工业合成氨简易流程图 文档

一、 氨合成反应的热效应
氨合成反应为： N 2＋3H2
2NH 3
Δ
H
? 298
=-92.4kJ/mol
不同温度、压力下，纯氢氮混合气完全转化为氨的反应热： Δ HF=38338.9+[22.5304+3474.4/T+1.89963 ×1010/T 3]p +22.3864T+10.5717 ×10-4T2 -7.08281 ×10-6T3 Δ HF—纯氢氮混合气完全转化为氨的反应热， kJ/mol ； p—压力，MPa; T—温度，K。
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? 合成氨反应特点： ? (1)可逆反应。即在氢气和氮气反应生成氨的同时，氨也分
解成氢气和氮气。 ? (2)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。 ? (3)体积缩小的反应。
? (4)反应需要有催化剂才能较快的进行。
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二、氨合成反应的化学平衡
? 反应达到平衡时的平衡常数可表示为：
32 60.43 54.00
33.00 43.60
24.71 34.24 18.24 30.90
12.62 18.99
60 80 75.32 81.80 69.94 77.24 60.35 68.68 50.62 59.42 41.44 50.13 31.81 39.78
温度越低，压力越高，平衡氨含量 yNH3 越高
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结论： 提高平衡氨含量 升高压力、降低温度和减少惰气含量。
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四、氨合成反应速率
? 1.反应机理 ? 在催化剂的作用下，氢与氮生成氨的反应是一气固相催
化反应。由以下几个步骤所组成： (1)气体反应物扩散到催化剂外表面； (2)反应物自催化剂外表面扩散到毛细孔内表面； (3)气体被催化剂表面 (主要是内表面 )活性吸附(与普通吸附
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?学习目标：
掌握氨合成反应的基本原理及氨的合成工艺条件的选择及 工艺流程分析；
熟悉氨合成塔结构特点，并流双套管氨合成塔的结构及其 它塔型的分析;
了解氨合成反应机理、合成氨催化剂、动力学方程及二气 回收的处理方法;
了解物料衡算和热量衡算及氨合成过程中的能量分析和余 热回收;
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第一节 氨合成反应的基本原理
工业合成氨简易流程图
除去杂质气体、粉 尘等，防止催化剂
“中毒”
N2和H2(循环 )
制取 净 压 合 冷 分 原料 化 缩 成 凝 离
气
(循环操作过程 )
液氨
1
第三章 氨的合成
?氨的合成 ?氨的合成是整个合成氨生产过程中的 核心部分，任
务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的条件下， 将经过精制的 H2、N2组成约为3:1的原料气 直接加 入合成塔，催化剂作用下合成为氨。
?
1
yH2
?
(1 ?
yi
?
yNH
3
)
? r
?
1
Kp ?
1 p
?wk.baidu.com
yNH 3
y ? y 1.5 0.5
H2
N2
?
(1 ?
yNH 3 yi ? yNH 3
)2
(r ? 1)2 ? p ?r 1.5
(1 ?
y NH 3 yi ? y NH 3 )2
?
r 1.5
Kp
?
p
? (r
?
1)2
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影响平衡氨含量的因素
的区别在于有化学力参与在内，并放出热量)； (4)吸附状态的气体在催化剂表面上起化学反应，生成产物；
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(5)产物自催化剂表面解吸； (6)解吸后的产物从催化剂毛细孔向外表面扩散； (7)产物由催化剂外表面扩散至气相主流。
以上七个步骤中，(1)、(7)为外扩散过程；(2)、 (6)为内 扩散过程；(3)、4)和（5）总称为化学动力学的过程。
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2. 影响反应速率的因素
反应速度--是以单位时间内反应物质浓度的减少量或生成 物质浓度的增加量表示。
影响氨合成反应速度因素： ①压力的影响 当温度和气体组成一定时，提高压力，正反应速率增大， 逆反应速率减小。提高压力净反应速率提高。 ②氢氮比的影响 反应初期的最佳氢氮比为1，随着反应的进行，氨含量不 断增加，欲使rNH3 保持最大值，最佳氢氮比应随之增大。
p,MPa
β ×104
I
1 0 1.933
3 0.34 2.021
5 1.256 2.090
10 1.256 2.113
30 1.256 2.206
60 10.856 3.059
100 26.833 4.473
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不同温度、压力下H2/N2＝3纯氢氮混合气体反应的Kp值
合成氨时，当原料组成一定时，平衡常数Kp值随温度 降低、压力升高而增大。
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b. 氢氮比r的影响
若不考虑 r对Kp的影响，
知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， 具有
最大 yNH3 时的 r略小于 3， 约在 2.68～2.90之间， 如 图所示：
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c. 惰性气体含量的影响
惰性气体指不参加合成氨反应的甲烷和氩气
◆ 由图3-2知，惰性气体含量增加，平衡氨含量减小，因 为增加惰性气体含量相当于降低了反应物的分压，即惰性 气体对氨合成不利。 ◆ 另外，氨合成为不完全反应，未反应原料气体需要循环利 用，必然造成惰性气体的富集，最终采取部分放空的办法 减少惰性气体，造成原料气的浪费。
a．压力和温度的影响
当r＝3时， yi =0时，不同温度、
压力下的平衡氨含量值如下表：
T/℃
360 384 424 464 504 552
10 35.10 29.00 20.63 14.48 10.15 6.71
15 43.35 36.84 27.39 19.94 14.39 9.75
压力/MPa
20 49.62 43.00
Kp ?
p NH 3
p ? p 1 . 5
0 .5
H2
N2
?
1 p
?
y
y
1 .5 H2
NH 3
?y
0 .5 N2
压力较低时，气体混合物视为理想气体。
Kp 值仅与温度 有关
lg Kp ? 2001.6 / T ? 2.6911lg T ? 5.5193? 10?5T ? 1.8489 ? 10?7T 2 ? 3.68
当压力较高时，气体混合物视为非理想气体，Kp 不仅与温
度有关，还与压力、气体在组成有关，当压力在1.0-
100MPa 下，Kp可用以下经验公式计算：
lg Kp ? 2074.8 /T ? 2.4943lgT ? BT ? 1.856 ? 10?7T 2 ? I
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其中β和 I 为与压力有关的系数，见下表：
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三、平衡氨含量及其影响因素
平 衡
氨合成反应达到化学平衡时，混合气体中氨的含 量称为平衡氨含量，又可称为氨的平衡产率。
氨
有了平衡常数Kp，计算平衡氨含量就比较容易。
含 量
设进口氢氮比为r，平衡混合气中NH3的平衡含量为 yNH3，惰性气体组成为yi，则：
1
r
yN2
?
(1 ?
yi
?
y NH
3
)
? r