合成氨生产技术.pptx
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化工生产操作与控制
应用化工技术专业
项目一 合成氨 Synthesis of Ammonia
• 任务一 概述
• 任务二 原料气的制取 • 任务三 原料气的净化 • 任务四 氨的合成
了解国内外合成 氨生产现状及主
要生产方法
知识目标
掌握合成氨生产的 原理
熟悉合成氨的生产步骤 及相关知识
根据化学反应规律， 能够判断原料的优劣
➢ 烃类主要是天然气、石脑油和重油。重油一般采 用部分氧化法，天然气和石脑油一般采用蒸汽转 化法。石脑油的蒸汽转化原理与天然气蒸汽转化 原理相近。
合
成
任务二 原料气的制备
氨1、烃类蒸气转化法的化学反应
天然气的主要成分为CH4，以天然气为原料的蒸汽转化反应为： （1）一段转化反应
C H 4 + H 2 O ( g ) C O + 3 H 2 Δr H m =206 kJ/mol
动力学分析
• 烃类蒸汽转化反应是吸热的可逆反应，高温对反 应速率和反应平衡都有利，但即使在1000时，反 应速率仍然很低，因此，需用催化剂来加快反应 速率，由于烃类蒸汽转化过程是在高温下进行的， 且存在析碳问题，这样就要求催化剂除具有高活 性、高强度外，还要具有较好的热稳定性和抗析 碳能力，镍催化剂是目前工业上最常用的催化剂。
• (2) 净化 将原料气中的杂质：CO、CO2、S等 脱除到ppm级。
• (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。
• (4)氨的分离
• 其主要过程如图1.1和图1.2。
空气、煤(或天然气)、 蒸汽
• 扩散作用对甲烷蒸汽转化反应的影响
• 反应主要取决于在催化剂内表面的反应，所以该 反应控制步骤为内表面控制。因此减小粒度增加 内表面积有利于扩散过程和提高反应速率。
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
任务二 原料气的制备
氨 2.气流床连续气化法
被誉称为“第三代煤气化炉”的德士古造气技 术，是当代国际上最富有竞争力的气流床连续气化 法的一种。
德士古煤气化法原料煤种广泛，可利用劣质煤， 只要灰熔点较低即可，碳转化率为98.5%~99.5%， 且炉内耐火材料可以连续使用2年。该法气化强度高， 可直接获得低含量烃（甲烷含量<0.1％）的原料气， 无需加入蒸汽，不足之处是由于入炉水分大，氧耗 较高。因此比较适合有廉价低灰熔点煤种的地区。
C H 4 + H 2 O ( g ) C O + 3 H 2 Δr Hm =206 kJ/mol
C O + H 2 O C O 2 + H 2 Δr Hm =-41.2 kJ/mol
• 在高温有催化剂存在的条件下可实现下述 反应：
•
CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g)
合
成 氨
任务二 原料气的制备
一、固体燃料气化法
几个概念： 气化剂 煤气 空气煤气 水煤气 混合煤气 半水煤气
合
成
任务二 原料气的制备
氨
1. 固定床间歇气化法
工作循环五个阶段：
①吹风阶段 ②蒸汽一次上吹 ③蒸汽下吹 ④蒸汽二次上吹 ⑤空气吹净
wenku.baidu.com
固定床间歇式气化煤气制取工艺对煤种要求苛刻，仅 适用优质无烟煤和冶金焦，而且产气量低、总能耗高； 间歇法是目前我国中、小型合成氨厂广泛采用的气化 方法
C O + H 2 O C O 2 + H 2 Δr H m =-41.2 kJ/mol
（2）二段转化反应
催化剂床层顶部空间燃烧反应：
2 H 2 + O 2 2 H 2 O Δr Hm = 484 kJ/mol
C O + O 2 C O 2 Δr H m = 566 kJ/mol
催化剂床层中进行甲烷转化和变换反应。
合
成
任务二 原料气的制备
氨 二、烃类蒸气转化法
➢ 烃类蒸气转化系将烃类与蒸汽的混合物流经管式
炉管内催化剂床层，管外加燃料供热，使管内大
部分烃类转化为H2、CO和CO2。然后将此高温 （850~860℃）气体送入二段炉。此处送入合成
氨原料气所需的加N2空气，以便转化气氧化并升 温至1000℃左右，使CH4的残余含量降至约0.3%， 从而制得合格的原料气。
造气
除尘
脱CO2 压缩
脱硫
脱除少量 CO和CO2
CO变换 合成
• 图1.1 合成氨的基本过程 氨
任务二 原料气的制取 Production of synthetic gases
• 合成氨的生产需要高纯氢气和氮气。
气态烃类转化
物理法转化空气
氮气的主要来源 氢气的主要来源
固体燃料气化 重质烃类转化
化学法转化空气
能够分析如何选 择工艺条件
能力目标
能够进行开停 车操作
能够画出合成氨 生产的工艺流程 图
任务一 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。固氮是化 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氮方法： • 1. 电弧法 2. 氰氨法 3. 合成氨法 • 目前最重要最经济的方法是合成氨法。 首例合成
•
CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)
• 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
•
CH4(g) = C (s) + 2H2(g)
•
2CO(g) = CO2(g) + C(s)
• CO(g) + H2(g) = C(s) + H2O(g)
• 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。
应用化工技术专业
项目一 合成氨 Synthesis of Ammonia
• 任务一 概述
• 任务二 原料气的制取 • 任务三 原料气的净化 • 任务四 氨的合成
了解国内外合成 氨生产现状及主
要生产方法
知识目标
掌握合成氨生产的 原理
熟悉合成氨的生产步骤 及相关知识
根据化学反应规律， 能够判断原料的优劣
➢ 烃类主要是天然气、石脑油和重油。重油一般采 用部分氧化法，天然气和石脑油一般采用蒸汽转 化法。石脑油的蒸汽转化原理与天然气蒸汽转化 原理相近。
合
成
任务二 原料气的制备
氨1、烃类蒸气转化法的化学反应
天然气的主要成分为CH4，以天然气为原料的蒸汽转化反应为： （1）一段转化反应
C H 4 + H 2 O ( g ) C O + 3 H 2 Δr H m =206 kJ/mol
动力学分析
• 烃类蒸汽转化反应是吸热的可逆反应，高温对反 应速率和反应平衡都有利，但即使在1000时，反 应速率仍然很低，因此，需用催化剂来加快反应 速率，由于烃类蒸汽转化过程是在高温下进行的， 且存在析碳问题，这样就要求催化剂除具有高活 性、高强度外，还要具有较好的热稳定性和抗析 碳能力，镍催化剂是目前工业上最常用的催化剂。
• (2) 净化 将原料气中的杂质：CO、CO2、S等 脱除到ppm级。
• (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。
• (4)氨的分离
• 其主要过程如图1.1和图1.2。
空气、煤(或天然气)、 蒸汽
• 扩散作用对甲烷蒸汽转化反应的影响
• 反应主要取决于在催化剂内表面的反应，所以该 反应控制步骤为内表面控制。因此减小粒度增加 内表面积有利于扩散过程和提高反应速率。
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
任务二 原料气的制备
氨 2.气流床连续气化法
被誉称为“第三代煤气化炉”的德士古造气技 术，是当代国际上最富有竞争力的气流床连续气化 法的一种。
德士古煤气化法原料煤种广泛，可利用劣质煤， 只要灰熔点较低即可，碳转化率为98.5%~99.5%， 且炉内耐火材料可以连续使用2年。该法气化强度高， 可直接获得低含量烃（甲烷含量<0.1％）的原料气， 无需加入蒸汽，不足之处是由于入炉水分大，氧耗 较高。因此比较适合有廉价低灰熔点煤种的地区。
C H 4 + H 2 O ( g ) C O + 3 H 2 Δr Hm =206 kJ/mol
C O + H 2 O C O 2 + H 2 Δr Hm =-41.2 kJ/mol
• 在高温有催化剂存在的条件下可实现下述 反应：
•
CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g)
合
成 氨
任务二 原料气的制备
一、固体燃料气化法
几个概念： 气化剂 煤气 空气煤气 水煤气 混合煤气 半水煤气
合
成
任务二 原料气的制备
氨
1. 固定床间歇气化法
工作循环五个阶段：
①吹风阶段 ②蒸汽一次上吹 ③蒸汽下吹 ④蒸汽二次上吹 ⑤空气吹净
wenku.baidu.com
固定床间歇式气化煤气制取工艺对煤种要求苛刻，仅 适用优质无烟煤和冶金焦，而且产气量低、总能耗高； 间歇法是目前我国中、小型合成氨厂广泛采用的气化 方法
C O + H 2 O C O 2 + H 2 Δr H m =-41.2 kJ/mol
（2）二段转化反应
催化剂床层顶部空间燃烧反应：
2 H 2 + O 2 2 H 2 O Δr Hm = 484 kJ/mol
C O + O 2 C O 2 Δr H m = 566 kJ/mol
催化剂床层中进行甲烷转化和变换反应。
合
成
任务二 原料气的制备
氨 二、烃类蒸气转化法
➢ 烃类蒸气转化系将烃类与蒸汽的混合物流经管式
炉管内催化剂床层，管外加燃料供热，使管内大
部分烃类转化为H2、CO和CO2。然后将此高温 （850~860℃）气体送入二段炉。此处送入合成
氨原料气所需的加N2空气，以便转化气氧化并升 温至1000℃左右，使CH4的残余含量降至约0.3%， 从而制得合格的原料气。
造气
除尘
脱CO2 压缩
脱硫
脱除少量 CO和CO2
CO变换 合成
• 图1.1 合成氨的基本过程 氨
任务二 原料气的制取 Production of synthetic gases
• 合成氨的生产需要高纯氢气和氮气。
气态烃类转化
物理法转化空气
氮气的主要来源 氢气的主要来源
固体燃料气化 重质烃类转化
化学法转化空气
能够分析如何选 择工艺条件
能力目标
能够进行开停 车操作
能够画出合成氨 生产的工艺流程 图
任务一 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。固氮是化 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氮方法： • 1. 电弧法 2. 氰氨法 3. 合成氨法 • 目前最重要最经济的方法是合成氨法。 首例合成
•
CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)
• 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
•
CH4(g) = C (s) + 2H2(g)
•
2CO(g) = CO2(g) + C(s)
• CO(g) + H2(g) = C(s) + H2O(g)
• 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。