化工工艺学1章合成氨.ppt
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【优点】热利用率高、自动化程度高、 生产成本低。
二、原料气的制取 Production of synthetic gases
工段一 “一段转化”及“二段转化”
氮气
+ 氢气
合成氨
氮气的制取
工段一
• 制备方法：
①深度冷冻将空气液化，使空气中O2、N2分开，得到纯 净的氮气。
②将H2在空气中燃烧，是空气中O2与H2化合成水，剩下 纯净的氮气。
n-1
3n+1
n-1
CnH2n+1(g) + ———H2O(g) =
CH —————
4
(g)
+
CO ———
2
(g)
2
4
4
（3）
但要完成这一工业过程，必须对可能发生的主要反应及副反应进行详细研 究。主要的副反应有：
✓ ✓ 析碳反应 ✓ （副反应）
CH4(g) = C (s) + 2H2(g)
－Q
2CO(g) = CO2(g) + C(s)
• 本门课学习方法
✓ 化学原理
✓ 生产方法
✓ 工艺条件（T、P、catalyst……)
✓ 工艺流程
✓ 关键设备
①用什么原料？②用什么方法？ ③具体如何实现？
（化学原理）
H2 NH3
N2 3H2+N2=2NH3
（生产方法） （工艺流程、工艺条件、关键设备）
H2如何得？ N2如何得？ 如何合成NH3？
原料的制取 原料的净化
氨的合成 三废治理
• 前景
本门课是进行化工过程开发（开发 新工艺、新产品、新设备）、设计、 化工厂建设的基础，是进入化工企 事业所须掌握的一门基础课。
• 要求
54学时3学分 必须上课听讲并做好笔记 闭卷考试
合成氨 Synthesis of Ammonia
• 1 概述
• 2 原料气的制取 • 3 原料气的净化 • 4 氨的合成
• 目前最重要最经济的方法是合成氨法。 首例合成氨厂是
1912年在德国建立的日产30砘合成氨的工厂。目前先进 合成氨厂的规模已达到1000~1500T/日。
• 合成氨首先为农业生产提供了充足的肥料，使农业生产
产量大大提高，为人类社会发展和人口增长作出了巨大 贡献。
• 氨除了主要用作化学肥料的原料外，还是生产染料、炸
化工工艺学
Chemical engineering technics
应用化学专业 54学时
前言
• 化工工艺学
是关于化工生产工艺基本概念和基本理 论的学科。
化学加工
原料
产品
• 本门课内容
掌握几个典型的化工产品的生产过程：
合成氨、氮肥（尿素、硝酸铵）、磷酸、 硫酸、硝酸、纯碱、乙烯等基本有机化 工产品的生产及石油炼制、煤化工。
质烃类转化。其中以天然气为原料的气态烃类转化过程 经济效益最高，因此本节重点介绍气态烃类蒸汽转化过 程。
• 天然气中主要成份为甲烷，还含有乙烷、丙烷及其他少
量烯烃等，其中也有极少量的S等对催化剂有害的元素。 一般以甲烷为代表来讨论气态烃类蒸汽转化的主要反应 及其控制条件。
工段一之化学原理
1 转化的化学原理 P3
药、医药、有机合成、塑料、合成纤维、石油化工等的 重要原料。
• 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。
• 目前的主要生产过程：
(1) 制气 用煤或原油、天然气作原料，制备含氮、氢气 的原料气。
工段一之工艺条件
2.1 甲烷蒸汽转化反应的热力学分析 P3
• 平衡常数
跟压力的关系：
• 两个制气反应的平衡常数为：
K
0 p1
pCO
p3 H2
p p CH 4 H2O p0
2
(2.1)
K
0 p
2
p p CO2 H 2 pCO pH2O
(2.2)
• 上式是将体系视为理想气体混合物的结论，通常转化过程 压力不是太高，用它来计算误差不大。利用热力学原理可 导出平衡常数与温度的关系。
气态烃原料以甲烷为主要成分，在高温、催化剂存在的条件下发生下述转 化反应：
✓ 转化反应 CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g) － Q ✓（主反应） CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g) + Q
（1） （2）
气态原料烃一般是各种烃的混合物，在蒸汽转化过程中这些高级烷烃进行 如下反应，且因反应的平衡常数很大，其转化反应是完全的。反应如下：
③氮气也可在合成氨制造氢气的同时制得。（二段转化时 引入的空气中的O2与一段转化得到的H2燃烧，得到氮 气。
工段一
氢气的ห้องสมุดไป่ตู้取
• 因为氢气不能直接从其他混合物中取得，合成氨生产过
程中更为重要问题的是如何获取纯净的氢气而不是氮气。 可以说合成氨的绝大多数过程都是在制取氢气。
• 氢气的主要来源有：气态烃类转化、固体燃料气化和重
(2) 净化 将原料气中的杂质：CO、CO2、S等脱除到 ppm级。（ ppm：百万分比浓度）
(3)压缩和合成 合成氨需要高温、高压，净化后的合 成气原料气必须经过压缩到15~30MPa、450°Ｃ左右， 在催化剂的作用下才能顺利地在合成塔内反应生成氨。
• 其主要过程如图1和图2。
焦炭或煤 空气 蒸汽
造气
除尘
脱CO2 压缩
脱硫
CO变换
脱除少量 CO和CO2
合成
• 图1 以焦炭或煤为原料的合成氨流程
氨
工段二
脱硫
蒸汽
工段一
一段转化 二段转化
工段三
高温CO变换
天然气 压缩
工段六
氨冷凝 合成
空气 压缩
低温CO变换
工段五
工段四
压缩 甲烷化 脱出CO2
氨分离 液氨
CO2
• 图2 以天然气为原料的合成氨流程
一、 概述 Introduction
• 空气中含有大量的游离氮，但是只有极少数农作物才能
直接吸收空气中的氮。大多数作物只能吸收化合态氮来 供给生长所需主要养分。将空气中的氮转化为氮化合物 的过程称为固定氮，它是化学化工研究中既古老又前沿 的课题。
• 目前已投入工业生产的主要固定氮方法：
1.合成氨法 2. 氰氨法 3.电弧法
+Q
CO(g) + H2(g) = C(s) + H2O(g) + Q
（4） （5） （6）
工段一之工艺条件
2 转化的工艺条件
2.1 甲烷蒸汽转化反应的热力学分析 P3
热力学解决的是：是否有推动力-△B，反应可 否进行的问题。（参见《物化上册》）
2.2 甲烷蒸汽转化反应的动力学分析 P5
动力学解决的是：如何提高反应速率，减少反应 阻力，缩短达到平衡的时间的问题。（参见 《物化下册》）
二、原料气的制取 Production of synthetic gases
工段一 “一段转化”及“二段转化”
氮气
+ 氢气
合成氨
氮气的制取
工段一
• 制备方法：
①深度冷冻将空气液化，使空气中O2、N2分开，得到纯 净的氮气。
②将H2在空气中燃烧，是空气中O2与H2化合成水，剩下 纯净的氮气。
n-1
3n+1
n-1
CnH2n+1(g) + ———H2O(g) =
CH —————
4
(g)
+
CO ———
2
(g)
2
4
4
（3）
但要完成这一工业过程，必须对可能发生的主要反应及副反应进行详细研 究。主要的副反应有：
✓ ✓ 析碳反应 ✓ （副反应）
CH4(g) = C (s) + 2H2(g)
－Q
2CO(g) = CO2(g) + C(s)
• 本门课学习方法
✓ 化学原理
✓ 生产方法
✓ 工艺条件（T、P、catalyst……)
✓ 工艺流程
✓ 关键设备
①用什么原料？②用什么方法？ ③具体如何实现？
（化学原理）
H2 NH3
N2 3H2+N2=2NH3
（生产方法） （工艺流程、工艺条件、关键设备）
H2如何得？ N2如何得？ 如何合成NH3？
原料的制取 原料的净化
氨的合成 三废治理
• 前景
本门课是进行化工过程开发（开发 新工艺、新产品、新设备）、设计、 化工厂建设的基础，是进入化工企 事业所须掌握的一门基础课。
• 要求
54学时3学分 必须上课听讲并做好笔记 闭卷考试
合成氨 Synthesis of Ammonia
• 1 概述
• 2 原料气的制取 • 3 原料气的净化 • 4 氨的合成
• 目前最重要最经济的方法是合成氨法。 首例合成氨厂是
1912年在德国建立的日产30砘合成氨的工厂。目前先进 合成氨厂的规模已达到1000~1500T/日。
• 合成氨首先为农业生产提供了充足的肥料，使农业生产
产量大大提高，为人类社会发展和人口增长作出了巨大 贡献。
• 氨除了主要用作化学肥料的原料外，还是生产染料、炸
化工工艺学
Chemical engineering technics
应用化学专业 54学时
前言
• 化工工艺学
是关于化工生产工艺基本概念和基本理 论的学科。
化学加工
原料
产品
• 本门课内容
掌握几个典型的化工产品的生产过程：
合成氨、氮肥（尿素、硝酸铵）、磷酸、 硫酸、硝酸、纯碱、乙烯等基本有机化 工产品的生产及石油炼制、煤化工。
质烃类转化。其中以天然气为原料的气态烃类转化过程 经济效益最高，因此本节重点介绍气态烃类蒸汽转化过 程。
• 天然气中主要成份为甲烷，还含有乙烷、丙烷及其他少
量烯烃等，其中也有极少量的S等对催化剂有害的元素。 一般以甲烷为代表来讨论气态烃类蒸汽转化的主要反应 及其控制条件。
工段一之化学原理
1 转化的化学原理 P3
药、医药、有机合成、塑料、合成纤维、石油化工等的 重要原料。
• 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。
• 目前的主要生产过程：
(1) 制气 用煤或原油、天然气作原料，制备含氮、氢气 的原料气。
工段一之工艺条件
2.1 甲烷蒸汽转化反应的热力学分析 P3
• 平衡常数
跟压力的关系：
• 两个制气反应的平衡常数为：
K
0 p1
pCO
p3 H2
p p CH 4 H2O p0
2
(2.1)
K
0 p
2
p p CO2 H 2 pCO pH2O
(2.2)
• 上式是将体系视为理想气体混合物的结论，通常转化过程 压力不是太高，用它来计算误差不大。利用热力学原理可 导出平衡常数与温度的关系。
气态烃原料以甲烷为主要成分，在高温、催化剂存在的条件下发生下述转 化反应：
✓ 转化反应 CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g) － Q ✓（主反应） CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g) + Q
（1） （2）
气态原料烃一般是各种烃的混合物，在蒸汽转化过程中这些高级烷烃进行 如下反应，且因反应的平衡常数很大，其转化反应是完全的。反应如下：
③氮气也可在合成氨制造氢气的同时制得。（二段转化时 引入的空气中的O2与一段转化得到的H2燃烧，得到氮 气。
工段一
氢气的ห้องสมุดไป่ตู้取
• 因为氢气不能直接从其他混合物中取得，合成氨生产过
程中更为重要问题的是如何获取纯净的氢气而不是氮气。 可以说合成氨的绝大多数过程都是在制取氢气。
• 氢气的主要来源有：气态烃类转化、固体燃料气化和重
(2) 净化 将原料气中的杂质：CO、CO2、S等脱除到 ppm级。（ ppm：百万分比浓度）
(3)压缩和合成 合成氨需要高温、高压，净化后的合 成气原料气必须经过压缩到15~30MPa、450°Ｃ左右， 在催化剂的作用下才能顺利地在合成塔内反应生成氨。
• 其主要过程如图1和图2。
焦炭或煤 空气 蒸汽
造气
除尘
脱CO2 压缩
脱硫
CO变换
脱除少量 CO和CO2
合成
• 图1 以焦炭或煤为原料的合成氨流程
氨
工段二
脱硫
蒸汽
工段一
一段转化 二段转化
工段三
高温CO变换
天然气 压缩
工段六
氨冷凝 合成
空气 压缩
低温CO变换
工段五
工段四
压缩 甲烷化 脱出CO2
氨分离 液氨
CO2
• 图2 以天然气为原料的合成氨流程
一、 概述 Introduction
• 空气中含有大量的游离氮，但是只有极少数农作物才能
直接吸收空气中的氮。大多数作物只能吸收化合态氮来 供给生长所需主要养分。将空气中的氮转化为氮化合物 的过程称为固定氮，它是化学化工研究中既古老又前沿 的课题。
• 目前已投入工业生产的主要固定氮方法：
1.合成氨法 2. 氰氨法 3.电弧法
+Q
CO(g) + H2(g) = C(s) + H2O(g) + Q
（4） （5） （6）
工段一之工艺条件
2 转化的工艺条件
2.1 甲烷蒸汽转化反应的热力学分析 P3
热力学解决的是：是否有推动力-△B，反应可 否进行的问题。（参见《物化上册》）
2.2 甲烷蒸汽转化反应的动力学分析 P5
动力学解决的是：如何提高反应速率，减少反应 阻力，缩短达到平衡的时间的问题。（参见 《物化下册》）