合成氨发展史及未来的发展方向

合成氨

发展史及未来的发展方向

合成氨发展史及未来的发展方向

各位同事工友们,下午好:

我今天演讲的题目就是“合成氨发展史及未来的发展方向”,就是一种科普性质的讲义,作为一个搞氨合成的专业技术人员来说,知道合成氨的发展历史与未来的发展方向,对把握我们公司的发展与了解我们的现状,很有必要与意义。

一、为什么叫合成氨

我们把氨叫做合成氨,为什么在氨的前面加了“合成”两个字,我们知道氨的分子式就是NH3,由于氨的不活泼性,使得人们直到19世纪晚期仍然普遍认为将氮与氨直接合成氨就是不可能的,20世纪初,虽然有人借助催化剂的作用合成了氨,但仍然认为无法工业化,因为确实遇到了诸如可供实际工业使用的催化剂难以找到、高温高压能够抵抗氢腐蚀的材料无法解决等问题,可以认为合成氨的技术开发历程阻力重重,举步维艰,经过千万次的不懈努力,才使得世界上第一座工业规模的氨系统于1913年在德国建成投产。从此开创了氮肥工业的新纪元。为了纪念氨开发的艰难,特在氨前面加“合成”两个字。

二、合成氨在国民经济中的地位与作用

1、用氨制造氮肥。我们知道土壤所缺的养份主要就是氮磷、钾。从解放前直至改革开放初期,中国的粮食产量一直不能自给自足,主要原因就是中国几乎所有的土壤都需补氮。

由于合成氨工业不能满足农业施肥的需要,土壤补氮不足,农作物只能在低产水平上徘徊(300斤过黄河,400斤跨长江),为了满足粮食生产的需要,我国一直把发展化肥工业作为整个化学工业的首要任务,中国要以全世界7%的耕地来养活全世界22%的人口。经过60多年的发展,我国合成氨制造与氮肥产量已居世界首位,合成氨作为制造氮肥的主要原料,为粮食增产、农民增收、社会稳定立下了汗马功劳。

2、氨的工业用途

氨就是氮的一种固定形式,除少数场合直接使用外,更主要的就是使用其中的氮与其她物质化合而成各种不同的含氮化合物,然后再用于各工业领域。

虽然氮分子只由两个氮原子组成,但就是氮原子可以形成三个键,如果这三个键都与氢原子相联,就形成了氨(NH3),将氨的氢原子以各种不同的化学物质取代,就会的到不同的衍生物。

氨中的氢原子被碳(C)取代后,由于碳的加入,氨由无机物而变为有机物---胺,按取代氢原子数目多少而依次排列为伯胺、仲胺与叔胺,这些都就是重要的化工原料。在特殊情况下,氮还可以产生第四个键,如也被碳(C)取代,即成为季胺,这就是构成人体的重要组成部分:胆胺及胆碱的基础。

氨基与苯环相联,就构成苯胺,这就是苯胺系如染料的基础原料,同时也就是重要的有机化工原料,例如聚氨脂塑料以

及医药的麻醉剂等。

氨基中的氮与羰基中的碳(C)相联,即成酰胺,这就是尼龙以及部分抗生素的重要组成部分,氨基与羧基碳、氮相联即组成氨基酸,由此形成蛋白质。氨基酸种类繁多,仅人体必需的就有19种以上。人们日常生活中的味精就就是一种氨基酸的盐类。

氨的三个键如全部与同一碳原子相联而成CN2-,这种氰根与一价阳离子化合,例如与H+或Na+化合,就会形成剧毒的氢氰酸或氰化钠,但这种氰根与碳相联,就会形成有机腈,这种有机腈不但无毒,还可造福人类,例如制造三聚氰胺树脂(密胺树脂)、聚丙烯腈纤维(人造羊毛)以及丁腈橡胶等。

氨与空气中的氧化合生成氧化氮,用水吸收即成硝铵,硝铵脱去氢即成硝酸根(NO3-),脱去羟基即就是硝基(NO22-),这些都就是制造炸药的最基本物质,因而就是军事工业的基础原料。

氨的衍生物实在太多,尤其进入有机世界更就是千变万化,以上只就是选择几种有代表意义的加以简单阐述。

除了上述化学品外,在其她领域诸如冶金、炼油、机械加工、矿石浮选、水净化、造纸皮革等行业均有使用。氨本身还就是很好的制冷剂,其优点就是标准沸腾温度低、冷凝与蒸发压力适中、单位容积制冷量大、汽化潜热大、价格低廉,因而被大中型冷库广泛使用(提问题:1、我公司用氨做制冷用

在哪个工段？2、您知道我公司氨制冷的冷凝温度与蒸发温度不？),总之,合成氨在农业与工业中起很大的作用。

三、氨生产简史

合成氨的基础条件

直接法合成氨其化学方程式非常简单:

3H2+N2=2NH3+Q

从化学平衡理论出发,反应后体积缩小一半,无疑提高压力会促使反应向右进行。

世界上第一个研究成功合成氨技术并使其实施的就是德国卡斯鲁荷技术大学的哈伯教授,她于1902年在美国的尼亚加拉瀑布参观了正在研究的电弧固定氮工厂后,对将空气中的氮直接固定成化合物产生了兴趣,回到德国就开始了氮与氢气直接合成的研究,在此之前,法国人夏特利埃在1901年曾采用高温高压合成了氨,并获得了一项专利,但最终结果就是发生了爆炸。哈伯于1902年与她的学生刚开始进行这项试验时,在常压及1000℃的条件下,反获得不到0、01%的氨,以后又与她人合作进行提高压力与降低温度的实验,于1908年在3、0Mpa下测出反应的平衡常数,同时指出,提高压力将提高平衡氨含量,但提高温度则对平衡极端不利,并测出了一组平衡数据,最高氨的平衡浓度只有0、9%。

哈伯的实验不断受到来自各方面的批判,认为这么低的氨平衡浓度不能实现工业化,也就认为哈伯的实验没有实际

意义。但就是哈伯坚持她的实验,认为氨的合成转化率非常小,只要把高压气体进行循环,并将生成的氨在此高压下除去,氨合成技术的方法应就是可行的。1908年底哈伯将这一想法系统地加以阐述并申请了专利。这一著名的“循环法”专利大致包括以下内容:气体通过高温催化剂、低温除氨、补充新鲜气后再次循环通过高温催化剂,全过程在一个压力下进行,进出催化剂的气体进行冷热交换,用蒸发成品氨来冷却分离气体中的氨,她的这些内容一直用到现在的合成氨厂。

哈伯继续做了大量研究与试验,用锇为催化剂在17、5---20Mpa、500---600℃条件下,已可获得6%的氨含量,对于哈伯的杰出贡献,被授予1918年的诺贝尔化学奖,德国巴斯夫公司购买了哈伯的专利,并派博施作为代表进行工业化合成氨试验。于1913年建成世界上第一座合成氨工厂并正式进入商业运行,对博施的特殊贡献,被授予1931年的诺贝尔化学奖。

由此开始,世界合成氨工业迅速发展,带动化学工业相关产业的发展,尤其就是对农业的贡献,对粮食的增产起到了非常重要的作用。2007年德国的化学家埃特尔阐明合成氨相关表面反应机理,获得了当年诺贝尔化学奖。“合成氨领域也许还将出现第四个诺贝尔奖,因为她的影响实在就是太大了”这就是中科院院士、南京大学陈义教授的预测。

四、中国合成氨工业发展史