无机化工产品典型生产工艺

空气氮
固氮
Nitrogen
fixation
非生物固氮 生物固氮 人工固氮
其中，人工固氮指通过化学方法，使单质氮气转化为
含氮的化合物。目前工业上最常用、也最经济的是哈伯 法，即氮气(N2)与氢气(H2)在高温高压催化剂(铁)作用 下发生化合反应生成氨(NH3)。
氨的性质和用途
◆ 氨的分子式NH3，分子量17.031，正常沸点 239.65K (-33.5℃，临界温度405.55K(132.4℃)，临 界压力11.278 MPa。易溶于水，刺激眼睛和呼吸道， 使人体粘膜迅速脱水，空气中含氨超过5％将使人窒息死 亡。空气中的爆炸范围为15.5～28％。
⑵间歇式制取半水煤气的工作循环及设备
固定床间歇式气化制半水煤气的操作方式为燃烧与 制气分阶段进行，所用设备称煤气发生炉。炉中填满 块状煤或焦炭，首先吹入空气使煤完全燃烧生成CO2并 放出大量的热,使煤层升温，烟道气放空；待煤层温度 达1200℃左右，停止吹风，转吹水蒸气，与高温煤层 反应，生成CO、H2等气体，制成水煤气，送入气柜。 气化吸热使煤层温度下降，当降至950℃时，停止送蒸 汽，重新进行燃烧阶段。如此交替操作，完成制气。
第三章 无机化工产品 典型生产工艺
1
合成氨
2
硫酸
3
纯碱
4
烧碱与氯气
1 合成氨 Synthesis of Ammonia
1
1.1 概 述
2
1.2 原料气的制取
3
1.3 原料气的净化
4
1.4 氨的合成
5 1.5 合成氨发展趋势
1.1 概述 (Preface)
空气中含有大量的游离氮(N2：78.03%)，但是只有 极少数农作物(豆科)能够直接吸收空气中的游离氮，大 多数农作物只能吸收化合态氮来供给生长所需养分。固 氮是化学化工研究中既古老又前沿的课题。
⑵间歇式制取半水煤气的工作循环及设备
吹风→ 蒸汽吹净 → 一次上吹制气→下吹制气
（空气↑） （蒸汽↑）
⑵压力 降低压力有利于提高CO和H2的平衡浓 度，但加压有利于提高反应速率并减小反应体 积，目前气化一般采用2.5-3.2MPa，其CH4含量 较常压高些。
⑶水蒸气和氧气的比 氧的作用是与煤燃烧放 热供给水蒸气与煤的气化反应，H2O/O2比值对 温度和煤气组成有影响，其比值要依据采用煤 气化生产方法而定。
CO2 10.8 1.6 0.4 0.2
CO 16.9
N2 a=CO:(CO+CO2)
72.3
61.0
31.9 66.5
95.2
34.1 65.5
98.8
34.4 65.4
99.4
② 以水蒸气为气化剂
C+H2O
CO+H2
C+2H2O(g) CO2+2H2
CO+H2O(g) CO2+H2
C+2H2
CH4
造气
用煤、原油、或天然气作原料， 制备含氮、氢气的原料气。
净化
将原料气中的杂质如CO、 CO2、S等脱除到ppm级(10-6)。
压缩和 合成
净化后的合成气原料气必须经过 压缩到15-30MPa、450℃左右
原油或天然气
煤
空气
造气
蒸汽
氨
CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)
除尘 合成
◆ 氨是生产尿素、硝酸铵等化学肥料的主要原料，使农 业生产产量大大提高，为人类社会作出巨大贡献。
◆ 氨还是生产染料、炸药、医药、有机合成、塑料、合 成纤维、石油化工等的重要原料。
◆ 首例合成氨厂是1912年在德国建立的30t/d合成氨厂， 目前合成氨厂的规模已达到1000~1500t/d。
合成气的基本过程
脱硫 压缩
CO变换 脱CO2
脱除少量CO与CO2
合成氨的基本过程
焦炭或煤为原料合成氨
天然气为原料合成氨
1.2 煤为原料制合成气
空气煤气 ：以空气（实际是空气中的氧气）作气 化剂空气，气体中可燃成份主要为一氧化碳，一般 是高炉生产中的副产物。 水煤气 ：水煤气是由水蒸汽和高温碳反应而获得 的。所得煤气中 CO 和 H2 均较高。 混合煤气 ：混合煤气综合了空气煤气和水煤气的 特点，以水蒸汽和空气的混合物鼓入发生炉中，制 得比空气煤气热值高，比水煤气热值低的混合发生 炉煤气。
一、化学反应及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ艺条件
1 化学反应
① 以空气为气化剂
C+O2 ＝ CO2 C+1/2O2 ＝ CO C+CO2 2CO CO+1/2O2 ＝ CO2
∆H0298 KJ/mol -293.777 -110.595 172.284 -283.183
总压0.1MPa时空气煤气的平衡组成，体积%
温度，℃ 650 800 900 1000
温度一定、压力升高时， H2及CO含量降低； CO2 CH4等增加
煤气化生产方法及主要设备
⑴生产方法分类
煤气化过程需要吸热和高温，工业上采用燃烧 煤来实现。气化过程按操作方式分为：间歇式 和连续式，前者的工艺较后者落后，现正在被 淘汰。现一般按采用的反应器类型分为：固定 床（移动床）、流化床、气流床和熔融床。前 三种以被工业生产采用，而熔融床处于中试阶 段。
⑴温度 由上述热力学和动力学分析可知，温 度必须在900℃以上才有满意的气化速度，且 H2、CO含量较高，一般操作温度在1100℃以上 。近年来新工艺采用1500-1600℃进行气化， 使生产强度大大提高。
工艺条件（低压、高温）
由图可知：压力一 定、温度升高时， H2及CO含量增加； CO2及CH4等减小。
∆H0298 KJ/mol 131.390
90.196
-41.194
-74.898
合成氨工业中不仅要求合成气中H2 和CO含量高还要求（CO+H2)/N2=3.13.2（mol），所以需要用适量空气和 水蒸气为气化剂，所得气体为半水煤
气。
煤气化的化学反应速率
固体燃料中的碳和汽化剂在煤气发生炉中 所进行的反应属于气固相系统的多相反应。其 反应速度的大小不仅与碳和汽化剂的化学反应 速度有关，同时还受汽化剂向碳的表面扩散速 度的影响。
①碳和氧的反应
实践证明： Ⅰ、在温度高于1000℃时，燃烧产物主要 是CO、在500℃以下时主要是CO２， Ⅱ、温度低于775℃ ，属动力学控制； Ⅲ、温度高于900℃ ，扩散控制加剧。
②碳和水蒸气的反应
实践证明： Ⅰt＝400℃-1100℃ ，属动力学控制； Ⅱt大于1100℃ ，属扩散控制。
煤气化的反应条件