合成氨
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
合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。
经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。
工艺路线：造气-> 半水煤气脱硫-> 压缩机1 ，2 工段-> 变换-> 变换气脱硫-> 压缩机3 段-> 脱硫-> 压缩机4 ，5 工段-> 铜洗-> 压缩机 6 段-> 氨合成-> 产品NH3 1. 合成氨的工艺流程(1) 原料气制备：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 A.D.A. 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。
合成氨
5、循环时间及分配
一般一个循环时间为2.5~3min。 工作循环时间取决于燃料的性质和各阶段的操作要求。不同燃料循环时 间分配百分比例如表所示。
吸收
22
燃料种类 吹风 无烟煤，粒度 25~75mm 无烟煤，粒度 15~25mm 焦 炭，粒度 15~50mm 炭化煤球 6、气体成分 24.5~25.5 25.5~26.5 22.5~23.5 27.5~29.5
吸收
11
工业煤气的组成如下表：
煤气名称 H2 CO 气体组成，体积% CO2 N2 CH4 O2 H2S
空气煤气
水煤气 混合煤气 半水煤气
0.9
50.0 11.0 37.0
33.4
37.3 27.5 33.3
0.6
6.5 6.0 6.6
64.4
5.5 55.0 22.4
0.5
0.3 0.3 0.3
半水煤气，并经
废热锅炉、洗涤 塔后送入气柜。
吸收
3、下吹造气：
上吹后炉层温度降 低，但上层温度尚 高，仍可利用热能， 故改为下吹造气。
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 气从炉底导出，并
送至气柜。
吸收
4、二次上吹：
自炉底吹水蒸气， 将炉中水煤气排出，
为重新进行空气吹风
做准备，同时回收炉 内残存的半水煤气，
防止直接送入空气引
起爆炸。 持续时间很短。
吸收
5、空气吹净：
将空气从炉底吹
入，把炉内残存的
半水煤气和含氮吹
风气一起吹出并送
入气柜。持续时间
更短。
吸收
五个阶段为一个循环，每个循环需3~4min。生产 出的半水煤气中： H2%=38~42%; N2%=19~22%;
合成氨工作原理
1.氨合成的基本原理氨是由气态氢和氮在氨触媒的作用下反应生成的，其反应式为：3H2+N2=2NH3+热量这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，对其反应机理存在着不同的观点，一般认为：氮在铁催化剂上被活性吸附，离解为氮原子，然后逐步加氢，连续生成NH、NH2和NH3。
即：N2（扩散）→2N（吸附）→2NH(吸附）→2NH２（吸附）→2NH３（脱附）→2NH３（扩散到气相）由质量作用定律和平衡移动原理可知：1.温度升高，不利于反应平衡而有利于反应速度。
2.压力愈高愈有利于反应平衡和速度。
3.氢氮气（比例3:1）含量越高越有利于反应和速度。
4.触媒不影响反应平衡，但可以加快反应速度。
2、温度对氨合成反应的影响氨合成反应是一个可逆放热反应。
当反应温度升高时，平衡向着氨的分解方向移动；温度降低反应向着氨的生成方向移动。
因此，从平衡观点来看，要使氨的平衡产率高，应该采取较低的反应温度。
但是从化学反应速度的观点来看，提高温度总能使反应的速度加快，这是因为温度升高分子的运动加快，分子间碰撞的机率增加，同时又使化合时分子克服阻力的能力加大，从而增加分子有效结合的机率。
总之，温度低时，反应有利于向合成氨的方向进行，但是氨合成的反应速度较低；提高温度不利于向氨的合成方向移动，但反应速度可以增加。
在实际生产中反应温度的选择主要决定于氨合成催化剂的性能。
3.压力对氨合成反应的影响氨的合成反应是一个分子的氮与三个分子的氢结合生成两个分子的氨，即氨合成反应是分子数目减少、体积缩小的反应，提高压力，可使反应向着生成氨的方向进行。
对于氨合成反应来说，提高压力就是提高反应气体的浓度，从而增加反应分子间碰撞的机会，加快了反应的速率。
总之，增加压力对氨的合成反应是有利的，既能增大平衡转化率，又能加快反应速率。
但压力也不宜过高，否则，不仅增加动力的消耗，而且对设备和材料的要求也较高。
根据我国具体情况，目前在小型合成氨厂，设计压力一般为31.4MPa。
合成氨
事故发生情况： 事故发生情况： 分析大型合成氨装置开车和操作过程中发生事故和故障表 明，设计错误占事故总数的10－15％，施工和设备安装错误占 14－16％，设备、机械、管件、控制计量仪表等方面的缺陷占 56－61％，操作人员错误占13－15%。多数事故、火灾和爆炸 （80％）是由各种工艺设备泄出可燃气体造成的。
3.4.2
氨合成 合成氨工序危险性分析：氨合成工序使用的设备有合成 合成氨工序危险性分析：
塔、分离器、冷凝器、氨蒸发器、预热器、循环压缩机等。可 燃气体和氨蒸气与空气混合时有爆炸危险，氨有毒害作用，液 氨能烧伤皮肤，生产还采用高温、高压工艺技术条件，所有这 些都使装置运行过程具有很大危险性。严格遵守工艺规程，尤 其是控制温度条件是安全操作的最重要因素。设备和管道内温 度剧烈波动时，个别部件会变形，破坏设备。
3.1 过程机理及工艺控制分析
3.1.1 压力 工业上合成氨的各种工艺流程，一般都以压强的高低来分类 高压法压力为70～100MPa，温度为550～650℃；中压法压力 为40～60MPa，低者也有用15～20MPa，一般采用30MPa左右，温 度为450～550℃；低压法压力为10MPa，温度为400～450℃。从 化学平衡和化学反应速度两方面考虑，提高操作压力可以提高生 产能力。且压力高时，氨的分离流程可以简化。但是，压力高时 ，对设备材质、加工制造的要求均高。高压下反应温度一般较高 ，催化剂使用寿命缩短，所有这些都给安全生产带来了困难。
3.2.2 氨合成过程 (1) 净制的氢氮混合气由压缩机压缩到合成的压强。 (2) 原料气经过最终精制。 (3) 净化的原料气升温并合成。 (4) 出口气体经冷冻系统分离出液氨，剩下的氢氮混合气用循环 压缩机升压后重新导往合成。 (5) 驰放部分循环气以维持气体中惰性气含量在规定值以下。
第七章 合成氨
氮是蛋白质中的主要组成部分，蛋白质用来维持植物和动物 的生命。空气中含有79％（体积）的氮。但是大多数植物不 能直接吸收这种游离的氮。只有当氮与其他元素化合以后， 才能为植物所利用。这种使空气中游离态氮转变成化合态氮 的过程。称为“氮的固定”。固定氮的方法很多，合成氨 法是目前世界各国采用最广、最经济的方法。 氨的合成及其加工，首先用于生产肥料，液氨含氮82.3％， 本身就是一种高效肥料，可直接施用，但因易挥发，液氨的 储存、运输与施肥都需要一套特殊的设备。目前大多将氨与 其他化合物加工成种固体氮肥和部分液体肥料，如尿素、氯 化铵、氨水和碳化氨水等。
（2）铁催化剂的还原 氨合成的铁催化剂中的Fe3O4必须将其 还原成金属铁后才有催化活性，催化剂还原的反应式为：
Fe3O4 + 4 H 2 ⇔ 3Fe + 4 H 2O
催化剂经还原处理后，晶体被还原成细小的α-Fe晶体，它们 疏松地附在氧化铝的骨架上，还原前后表观容积并无显著改 变，因此，除去氧后的催化剂便成为多孔的海绵状结构。催 化剂的颗粒密度（表观密度）与纯铁的密度（7.86g/cm3） 相比要小得多，说明孔隙率是很大的，一般孔呈不规则树枝 状。还原态催化剂的内表面积约为4～6m2／g。
氨不仅对农业有着重要作用，而且也是重要的工业 原料。氨可以加工成胺与磺胺，是合成纤维及制药 的重要原料；尿素不仅是高效肥料，而且又是制造 塑料、合成纤维和医药的原料；在制碱、石油炼制 和橡胶工业以及冶金、采矿、机械加工等工业部门， 也都要用到氨或氨的加工品；此外，在食品、冷冻 工业上，氨是最好和最常用的冷冻剂。氨对于国防 工业也十分重要，氨氧化可制成硝酸，在炸药工业 中，硝酸是基本的原料，用硝酸作硝化剂可以制得 三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油及其他各种炸 药。所以氨是基本化工产品之一，在国民经济中占 有十分重要的地位。
合成氨原理
合成氨原理合成氨是一种重要的化学原料，广泛用于生产化肥等工业过程。
其原理是通过哈柏过程或奥斯特华尔德过程来实现。
哈柏过程（哈柏氨合成法）是最常用的合成氨工业方法之一。
该过程将氮气和氢气在高温高压条件下通过一个铁催化剂进行催化反应。
具体步骤如下：1. 氮气的制备：氮气在空气中占绝大部分，可以通过空分设备将空气中的氧气和其他杂质分离出来，得到纯净的氮气。
2. 氢气的制备：氢气可以通过蒸汽重整、部分氧化、水电解等方法来制备。
3. 氮气和氢气混合：经过精确的配比，将纯净的氮气和氢气按一定比例混合。
4. 催化反应器：将混合气送入一个催化反应器中，其中催化剂通常采用铁（Fe）。
5. 反应条件：反应需要在高温（约400-500摄氏度）和高压（约100-250atm）的条件下进行。
6. 催化反应：在催化剂的作用下，氮气和氢气发生氮氢化反应，生成氨气。
7. 分离氨气：将反应产物经过冷却处理，得到氨气。
奥斯特华尔德过程（奥斯特华尔德氨合成法）是另一种常用的合成氨方法。
该过程在低温低压条件下进行，适用于小规模的合成氨生产。
具体步骤如下：1. 原料气体准备：氮气和氢气经过压缩、净化等处理，得到纯净的原料气体。
2. 催化剂床层：将催化剂（通常为铁-铝合金）放置在反应器中形成床层。
3. 缓冲层：在催化剂床层上方加入缓冲床层，用于分离反应床和冷凝器。
4. 过热器：将原料气体加热至适宜的反应温度（通常为400-550摄氏度）。
5. 反应器：通过加热后的原料气体对催化剂进行反应，生成氨气。
6. 冷凝器：将反应产生的氨气进行冷却，使其凝结为液体。
7. 分离氨液：将凝结的氨液体与剩余的气体进行分离，得到纯净的合成氨。
这些合成氨的过程可用于工业生产中，以满足各种应用的需求。
《合成氨的概述》课件
合成氨的发现
总结词
合成氨的发现可以追溯到19世纪末期，当时科学家们开始探索氮和氢合成氨的可能性。
详细描述
1898年，德国化学家弗里茨·哈伯（Fritz Haber）和助手卡尔·博施（Carl Bosch）成功地开发出了一 种能够实现大规模合成氨的方法，这种方法被称为哈伯-博施法。这一发现为工业生产和农业提供了大 量的氨，对全球经济发展和人类生存具有重要意义。
原料气的净化
总结词
原料气的净化是合成氨生产工艺的重要环节，主要是通过化学和物理方法去除 原料气中的杂质，如二氧化碳、硫化氢和氧气等。
详细描述
原料气的净化通常包括脱硫、脱碳和脱氧等过程。脱硫主要是用碱性溶液或固 体吸收剂去除硫化氢；脱碳主要是用溶液吸收或固体吸附剂去除二氧化碳；脱 氧主要是通过催化剂或氧化反应将氧气转化为水。
环保与安全问题
总结词
合成氨工艺中存在一些环保与安全问题，需要采取相应的措施加以解决。
详细描述
合成氨工艺中会产生大量的废气和废水，如果处理不当会对环境造成污染。因此，需要 采取一系列环保措施，如废气处理、废水处理和废弃物回收等。此外，由于合成氨工艺 需要在高温高压下进行，也存在一定的安全风险。因此，需要采取相应的安全措施，如
《合成氨的概述》 ppt课件
目 录
• 合成氨的简介 • 合成氨的生产工艺 • 合成氨的工艺特点 • 合成氨的未来发展 • 总结
01
合成氨的简介
合成氨的定义
总结词
合成氨是指将氮和氢在高温高压和催化剂的作用下合成为氨的过程。
详细描述
合成氨是一种化学反应，通常在高温高压和催化剂存在的条件下进行，将氮气和氢气合成为氨气。这个反应是工 业上大规模生产氨的重要方法，也是化学工业中的重要反应之一。
氨的合成方法
氨的合成方法
1.氨气与氢气的直接合成：常见的直接合成氨的方法是通过气态氮气和氢气在高温高压条件下催化反应制得。
这种方法需要使用特殊的催化剂，如铁钾催化剂或铁锆催化剂，反应温度通常在400500摄氏度，压力在100200大气压。
这个方法广泛应用于工业生产中。
2.氧化铵法：氧化铵法是一种将铵盐经过催化剂催化氧化产生氨的方法。
具体步骤为首先将铵盐（如尿素或氨盐）与气态空气或氧气在高温下催化燃烧，生成一氧化氮和水蒸气，然后将一氧化氮与过量的氢气在催化剂的作用下反应生成氨。
这种方法的优点是反应条件较为温和，使用方便，但产氨量一般较低。
3.超临界氮气合成法：超临界氮气合成法是一种新的氨合成方法，可以在常压下实现氮气与氢气的合成。
该方法利用氢气和氮气在超临界条件下（如高温高压或低温低压）直接反应，产生氨。
这种方法具有操作简单、环境友好、能源消耗低等优点，但目前仍处于实验研究阶段。
4.微生物发酵法：微生物发酵法是通过利用氮固定菌，如植物根际中的根瘤菌或土壤中的氮固定细菌，将大气中的氮气固定成氨。
这种方法需要种植植物或在土壤中添加适当的菌种，通过微生物代谢过程产生氨。
这种方法在农业中广泛应用，可提供植物生长所需的氮源，促进作物生长。
合成氨生产的三个过程
合成氨生产是一个复杂的过程，包括三个主要阶段：原料气制备、净化、氨的合成。
以下是每个阶段的详细描述：一、原料气制备合成氨生产的第一步是制备原料气，即氮气和氢气的混合气体。
这个过程通常使用天然气或煤作为原料。
天然气蒸汽转化法：天然气的主要成分是甲烷，通过蒸汽转化反应，甲烷与水蒸气在催化剂的作用下反应生成一氧化碳和氢气。
然后，一氧化碳通过变换反应转化为二氧化碳，氢气则被回收利用。
煤为原料：以煤为原料时，首先通过气化炉将煤转化为煤气，煤气中含有大量的氢气和一氧化碳。
然后，一氧化碳通过变换反应转化为二氧化碳，氢气则被回收利用。
二、净化在合成氨生产中，原料气需要经过净化处理，以除去其中的杂质。
脱硫：硫化物是原料气中的主要杂质之一，必须将其除去。
通常使用催化剂或化学吸收剂将硫化物转化为硫化氢，然后通过酸碱洗涤法将其除去。
脱碳：一氧化碳是原料气中的另一种杂质，它会对氨的合成反应产生不利影响。
通过使用催化剂或化学吸收剂将一氧化碳转化为二氧化碳，然后通过碱洗法将其除去。
氢气提纯：经过脱硫和脱碳处理后，原料气中的氢气纯度仍然不够高。
因此，需要进行氢气提纯，通常使用变压吸附或低温分离等方法将氢气纯度提高到99%以上。
三、氨的合成经过净化的原料气进入氨的合成阶段。
合成反应：在高温高压下，氮气和氢气在催化剂的作用下反应生成氨气和水蒸气。
这个反应是放热反应，需要控制温度和压力以确保反应的顺利进行。
气体分离：合成反应完成后，气体混合物需要进行分离。
通常使用冷凝法将水蒸气冷凝成液体水，然后通过蒸馏法将氨气从气体中分离出来。
氨的精制：经过气体分离后得到的氨气可能含有其他杂质，如硫化氢、二氧化碳等。
因此，需要进行氨的精制，通常使用化学吸收法或物理吸附法将杂质除去，以提高氨的纯度。
产品储存和运输：经过精制后的氨可以储存在专门的储罐中，也可以通过管道输送到下游用户。
在储存和运输过程中，需要注意安全措施，防止泄漏和事故发生。
总之，合成氨生产是一个复杂的过程，包括原料气制备、净化和氨的合成三个主要阶段。
合成氨技术
合成氨技术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，为一种基本无机化工流程。
现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。
合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作火炸药工业的原料，为战争服务，第一次世界大战结束后，转向为农业、工业服务。
随着科学技术的发展，对氨的需要量日益增长。
催化机理热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。
当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。
合成氨反应的机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。
接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。
上述反应途径可简单地表示为：xFe+N2→FexNFexN+[H]吸→FexNHFexNH+[H]吸→FexNH2FexNH2+[H]吸FexNH3xFe+NH3在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335kJ/mol。
加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。
第一阶段的反应活化能为126kJ/mol～167kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13kJ/mol。
由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。
催化剂的催化能力一般称为催化活性。
有人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一旦制成一批催化剂之后，便可以永远使用下去。
实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。
接着，催化剂活性在一段时间里保持稳定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。
活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。
催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂的中毒。
合成氨
合成氨工业综述1.氨的性质氨与酸或酸酐可以直接作用，生成各种铵盐；氨与二氧化碳作用可生成氨基甲铵，脱水成尿素；在铂催化剂存在的条件下，氨与氧作用生成一氧化氮，一氧化氮继续氧化并与水作用，便能得到硝酸。
氨在高温下(800℃以上)分解成氮和氢；氨具有易燃易爆和有毒的性质。
氨的自燃点为630℃，氨在氧中易燃烧，燃烧时生成蓝色火焰。
氨与空气或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。
常温下氨在空气中的爆炸范围为15.5～28％，在氧气中为13.5～82％。
液氨或干燥的气氨，对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等有腐蚀作用【2】。
合成氨工艺流程在200MPa的高压和500℃的高温和催化剂作用下，N2+3H2====2NH3,经过压缩冷凝后，将余料在送回反应器进行反应，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、冷冻剂和化工原料生产方法生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。
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。
以无烟煤为原料生成合成氨常见过程是:造气 -> 半水煤气脱硫 -> 压缩机1，2工段 -> 变换 -> 变换气脱硫 ->压缩机3段 -> 脱硫 ->压缩机4，5工段 -> 铜洗 -> 压缩机6段 -> 氨合成 -> 产品NH3采用甲烷化法脱硫除原料气中CO. CO2 时, 合成氨工艺流程图如下: 造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1,2段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机3段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机4,5,6段 ->氨合成 ->产品NH32.合成氨工艺2.1依据合成条件—压力的不同的几种合成方法氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精制的氢氮混合气在催化剂的作用下多快好省地合成为氨。
合成氨的反应原理
合成氨的反应原理合成氨是一种重要的化学工业反应，其原理是将氢气和氮气在一定的条件下进行结合反应，生成氨气。
合成氨的反应原理是依据哈柏法的原理。
哈柏法是由德国化学家哈柏于1905年提出的，该法以铁为催化剂，将氮气和氢气在高温高压下进行反应，生成氨气。
在反应中，氢气和氮气的物质性质发生了变化。
氢气是无色无味的气体，在常温下为不活泼的分子气体，由两个氢原子组成。
氮气是一种无色无味的气体，也是不活泼的分子气体，由两个氮原子组成。
合成氨的反应物为氮气和氢气，反应物中氢气和氮气的化学键发生了断裂和形成的过程。
在背景条件下，铁催化剂有助于降低反应的活化能，促进氮气与氢气发生相互作用。
反应物中的氮气与氢气经过一系列的反应过程，最终会转化为氨气。
合成氨的反应需要在高温高压的条件下进行。
通常情况下，反应温度为400-500，压力约为150-200atm。
高温高压的条件对于将氢气和氮气转化为氨气非常重要，可以提高反应速率和产率。
此外，配合性的铁催化剂也是合成氨反应的关键。
反应中，氢气和氮气发生反应生成氨气的过程可以用以下化学方程式表示：N2 + 3H2 > 2NH3在这个方程式中，氮气与氢气的反应生成了氨气。
根据化学方程式可以看出，氮气和氢气的消耗是按照比例的。
每一摩尔的氮气需要消耗3摩尔的氢气才能生成2摩尔的氨气。
合成氨的反应发生在一个封闭的反应器中。
反应器内部有很强的耐压性，以承受高温高压条件下的反应过程。
反应器内的铁催化剂可以促进反应的进行，提高反应速率和产率。
同时，反应器内要保持一定的温度和压力条件，以便使反应物充分反应，生成氨气。
合成氨是一种重要的化学反应，广泛应用于化学工业的领域。
氨气是一种重要的化学原料，用于制造肥料、塑料等化学产品。
合成氨的反应原理和条件对于合成氨的产量和质量有着重要的影响，因此需要掌握合成氨的反应原理和工艺条件。
合成氨工艺流程详解
合成氨工艺流程详解
第一步，氮气和氢气制备。
氮气可以通过空分装置从空气中分离得到，氢气可以通过蒸汽重整、加气鼓风等工艺得到。
两种气体需要经过严格的
处理，包括除尘、除湿、除CO2等。
第二步，催化剂的制备。
合成氨反应需要使用催化剂，一般使用铁、钴、钼等金属催化剂。
制备催化剂时需要先制备金属盐溶液，再与载体进
行混合、干燥、焙烧等处理步骤，最后制得活性催化剂。
第三步，反应器的设计。
合成氨反应一般通过用反应管搅拌气液相过
程来实现，在反应器中加入氮气、氢气和催化剂。
反应器的设计需要考虑
反应温度、压力、催化剂种类及其活性等因素，以确保反应的高效进行。
合成氨反应的主要反应过程为：N2+3H2->2NH3
反应发生在高温高压下，通常反应温度在300-500摄氏度之间，反应
压力在100-250atm之间。
催化剂起到了加速反应速率的作用，而反应速
率与催化剂的活性有关。
合成氨工艺的特点是需要消耗大量的能量，工艺设备的运行和维护费
用也很高。
此外，合成氨反应的平衡位置靠近氨气一侧，所以需要通过一
系列措施来提高氨的合成率，如适当降低反应温度、增加反应压力、优化
催化剂的选择等。
综上所述，合成氨工艺是一项复杂而重要的化学反应过程。
通过控制
反应条件、催化剂的选择和改进工艺设备，可以提高合成氨的产率和质量，满足不同领域的需求。
合成氨
合成氨⏹氨的性质与用途⏹氨水——阿摩尼亚水，指氨气的水溶液，有强烈刺鼻气味，具弱碱性。
⏹氨水中，氨气分子发生微弱水解生成氢氧根离子及铵根离子。
NH3 + H2O ＝NH4+ + OH−⏹氨水- 主要用途：⏹用于工业生产、农用化肥，在化工、科研等领域用作标准气、配制标准混合气等⏹氨水- 化学性质：⏹1、氨水有一定的腐蚀作用，碳化氨水的腐蚀性更加严重。
对铜的腐蚀比较强，钢铁比较差，对水泥腐蚀不大。
对木材也有一定腐蚀作用，具有弱碱性，受热分解；⏹2、能与酸反应，生成铵盐.⏹氨水- 主要用途：⏹用于工业生产、农用化肥，在化工、科研等领域用作标准气、配制标准混合气等⏹、氨的性质与用途⏹氨对地球上的生物相当重要，它是所有食物和肥料的重要成分。
氨也是很多药物和商业清洁用品直接或间接的组成部分。
⏹由于氨有广泛的用途，它成为世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成被用于制作化肥。
2006年，氨的全球产量估计为1.465亿公吨，主要用于制造商业清洁产品。
⏹氨水- 化学性质：⏹1、氨水有一定的腐蚀作用，碳化氨水的腐蚀性更加严重。
对铜的腐蚀比较强，钢铁比较差，对水泥腐蚀不大。
对木材也有一定腐蚀作用，具有弱碱性，受热分解；⏹2、能与酸反应，生成铵盐.⏹氨对地球上的生物相当重要，它是所有食物和肥料的重要成分。
氨也是很多药物和商业清洁用品直接或间接的组成部分。
⏹由于氨有广泛的用途，它成为世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成被用于制作化肥。
2006年，氨的全球产量估计为1.465亿公吨，主要用于制造商业清洁产品。
⏹、氨的性质与用途⏹性质⏹数值⏹性质⏹数值⏹相对分子质⏹17.3 ⏹临界密⏹0.235量度/g/cm3⏹含氮量/% ⏹82.2 ⏹临界压缩系数pV=ZRT⏹0.242⏹摩尔体积（0℃,0.1M pa）（L/mol）⏹22.08⏹临界热导率〔kJ/(K⋅k⋅m)〕⏹0.522⏹气体密度(0℃,0.1Mp a)/(g/L) ⏹0.7714⏹沸点(0.1Mpa)/ ℃⏹-33.35⏹液体密度（-33.4℃,0. 1Mpa）/g/cm3 ⏹0.6818⏹蒸发热（-33.4℃）/(kJ/kg)⏹1368.02⏹临界温度/℃⏹132.4⏹冰点/℃⏹-77.7⏹临界压力/ Mpa ⏹11.3⏹熔化热(-77.7℃) /⏹332.42(kJ/kg)⏹临界比体积/(L/kg) ⏹4.257⏹空气中爆炸极限(体积分数/%)⏹15.5-28⏹二、氨合成制备的发展史⏹1774年，化学家普利斯特里加热氯化铵和氢氧化钠的混合物，利用排汞取气法取得氨。
- 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)。
消化纤维等多种炸药的原料；作为生产导弹、火箭的推进剂和氧化剂。
⑷应用于医疗、食品行业中。作为医疗食品行业中的冷冻、冷藏系统的制冷剂。
5
二、合成氨原理
氨的合成反应式：N2+3H2=2NH3
放热可逆反应
三、合成氨流程
蒸 汽
天然气
精脱硫
CO2脱 除
CO2
蒸汽转 化 甲烷化
N2
CO变换
压缩
循 环 驰 放 气
第7章 天然气合成氨
主要内容： 1、合成氨概述
2、合成氨原理
3、合成氨流程 4、反应条件 5、催化剂
2
合成氨概述
一、氨的性质及用途
1、氨的性质 ⑴在常温常压下，氨是一种具有特殊刺激性气味的无色气体，比空气
轻。
液化：在0.1MPa、-33.5℃，或在常温下加压到0.7～0.8MPa，就能将 氨变成无色的液体，同时放出大量的热量。
3、空间速度：单位体积催化剂在单位时间内处理的气体量称为 空间速度。空间速度大小意味着处理气量的大小，在一定的 温度、压力下，增大空间速度，就加快了气体通过催化剂的 速度，处理的气量大，能增大产量，但同时气体与催化剂接 触时间缩短，从而使出塔气体中氨含量降低。若空间速度过 大，则氨分离不完全，同时增大设备负荷和动力消耗。一般 操作压力在30MPa的中压法合成氨，空间速度选择在 20000~30000m3/h之间。
结晶：将液氨在0.101MPa压力下冷却至-77.7℃，就能凝结成略带臭 味的无色结晶。
气化：液氨容易气化，降低压力可急剧蒸发，并吸收大量的热。
易溶于水：氨极易溶于水，可制成含氨15%～30%（质量分数）的商品 氨水。
3
⑵氨的化学性质较活泼，能与酸反应生成盐。
与二氧化碳 和水反应
NH3+CO2+H2O
4、氢氮比：氮的活性吸附为合成反应的控制阶段， 氮的含量对反应速率影响较大，略低于3可加快反应 速率。 实践：32MPa、450度、催化剂粒度1.2~2.5mm
空速24000(1/h)、R=2.6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
CO 3H 2 CH 4 H 2O 206kJ mol 1 CO2 4 H 2 CH 4 2 H 2O 165kJ mol 1
吸收
14
6-7 氨的合成
一、氨合成反应的热力学基础
1、氨合成反应及特点 氨的合成是指在适当的温度、压力和有催化剂存在的条 件下，将经过精制的氢氮混合气直接合成成氨。然后将所产的 气氨从未合成为氨的混合气体中冷凝分离出来，得到产品液氨 的过程。分离氨后的氢氮气体循环使用。 氨合成的化学反应式为： 1.5H2+0.5N2=NH3+Q 特点： ①该反应是可逆反应：在氮气和氢气反应生成氨的同时，氨 也分解成氢气和氮气，前者称为正反应，后者称为逆反应。 ②该反应是放热反应：在生成氨的同时放出热量反应热与温 度、压力有关。
吸收
17
R1.5 y pK p 2 (1 R) (1 y yi ) 2 p : 总压力； R: y H2 y N2
y、y ：NH 、惰性气体的摩尔分数 i 3
1、氢氮比R：R=3(此时y最大) 2、温度：温度越低，Kp越大。低温催化剂为发展方向。 3、压力：压力越大，平衡浓度越大。 4、惰性气体含量：平衡氨含量随惰性气体含量的增加而 减少。 提高平衡氨含量的途径为：降低温度、提高压强、保 持氢氮比R=3左右，减少惰性气体含量。
吸收
反应控制阶段取决于反应条件（温度、催化剂颗粒的大小） 温度一定：大颗粒为内扩散控制，小颗粒为化学动力学控制。 颗粒一定：低温为化学动力学控制，高温为内扩散控制。 扩散控制时：y NH3 kp 化学动力学控制：
0.5 0.5 远离平衡时：r kpN pH 2 2
k : 扩散系数； p： 总压力
吸收
（二）反应动力学
1：气体向催化剂表面（内、外）扩散 2：气体在催化剂表面发生活性吸附 N 2 (气) 2 N (吸附) H 2 (气) 2 H (吸附) 3：吸附的氮、氢发生反应生成氨 N (吸附) H (吸附) NH (吸附) NH (吸附) H (吸附) NH 2 (吸附) NH 2 (吸附) H (吸附) NH 3 (吸附) 4：生成的氨从催化剂表面解吸 NH 3 (吸附) NH 3 (气) 5：解吸的氨从催化剂表面向气流主体扩散
4、氢氮混合气组成：从化学平衡看，氢氮比应为3， 但从动力学角度看，由于氮的活性吸附为控制步 骤，故在远离平衡进，反应速率与氮的浓度有关 ，可适当提高氮的比例，让氮气稍过量，通常生 产中控制氢氮比为2.8~2.9。
吸收
三、氨的合成与分离
（一）最佳工艺条件的选择
氨合成的生产工艺条件必须满足产量高，消耗定额低 、工艺流程及设备结构简单、操作方便及安全可靠等要求。 决定生产条件员主要的因素是操作压力、温度、空间速度、 气体组成和催化剂等。
吸收
二、氨合成动力学
（一）催化剂
铁催化剂：
Fe2O3 54~68%、FeO29~36%、Al2O3 2~4% K 2O0.5~0.8%、CaO0.7~2.5% 在加热条件下原料气将铁还原： (Fe2O3 ,FeO) +H 2 = Fe+H 2O
铁催化剂的主要成分是Fe2O3和FeO；
但其活性组分是由氧化铁还原而得的α型纯金属铁，而不是 铁的氧化物。
吸收
3、空间速度：单位体积催化剂在单位时间内处理的气体量称为 空间速度。空间速度大小意味着处理气量的大小，在一定的 温度、压力下，增大空间速度，就加快了气体通过催化剂的 速度，处理的气量大，能增大产量，但同时气体与催化剂接 触时间缩短，从而使出塔气体中氨含量降低。若空间速度过 大，则氨分离不完全，同时增大设备负荷和动力消耗。一般 操作压力在30MPa的中压法合成氨，空间速度选择在 20000~30000m3/h之间。
工艺条件的优化
(1)催化剂：
Cu~Zn系催化剂：氧化铜、氧化锌、氧化铝烧结用氢还原活性 温度为180-250度，为低温变换催化剂。
Fe~Cr系催化剂：氧化铁、氧化铬，活性温度为350450度，为中温变换催化剂。
(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)反应温度： 可逆放热反应最大反应速率时的反应温度随转化 率提高而降低。因此，反应前阶段使用中温变换催 化剂，反应过程为中温变换；反应后阶段是用低温 变换催化剂，反应过程为低温变换。采用水蒸气分
阶段冷激。
(4)反应压力：
此反应压力与平衡转化率无关，但加压可以增加
催化反应器的生产能力、节能。 (5)空间速度：一般400-600(L/h)
通过反应的化学平衡研究确定。
吸收
16
其平衡常数为：
Kp
pNH3
0.5 1.5 pN pH 2 2
1 y NH3 0.5 1.5 p yN yH 2 2
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。
3、平衡氨含量 平衡氨含量是在一定的温度、压力和氢氮比等条件下， 反应达到平衡时氨在气体混合物中的摩尔分数。 平衡氨含量即反应理论最大产量。 4、影响平衡时氨浓度的因素
吸收
精制
原料气经变换、脱硫脱碳后仍含有少量CO和微量CO2，这些 气体若进入合成塔，会导致氨合成催化剂中毒，活性降低， 寿命减短，因此在进入合成系统前需脱除残留的CO和CO2，此 过程称为原料气的精制。 目前大型合成氨装臵净化气精制工艺主要有铜氨液吸收、 液氮洗、甲烷化等。 1、铜氨液吸收法：用亚铜盐溶液（铜离子、酸根和氨组成的 水溶液）在高温低压下以吸收CO、CO2等气体，吸收液在减压 升温时再生，再生的铜氨液循环使用。 2、甲烷化法：在镍催化剂存在及280-380度的条件下，使CO、 CO2加氢生成甲烷。
4、氢氮比：氮的活性吸附为合成反应的控制阶段， 氮的含量对反应速率影响较大，略低于3可加快反应 速率。 实践：32MPa、450度、催化剂粒度1.2~2.5mm
空速24000(1/h)、R=2.6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
1、温度：氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行，而催化 剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性，所以氨合成反 应温度必须维持在催化剂的活性温度范围内。目前工业上使 用的铁催化剂的活性温度范围大体在400~525℃之间。 2、压力：工业上合成氨的各种工艺流程，一般都以压力的高低 来分，高压法：70~100MPa，中压法：20~50MPa，低压 法：10MPa。国内中型氨厂一般采用中压法，压强32MPa 左右，大型氨厂则通常采用压强16MPa左右。
12
6-5 脱碳
经变换后的变换气中含26～30%的二氧化碳，二氧化碳不 仅使合成氨催化剂中毒，也给原料气的进一步精制带来困 难，同时还造成CO2原料的大量浪费。工业上习惯把脱除和 回收CO2的过程称为脱碳。 最常应用的方法是改良的热钾碱法（物理吸收-解吸法）。
吸收液：27-30%的碳酸钾及氢氧化钠水溶液添加少量活化 剂二羟基乙二胺和缓蚀剂偏钒酸钾KVO3。 改良后的热钾碱法可使气体中的二氧化碳降低到0.1%， 硫 化氢降低到2-5毫克每立方米。
NH4HCO4
与磷酸反应
NH3+H3PO4