一个合成氨工厂的老板，对工业生 产你会考虑哪些问题？
反应的可能性要强 原料的利用率要高 单位时间内产率高
化学反应的方向性
增大化学反应限度 加快化学反应速率
另外还要考虑生产中的能源消耗、原料 来源、设备条件、环境保护等因素。
(D)合成氨工业采用20 MPa ---- 50MPa ，是因该条 件下催化剂的活性最好
4.已知2SO2(g)+O2(g)
2SO3 (g) △H＜0。
催化剂的温度是_4_5_0_℃__。 (2)应采用的压强是__常__压__，理由是__因__为_常__压__下__SO2 __的__转__化_率__已__经__很__高_，__若__采__用__较_大__压__强__，__S_O_2_的__转__化_率_
煤为原料的合成氨工艺流程简图
以煤为原料的合成氨工艺煤合成氨工艺的核心问题是制备纯净的氢气,而制备纯净的氢气,就涉及到脱硫脱碳工序含硫、含碳的气体,都是酸性气体C+H2O水蒸气=CO+H2水煤气法 CO+H2O=CO2+H2拥有氢气与氮气,即可制得氨.氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵简称甲铵,进一步脱水生成尿素2NH3+CO2==COONH2NH4放热,COONH2NH4==CONH22+H2O吸热.尿素加热分解可以制成三聚氰胺6CONH22==C3N3NH23三聚氰胺+3CO2+6NH3.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%到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.变换反是：CO+H2O→H2+CO2=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%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H 2外,还有CO 2、CO 和CH 4等组分,其中以CO 2含量最多.CO 2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CO 2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CO 2.根据吸收剂性能的不同,可分为两大类.一类是物理吸收法,如低温甲醇洗法Rectisol,聚乙二醇二甲醚法Selexol,碳酸丙烯酯法.一类是化学吸收法,如热钾碱法,低热耗本菲尔法,活化MDEA 法,MEA 法等.③气体精制过程经CO 变换和CO 2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO 和CO 2.为了防止对氨合成催化剂的毒害,规定CO 和CO 2总含量不得大于10cm3/m3体积分数.因此,原料气在进入合成工序前,必须进行原料气的最终净化,即精制过程.目前在工业生产中,最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法.深冷分离法主要是液氮洗法,是在深度冷冻<-100℃条件下用液氮吸收分离少量CO,而且也能脱除甲烷和大部分氩,这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气,深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合.甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO 、CO 2与H 2反应生成CH 4和H 2O 的一种净化工艺,要求入口原料气中碳的氧化物含量体积分数一般应小于%.甲烷化法可以将气体中碳的氧化物CO+CO 2含量脱除到10cm3/m3以下,但是需要消耗有效成分H 2,并且增加了惰性气体CH 4的含量.甲烷化反应如下：CO+3H 2→CH 4+H 2O =mol 0298H Δ CO 2+4H 2→CH 4+2H 2O =mol 0298H Δ3氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压,在催化剂的作用下合成氨.氨的合成是提供液氨产品的工序,是整个合成氨生产过程的核心部分.氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行,由于反应后气体中氨含量不高,一般只有10%到20%,故采用未反应氢氮气循环的流程.氨合成反应式：N 2+3H 2→2NH 3g =mol。
合成氨工艺流程
将无烟煤（或焦炭）由炉顶加入固定床层煤气发生炉中，并交替向炉内通入空气和水蒸汽，燃料气化所生成的半水煤气经燃烧室、废热锅炉回收热量后送入气柜。
? ???? 半水煤气由气柜进入电除尘器，除去固体颗粒后依次进入压缩机的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，加压到1.9~2.0Mpa，送入脱硫塔，用溶液或其他脱硫溶液洗涤,以除去硫化氢，随后，气体经饱和塔进入热交换器，加热升温后进入一氧化碳变换炉，用水蒸汽使气体中的一氧化碳变为氢。
变换后的气体，返回热交换器进行降温，并经热水塔的进一步降温后，进入变换器脱硫塔，以除去变换时产生的硫化氢。
然后，气体进入二氧化碳吸收塔，用水洗法除去大部分二氧化碳。
脱碳后的原料进入压缩机Ⅳ、Ⅴ段，升压到压缩机12.09~13.0Mpa后，依次进入铜洗塔和碱洗塔，使气体中残余的一氧化碳和二氧化碳含量进一步降至20（ppm）以下，以满足合成氨的要求。
????? 净化后的原料气进入压缩机的最后一段，升压到30.0~32.0?MPa进入滤油器，在此与循环压缩机来的循环气混合，经除油后，进入冷凝塔和氨冷器的管内，再进入冷凝塔的下部，分离出液氨。
分离出液氨后的气体进入冷凝塔上部的管间，与管内的气体换热升温后进入氨合成塔。
在高温高压并有催化剂存在的条件下，将氮氢气合成氨。
出合成塔的气体中，约含氨10~20%，经水冷器与氨冷器将氨液化并分离后，其气体进入循环压缩机循环使用。
分离出的液氨进入液氨贮槽。
?原料气的制备:制备氢氮比为3:1的半水煤气???? ?即造气。
将无烟煤（或焦炭）由炉顶加入固定床层煤气发生炉中，并交替向炉内通入空气和水蒸汽，燃料气化后生成氢氮比为3:1的半水煤气。
整个生产过程由煤气发生炉、燃烧室、废热锅炉、气柜等设备组成。
????? 固定床半水煤气制造过程由吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹、空气吹净等5个阶段构成，为了调节氢氮比，在吹风末端要将部分吹风气吹入煤气，这个过程通常称为吹风回收。
????? 吹风阶段：空气从煤气炉的底部吹入，使燃料燃烧，热量贮存于燃料中，为制气阶段碳与水蒸汽的反应提供热量。
合成氨的工艺流程
含硫气氛中加热，使活性金属硫化，
化剂的载体材料，提高催化剂的活
化剂
然后还原再生
性和稳定性
• 熔融法：将活性金属和载体材料
• 溶剂再生法：将失活的催化剂在
• 改变催化剂的制备工艺：通过改
熔融混合，然后冷却、破碎制成催
溶剂中浸泡，使活性金属溶解，然
变催化剂的制备工艺，提高催化剂
化剂
后沉淀再生
的性能和寿命
水分脱除，得到干燥氨气
气
• 锅炉：为催化反应提供
• 氨分离塔：分离氨气和
• 氨脱油器：将氨气中的
• 空气压缩机：将空气压
热能，维持反应温度
剩余气体，得到氨产品
油分脱除，得到清洁氨气
缩，为氨合成提供氮气原料
• 压缩机组：将催化反应
• 再生气加热器：将剩余
• 氨脱硫器：将氨气中的
• 原料气混合器：将氮气
合成氨在化肥工业中的应用
• 氨是制造尿素、硝酸铵、磷酸铵等化肥的原料
• 合成氨在化肥工业中的用量占全球合成氨总产量的60%以上
合成氨在化工原料中的应用
• 氨是制造硝酸、硫酸、盐酸等化工原料的中间体
• 合成氨在化工原料工业中的用量占全球合成氨总产量的20%左右
合成氨在塑料、纤维工业中的应用
• 氨是制造聚氨酯、聚酰胺等塑料、纤维的原料
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合成氨的工艺流程及设备
典型的合成氨工艺流程概述
• 合成氨工艺流程主要分为四个阶段：原料气制备、催化反应、氨
分离和产品处理
• 原料气制备：将氮气和氢气原料气化，调整气体成分和温度，
为催化反应做好准备
• 催化反应：将原料气通入装有催化剂的催化反应器，发生合成
氨反应
• 氨分离：将催化反应后的气体冷却，分离出氨气，剩余气体循