合成氨工艺
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来源于空气，空气液化分离 来源于水（电解）和焦炭，煤及含有烃（天然气和 重油等）等各种燃料与水蒸汽作用气化。
8
氨合成原则流程
氨的生产过程：原料的生产；原料气的净化；氨的合成；氨的 分离。
造 原料
净
氨 的 合
氨 的 分
氨
气
化
成
离
循环气
9
氨合成的理论基础
氨合成的热力学基础
（） 化学反应与反应热
N HNQ H 0 . 5 2 1 . 5 2 3
15
哪一步是控制步骤，取决于反应条件。
外扩散是否成为控制阶段，取决于气速和催化剂的活性。 由于高气速还可以提高生产能力，所以采用了足够大的 气速，因此外扩散通常不会成为控制阶段。
氨合成的催化剂，活性不太高，具有许多内孔，它的内表面 比外表面要大几万倍。反应过程是内扩散控制还是化学动力 学控制，取决于反应温度和催化剂颗粒的大小等因素 。
大家好
1
第二章 典型化工产品工艺学 §. 合成氨生产
2
主要内容
合成氨概述 合成氨的原料及原则流程 氨合成的理论基础 氨合成的工艺条件 原料气的生产 原料气的净化 氨的合成 合成氨生产的发展趋势
3
4
合成氨概述
一、氨的性质及用途 、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[比重为]。在、℃，或在常温下加压到～，就能 将氨变成无色的液体，同时放出大量的热量。液氨的相对密 度为（℃）。若将液氨在压力下冷却至℃，就能凝结成略带 臭味的无色结晶。液氨容易气化，降低压力可急剧蒸发，并 吸收大量的热。氨极易溶于水，可制成含氨～（质量分数） 的商品氨水。
吸收
6
二、合成氨工业发展简介
氨的合成反应式：⇌ 年 法国物理学家吕∙查德利指出氨合成的条件：高温、Hale Waihona Puke Baidu压、催 化剂。 年，德国人弗里茨·哈伯以锇为催化剂 在～和～℃温度下进行了 合成氨研究，得到％的氨。年成功地 建立了能生产氨的试验装置。因此获 得年瑞典科学院诺贝尔化学奖。 他成功地设计了原料气的循环工艺 合成氨的哈伯法。
14
氨合成动力学
氢氮混合气在铁催化剂表面上发生的反应大体包括下列几步：
气体向催化剂表面（外表面和内表面）扩散。
气体在催化剂表面发生活性吸附。
(气) (吸附)
(气) (吸附)
吸附的氮和吸附的氢发生反应生成氨
(吸附) (吸附)
(吸附)
生成的氨从(吸催附化)剂(吸表附面)解吸 (吸附)
(吸附)
(气)
解吸的氨 (从吸催附化）剂(吸表附面)向气体主流(吸扩附散) 。
Kp
pNH 3 p p 0.5 1.5
N2 H2
1 p
yNH 3 y y 0.5 1.5
N2 H2
13
y (1yyi)2
pKp
R1.5 (1R)2
氢氮比 氢氮比即，为了求取氨浓度值最大时的值，应对上式 求导数。当导数为时，可求得。这就是说当值等于时，值最大。
温度 温度对平衡氨浓度的影响，可以根据值判断。温度越低, 值 越大，而且增长的程度也剧烈。因此，研制低温催化剂是当前合 成氨的一个重要发展方向。 压强 可以看出压强越大，平衡浓度也越大。 惰气含量 惰气存在，降低氮氢的有效分压，是平衡氨含量降低
⑵氨的化学性质较活泼，能与酸反应生成盐。如与磷酸反 应生成磷酸铵；与硝酸反应生成硝酸铵；与二氧化碳反应生 成氨基甲酸铵，脱水后成为尿素；与二氧化碳和水反应生成 4
吸收
5
、氨的用途 ⑴制造化学化肥的原料。除液氨本身可作为化学肥料外， 农业上使用的所有氮肥、含氮混合肥和复合肥，都以氨为原 料。 ⑵生产其他化工产品的原料。基本化学工业中的硝酸、纯 碱、含氮无机盐，有机化学工业中的含氮中间体，制药工业 中的磺胺类药物、维生素、氨基酸，以及化学纤维和塑料工 业中的各种产品都需要直接或间接地以氨为原料。 ⑶应用于国防工业和尖端技术中。作为制造三硝基甲苯、 三硝基苯酚、硝化甘油、硝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、5
由于化学反应（含化学吸附）的活化能比扩散活化能高很多 倍，温度对前者的影响比后者大。所以很有可能是低温时是 化学动力学控制，高温时是内扩散控制。
16
不同颗粒催化剂的反应结果
低温时，不受颗粒大小影响为动力学控制，高温时，使用 小颗粒效果好，表明高温时大颗粒催化剂是内扩散控制。
17
. 催化剂
氨合成时采用以铁为主体的催化剂。铁催化剂按下列组 成配料： ∼， ∼， ∼， ∼， ∼，若干。
支撑骨架，增强催化剂的抗病毒能力，延长催化剂的使用 寿命。
催化剂中毒
暂时中毒:少量氧和氧化物的存在将使活性铁氧化
弗里茨·哈伯 （1868.12.9-1934.1.629）
吸收
7
年米塔希经过了多达 次试验，测试了 种不同的配方，研究成 功以铁为活性组分、含钾铝促进剂的铁合成催化剂，铁基催 化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得，从而使合成氨生产得 以实现工业化。
7
吸收
合成氨的原料及原则流程
合成氨的直接原料：氢气和氮气
催化剂的活性成分是铁。使用时将催化剂装在反应器内 用原料气使铁的氧化物还原成铁。这种铁具有海绵状结构， 内表面积很大。
（ ，）
支撑骨架。增大比表面，提高催化剂的活性； 可以促使催化剂的金属电子逸出功降低，有助于氮的活性 吸附；
18
可以降低熔炼时物料的熔点和粘度，起到助熔剂的作用， 提高催化剂的稳定性。
或：
Kp
Kf K
式中 和 为各组分的逸度和逸度系数。
11
() 影响平衡时氨浓度的因素
在氨的合成应中，设为总压，、、、分别代表、、、惰气的 摩尔分数，则
yN 2yH 2yN3H yi1
原始氢氮比: R y H 2 yN2
12
yN2
1 y yi 1 R
yH2
R(1yyi ) 1R
在反应达到平衡时
氨的合成反应是放热、体积缩小的可逆反应： 按照一般规律，反应热只与温度有关。但是合成氨是在高 压下进行的，在高压下气体的规律已偏离理想状态。因此 反应热与温度、压力和气体的组成有关。
10
() 化学平衡及平衡常数
在高压下，气体的行为偏离理想状态的规律，平衡常 数可通过下式求出：
K f fN 0 2 .5 fN •3 fH H 1 .2 5N 0 .2 5N •31 H H .5 2•p N 0 .p 2 5N •p 31 H H .5 2 K •K p
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氨合成原则流程
氨的生产过程：原料的生产；原料气的净化；氨的合成；氨的 分离。
造 原料
净
氨 的 合
氨 的 分
氨
气
化
成
离
循环气
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氨合成的理论基础
氨合成的热力学基础
（） 化学反应与反应热
N HNQ H 0 . 5 2 1 . 5 2 3
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哪一步是控制步骤，取决于反应条件。
外扩散是否成为控制阶段，取决于气速和催化剂的活性。 由于高气速还可以提高生产能力，所以采用了足够大的 气速，因此外扩散通常不会成为控制阶段。
氨合成的催化剂，活性不太高，具有许多内孔，它的内表面 比外表面要大几万倍。反应过程是内扩散控制还是化学动力 学控制，取决于反应温度和催化剂颗粒的大小等因素 。
大家好
1
第二章 典型化工产品工艺学 §. 合成氨生产
2
主要内容
合成氨概述 合成氨的原料及原则流程 氨合成的理论基础 氨合成的工艺条件 原料气的生产 原料气的净化 氨的合成 合成氨生产的发展趋势
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4
合成氨概述
一、氨的性质及用途 、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[比重为]。在、℃，或在常温下加压到～，就能 将氨变成无色的液体，同时放出大量的热量。液氨的相对密 度为（℃）。若将液氨在压力下冷却至℃，就能凝结成略带 臭味的无色结晶。液氨容易气化，降低压力可急剧蒸发，并 吸收大量的热。氨极易溶于水，可制成含氨～（质量分数） 的商品氨水。
吸收
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二、合成氨工业发展简介
氨的合成反应式：⇌ 年 法国物理学家吕∙查德利指出氨合成的条件：高温、Hale Waihona Puke Baidu压、催 化剂。 年，德国人弗里茨·哈伯以锇为催化剂 在～和～℃温度下进行了 合成氨研究，得到％的氨。年成功地 建立了能生产氨的试验装置。因此获 得年瑞典科学院诺贝尔化学奖。 他成功地设计了原料气的循环工艺 合成氨的哈伯法。
14
氨合成动力学
氢氮混合气在铁催化剂表面上发生的反应大体包括下列几步：
气体向催化剂表面（外表面和内表面）扩散。
气体在催化剂表面发生活性吸附。
(气) (吸附)
(气) (吸附)
吸附的氮和吸附的氢发生反应生成氨
(吸附) (吸附)
(吸附)
生成的氨从(吸催附化)剂(吸表附面)解吸 (吸附)
(吸附)
(气)
解吸的氨 (从吸催附化）剂(吸表附面)向气体主流(吸扩附散) 。
Kp
pNH 3 p p 0.5 1.5
N2 H2
1 p
yNH 3 y y 0.5 1.5
N2 H2
13
y (1yyi)2
pKp
R1.5 (1R)2
氢氮比 氢氮比即，为了求取氨浓度值最大时的值，应对上式 求导数。当导数为时，可求得。这就是说当值等于时，值最大。
温度 温度对平衡氨浓度的影响，可以根据值判断。温度越低, 值 越大，而且增长的程度也剧烈。因此，研制低温催化剂是当前合 成氨的一个重要发展方向。 压强 可以看出压强越大，平衡浓度也越大。 惰气含量 惰气存在，降低氮氢的有效分压，是平衡氨含量降低
⑵氨的化学性质较活泼，能与酸反应生成盐。如与磷酸反 应生成磷酸铵；与硝酸反应生成硝酸铵；与二氧化碳反应生 成氨基甲酸铵，脱水后成为尿素；与二氧化碳和水反应生成 4
吸收
5
、氨的用途 ⑴制造化学化肥的原料。除液氨本身可作为化学肥料外， 农业上使用的所有氮肥、含氮混合肥和复合肥，都以氨为原 料。 ⑵生产其他化工产品的原料。基本化学工业中的硝酸、纯 碱、含氮无机盐，有机化学工业中的含氮中间体，制药工业 中的磺胺类药物、维生素、氨基酸，以及化学纤维和塑料工 业中的各种产品都需要直接或间接地以氨为原料。 ⑶应用于国防工业和尖端技术中。作为制造三硝基甲苯、 三硝基苯酚、硝化甘油、硝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、5
由于化学反应（含化学吸附）的活化能比扩散活化能高很多 倍，温度对前者的影响比后者大。所以很有可能是低温时是 化学动力学控制，高温时是内扩散控制。
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不同颗粒催化剂的反应结果
低温时，不受颗粒大小影响为动力学控制，高温时，使用 小颗粒效果好，表明高温时大颗粒催化剂是内扩散控制。
17
. 催化剂
氨合成时采用以铁为主体的催化剂。铁催化剂按下列组 成配料： ∼， ∼， ∼， ∼， ∼，若干。
支撑骨架，增强催化剂的抗病毒能力，延长催化剂的使用 寿命。
催化剂中毒
暂时中毒:少量氧和氧化物的存在将使活性铁氧化
弗里茨·哈伯 （1868.12.9-1934.1.629）
吸收
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年米塔希经过了多达 次试验，测试了 种不同的配方，研究成 功以铁为活性组分、含钾铝促进剂的铁合成催化剂，铁基催 化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得，从而使合成氨生产得 以实现工业化。
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吸收
合成氨的原料及原则流程
合成氨的直接原料：氢气和氮气
催化剂的活性成分是铁。使用时将催化剂装在反应器内 用原料气使铁的氧化物还原成铁。这种铁具有海绵状结构， 内表面积很大。
（ ，）
支撑骨架。增大比表面，提高催化剂的活性； 可以促使催化剂的金属电子逸出功降低，有助于氮的活性 吸附；
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可以降低熔炼时物料的熔点和粘度，起到助熔剂的作用， 提高催化剂的稳定性。
或：
Kp
Kf K
式中 和 为各组分的逸度和逸度系数。
11
() 影响平衡时氨浓度的因素
在氨的合成应中，设为总压，、、、分别代表、、、惰气的 摩尔分数，则
yN 2yH 2yN3H yi1
原始氢氮比: R y H 2 yN2
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yN2
1 y yi 1 R
yH2
R(1yyi ) 1R
在反应达到平衡时
氨的合成反应是放热、体积缩小的可逆反应： 按照一般规律，反应热只与温度有关。但是合成氨是在高 压下进行的，在高压下气体的规律已偏离理想状态。因此 反应热与温度、压力和气体的组成有关。
10
() 化学平衡及平衡常数
在高压下，气体的行为偏离理想状态的规律，平衡常 数可通过下式求出：
K f fN 0 2 .5 fN •3 fH H 1 .2 5N 0 .2 5N •31 H H .5 2•p N 0 .p 2 5N •p 31 H H .5 2 K •K p