化学工艺学-合成氨
化学工艺学第2章合成氨
耐火材料衬里 转化催化剂
耐火球 拱型 砌体 二段转化气 人孔
夹层式空气分布器
凯洛格型二段转化炉
33
第2章 合成氨
• 2.3 原料气的净化
原料气的净化工艺包括： 原料气脱硫→一氧化碳变换→二氧化碳的脱除 （脱碳） →原料气的精制（少量CO的脱除） 原料气脱除硫化物：是防止后续的一氧化碳变换和脱碳 反应的催化剂中毒； 一氧化碳变换反应：是为了提高原料气中H2含量和防止 合成氨反应催化剂（铁系催化剂）中毒； 二氧化碳的脱除：是防止合成氨反应催化剂中毒。
29
第2章 合成氨
• 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式
一段转化炉 ：
侧壁烧嘴 转化炉
30
顶部烧嘴方箱转化炉
31
第2章 合成氨
• 2.2.5 甲烷蒸气转化的生产方式
二段转化 ： 转化气【一段】 + 空气【CO+H2）：N2=3~3.1 】 + 水蒸气【少量】 → 加压到3.3~3.5 MPa → 二段转化炉顶部喷出燃烧，使温度升高到1200℃，并进 入催化剂层反应：CO + H2O == CO2 + H2 出二段的转化气达1000℃。组成为：
中小型厂新鲜液氨1418nh87两级分氨工艺流程图中小型厂3050循环10301020循环器水冷器两级分氨工艺流程图大型厂凯洛格氨合成工艺流程89新鲜气甲烷化气换热器离心压缩机冷热交换器高压低压氨分离器换热器锅炉给水预热器开工加热炉放空气氨冷却器放空气分离器凯洛格的氨合成工艺流程250300155mpa69942323244314128490锅炉给水预热器热热交换器冷热交换器第一离心式压缩机压缩机循环段分离器分离器分离器托普索氨合成工艺流程
第2章 合成氨
化学工艺学课件-合成氨
CnH2n+2+
H2O=
3 4
n 1 4
3n 1 CH4+ 4
CO2
CnH2n+
n 2
H2O=
CH4+
n 4
CO2
14
烃类稳定性
比较ΔGf , CH4 最稳定
生成的甲烷与水蒸气进行转化反应：
CH4＋H2O CH4＋2H2O CO＋H2O CO2＋CH4 CO＋3H2 CO2＋4H2 CO2＋H2 2CO＋2H2
湿基浓度
1 x 1 m 2x
CO2 H2
H2O
y 3x+y
m-x-y 1+3x+y 1+m+2x
m x y 1 m 2x
干 湿
100% 100%
注意：干湿基
20
Kp1
Kp2
3 pCO pH 2
pCH 4 pH 2O
pCO2 pH 2 pCO pH 2O
( x y )( 3 x y ) 3 p / p 2 ( ) (1 x)( m x y ) 1 m 2 x
CH4 =
CO2＋H2
C＋2H2
17
甲烷蒸汽转化反应理论基础
1 热力学分析
CH4＋H2O = CO＋3H2 CO＋H2O = CO2＋H2
Kp1
3 pCO pH 2
pCH 4 pH 2O p
2
Kp 2
pCO2 p H 2 pCO p H 2O
Kp1 exp(27464/ T 30.707) Kp2 exp(45778 / T 4.33)....... 873K . T Kp2 exp(408402 / T 3.765).... 873K . T
化学工艺学案例库
化学工艺学案例库一、合成氨工艺。
1. 工艺背景与目的。
你知道吗？在以前，农业发展可愁坏了大家，因为土壤里的氮元素不够呀。
这时候合成氨工艺就闪亮登场啦。
这个工艺就是要把空气中取之不尽的氮气，和氢气反应，生成氨气。
氨气可不得了，它是制造化肥的关键原料，有了它，农作物就能茁壮成长，就像给植物吃了超级营养餐。
2. 主要反应与原理。
反应式是N₂ + 3H₂⇌2NH₃。
这个反应可不容易呢，它是一个可逆反应。
就像两个人在拔河，氮气和氢气在一头，氨气在另一头，得想办法让这个平衡朝着生成氨气的方向移动。
通常会在高温（400 500°C）、高压（10 30MPa）的条件下，再加上铁触媒做催化剂，来促进这个反应。
3. 工艺流程简述。
首先呢，得把原料准备好。
氢气的来源有很多，比如可以从水煤气变换反应得到。
氮气就直接从空气中分离出来，空气里氮气占了大概78%呢。
然后把氢气和氮气按照一定的比例混合，送进合成塔。
在合成塔里，在高温高压和催化剂的作用下，它们就开始反应啦。
但是反应不会一次就完全进行，生成的氨气会被分离出来，没反应完的氢气和氮气再循环回去继续反应，就像工人在流水线上，没做好的产品重新加工一样。
4. 实际应用与意义。
合成氨工艺简直就是农业的大救星。
有了大量的氨气，就能生产出各种各样的氮肥，像尿素、碳酸氢铵等。
这些化肥让粮食产量大幅提高，养活了世界上好多好多人。
而且氨还可以用来制造硝酸等化工产品，在工业上也是相当重要的。
二、石油炼制工艺。
1. 工艺背景与目的。
石油就像一个大宝藏，里面有各种各样有用的东西。
但是刚从地下开采出来的石油可不能直接用哦。
石油炼制工艺就是要把这个黑乎乎、黏糊糊的石油变成我们日常生活中能用得上的东西，比如汽油、柴油、煤油、润滑油等。
2. 主要反应与原理。
石油炼制里有好多反应呢。
比如说分馏，这就像把不同大小的珠子分开一样。
石油是由各种碳氢化合物组成的混合物，根据它们沸点的不同，可以在分馏塔里把它们分开。
合成氨的工艺流程
合成氨的工艺流程1. 原料准备：合成氨的原料是氮气和氢气。
氮气通常是从空气中提取，而氢气则是通过蒸汽重整或其他化学反应得到。
这两种气体需要经过净化和压缩处理以确保其纯度和适当的压力。
2. 氮氢混合：氮气和氢气按照一定的比例混合到合成氨反应器中。
通常情况下，氮气和氢气的摩尔比是3:1，经过混合后形成氢气和氮气的混合气体。
3. 合成氨反应：混合气体经过压缩以提高反应速率，并在高温（通常在400-500摄氏度）和高压（通常在100-250大气压）下进入合成氨反应器。
在反应器中，混合气体经过催化剂的作用，发生一系列的化学反应，最终生成合成氨。
4. 分离和提纯：合成氨反应产物中还包含未反应的氮气和氢气，以及少量的副产物。
通过冷凝和减压操作，将未反应的气体和副产物从合成氨中分离出来。
之后，通过蒸馏或其他分离技术提纯合成氨，以得到符合工业标准的合成氨产品。
5. 储存和运输：合成氨产品可以被存储在压力容器中，并通过管道或其他方式进行运输到需要的地方，用于化肥生产或其他工业应用。
以上是合成氨的基本工艺流程，工艺中还有一些细节操作和工艺条件的优化，以确保合成氨的产率和纯度达到要求。
合成氨是一种重要的工业气体，广泛用于农业和工业领域。
它通过哈贝-玻斯过程（Haber-Bosch process）进行生产。
这个过程是由德国化学家弗里茨·哈贝和卡尔·博世于20世纪初发现的，如今，仍然是工业生产合成氨的主要方法。
在合成氨的工艺流程中，反应器是一个关键的组成部分。
工业上通常使用固定床催化剂反应器，其在高压和高温下通过催化剂的作用来促进氮气和氢气之间的反应。
这个过程对反应条件的要求极为严格，既要求高温高压，又要求催化剂的有效性和稳定性。
随着全球工业化的不断发展，对合成氨生产过程的节能减排和工艺的优化也提出了更高的要求。
在现代的合成氨生产过程中，节能减排已经成为了一个重要的发展趋势。
通过改进反应条件和提高生产效率，减少能源消耗，降低碳排放已经成为了工业化生产合成氨的重要目标。
合成氨各工序工艺详细流程
合成氨各工序工艺详细流程合成氨是一种重要的化工原料，广泛用于合成各类农药、肥料、化学品等。
下面将详细介绍合成氨的工序和流程。
合成氨的工艺主要分为三个步骤：气体净化、气体压缩和反应制氨。
1.气体净化：合成氨的原料气体主要有空气和甲烷。
在进入反应装置之前，需要进行气体净化处理。
空气首先经过过滤装置去除微小杂质、灰尘和固体颗粒物。
然后通过制冷装置降低气体温度，使其中的水蒸气凝结成液体，然后被排放。
甲烷通过碳分子筛吸附去除杂质。
这样可以保证反应装置中气体的纯度和稳定性。
2.气体压缩：经过气体净化后的空气和甲烷被分别压缩到一定压力，以满足反应器中的需求。
通常使用压缩机进行压缩，然后将压缩后的气体分别输送到反应器中。
3.反应制氨：反应制氨是整个过程的关键步骤。
通常采用哈柏法（Haber-Bosch）来实现反应制氨。
反应器中，高温高压的空气与甲烷的混合气体通过催化剂床进行催化反应。
常用的催化剂是铁与铁-铝的混合物，也可以加入少量的钾、镁等元素。
反应是一个放热反应，反应温度一般在380-550°C 之间，压力一般在1.7-3.5 MPa之间。
催化剂的存在可以提高反应速率，但也会增加反应的等离子体强度，导致了碳催化剂和蒸汽的选择性降低，产生非氮气杂质。
反应过程中，氮气与氢气进行反应生成氨气。
原料气体经过催化剂床后，反应转化率不高，需要多次通过催化剂床进行反应。
一般采用多级反应器和中间冷却装置，提高氨气的产率和纯度。
经过多级反应后，氨气还需要进行冷却和净化处理，以达到合成氨的纯度要求。
以上是合成氨的工序和流程的详细介绍。
合成氨的过程需要进行气体净化、气体压缩和催化反应制氨。
这个过程需要确保原料气体的纯度和稳定性，通过压缩提高原料气体的压力，催化剂的存在可以提高反应速率和转化率。
经过多级反应，最终得到高纯度的合成氨。
合成氨工艺的不断优化和改进，可以提高合成氨的生产效率和氨气的纯度，降低生产成本。
合成氨工艺流程
合成氨工艺流程1. 简介合成氨是一种重要的化工原料，广泛应用于农药、涂料、塑料、制冷剂等工业领域。
合成氨工艺是通过催化剂在适当的温度和压力下将氮气和氢气合成氨气的过程。
本文将介绍合成氨工艺的流程及其相关操作步骤。
2. 合成氨工艺流程合成氨工艺流程主要包括气体净化、气体压缩、催化反应、分离纯化等环节。
2.1 气体净化合成氨工艺的第一步是将氮气和氢气进行净化，去除其中的杂质和不纯物质，以保证催化剂的正常使用。
常见的气体净化方法包括吸附、吸收、脱水等。
在吸附过程中，氮气和氢气通过吸附剂床层，吸附剂可以去除其中的水分、氧气、二氧化碳等杂质。
在吸收过程中，气体经过溶剂床层，其中的硫化氢等有毒气体被吸收掉。
同时，还可以使用脱水剂去除气体中的水分。
2.2 气体压缩在气体净化后，将净化后的氮气和氢气进行压缩，提高其压力，以便后续的催化反应。
氮气和氢气分别进入压缩机进行压缩，压缩机通常采用多级压缩，保证气体压力的稳定和可控。
2.3 催化反应经过气体压缩后的氮气和氢气进入催化剂床层，进行合成氨的催化反应。
催化剂通常采用铁、钼或镍等金属催化剂，催化剂在适当的温度和压力下，使氮气和氢气发生反应，生成合成氨气。
催化反应是一个放热反应，需要控制温度以避免过高的温度导致副反应的发生。
2.4 分离纯化经过催化反应生成的合成氨气含有大量的副产物和未反应的氮气、氢气等杂质。
在分离纯化环节中，需要进行吸附、压缩、蒸馏等操作，将合成氨气中的杂质去除，提高纯度。
常见的分离纯化方法包括低温吸附法、压缩法和蒸馏法。
3. 工艺条件和参数合成氨工艺的实施需要满足一定的工艺条件和参数，以确保反应的进行和产出的质量。
常见的工艺条件和参数包括温度、压力、催化剂种类和配比、气体流速等。
3.1 温度催化反应的温度是合成氨工艺中的关键参数之一。
温度过高会导致副反应的发生，影响合成氨气的产量和纯度；温度过低则会降低反应速率。
一般情况下，催化反应的温度在300-500°C之间控制。
合成氨工艺简介课件
通过大数据和人工智能技术，对合成氨生产过程 进行实时监测和数据分析，实现生产过程的优化 和智能化决策。
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合成氨的发展历程
总结词
合成氨的发展经历了多个阶段，技术的不断改进和创 新推动了合成氨工业的发展。
详细描述
合成氨技术的发展历程可以追溯到19世纪末期，当时 科学家们开始探索将氮气和氢气合成为氨气的方法。经 过多次试验和改进，1909年德国化学家哈伯（Fritz Haber）开发出了采用铁催化剂的高压合成氨工艺，并 在随后的几年中不断完善。随着技术的不断改进和创新 ，合成氨的产量和效率逐渐提高，推动了合成氨工业的 发展。如今，合成氨技术已经广泛应用于全球范围内， 为人类的生产和生活提供了重要的化工原料。
少对环境的污染。
废水处理
建立废水处理设施，对工艺过程中 产生的废水进行处理，达到排放标 准后再排放。
废弃物回收利用
对工艺过程中产生的废弃物进行回 收利用，减少对环境的负担。
04
合成氨工艺的未来发展
新技术的研发与应用
新型催化剂
研发高效、低成本的新型催化剂 是合成氨工艺未来的重要方向， 以提高合成氨的效率和选择性。
二氧化碳脱除
采用化学或物理方法脱除原料气中的二氧化碳，以防止其在 后续的合成过程中形成氨的碳化物。
氨的合成
01
02
03
合成塔
原料气在高温、高压条件 下进入合成塔，与催化剂 接触，发生反应生成氨。
氨的分离
从合成塔出来的气体中， 氨被冷凝分离出来，未反 应的氢气和氮气循环回到 合成塔继续反应。
氨的储存与运输
研究新型高效催化剂，降 低反应活化能，提高原料 的转化率。
降低能耗
化工工艺学第1章合成氨9130
• 0.50
0.000025 0.0008 0.009
• 10
0.00055 0.018 0.20
• 20
0.005 0.16 1.80
• 实际上天然气等原料中水蒸气含量很低，所以即使温度在 400°C也可满足S含量＜0.1×10-6的要求。 200°C含水20％时， S＜0.005×10-6，因此氧化锌也用在变换工序作变换催化剂的 保护剂。
673 773 873 973 1073
使与一段的H2反应产生高温，
温度/°C
保证二段中转化较为完全。
图 1.6
• 2. 工艺条件
• 压力 通常为3~4MPa
• 采用加压条件的主要原因：
• 降低能耗
能量合理利用
• 提高余热利用价值
全厂流程统筹
• 减少设备体积降低投资 综合经济效益
• 温度
• 一段炉温度 主要考虑投资费用及设备寿命， 一般选择760~800°C
• 平衡常数 • 两个制气反应的平衡常数为
K
0 p1
pCO
p3 H2
p p CH4 H2O p0
2
(1.2.1)
•
K
0 p2
p p CO2 H2 pCO pH2O
(1.2.2)
• 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。
但要求较高的设计需要计算逸度系数，用逸度代
3. Na2CO3 +H2S =NaHS+NaHCO3 然后再与偏钒酸钠反应
反 应 速 率
催化剂粒度
催 化 剂 内 表 面 利 用 率
催化剂粒度
• 1.2.3 过程析碳处理
• 碳黑生成后主要有以下几点不利：堵塞反应管道 增大压降、使局部区域高温损坏催化剂、增大反 应阻力。从热力学分析，几个析碳反应
化工工艺学1章 合成氨
0 p1
跟压力的关系：
K
3 pCO pH 2
• 两个制气反应的平衡常数为：
pCH 4 pH 2O p
0 p2
(2.1)
0 2
K
pCO2 pH 2 pCO pH 2O
(2.2)
• 上式是平衡常数与压力的关系式，但转化过程压力不是太 高，3～4MPa, 可以只考虑平衡常数与温度的关系。
• 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？
（化学原理） H2 NH3 N2 3H2+N2=2NH3 （生产方法） H2如何得？
③具体如何实现？
原料的制取 原料的净化 氨的合成 三废治理
（工艺流程、工艺条件、关键设备）
液氨
• 图2 以天然气为原料的合成氨流程
【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
工段一
氮气的制取
•
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。 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。
催 化 剂 内 表 面 利 用 率
催化剂粒度
反 应 速 率
反比
催化剂粒度
工段一之工艺条件
• 2.3 过程析碳处理
• 碳黑生成后主要有以下几点不利：
化工工艺学合成氨知识点总结
化工工艺学合成氨知识点总结一、合成氨的定义和应用合成氨是一种无色气体，化学式为NH3，具有强烈的刺激性气味。
合成氨广泛应用于农业、化工和医药等领域。
在农业中，合成氨作为氮肥的主要成分，用于提高作物产量；在化工中，合成氨用于制备尿素、硝酸等化工产品；在医药中，合成氨用于制备药物原料和医疗设备。
二、合成氨的制备方法1. 海勃基法：通过合成氢气和氮气的混合气体，经过高温高压的反应，生成合成氨。
该方法具有反应效率高、产品纯度高的优点，但设备复杂、生产成本较高。
2. 卡斯纳赫法：通过在催化剂的作用下，使氮气和氢气发生反应生成合成氨。
该方法具有反应速度快、催化剂使用量少的特点，但合成氨的纯度较低。
3. 氨合成过程：氨合成是一种重要的合成氨方法，其主要步骤包括氮气和氢气的吸附、氢气的解离、氮气和氢气的氧化反应、氮气和氢气的反应等。
三、合成氨工艺流程1. 氢气制备：通过甲烷重整反应或气化反应，将天然气或煤制气产生的合成气转化为氢气。
2. 氮气制备：通过空分设备或压缩空气制氮设备，将空气中的氮气分离出来。
3. 氢气和氮气的混合：将制备好的氢气和氮气按照一定的比例混合。
4. 反应器反应：将混合气体送入反应器中，在催化剂的作用下进行氨合成反应。
5. 分离和纯化：将反应产生的氨气通过冷凝和吸附等分离技术，去除杂质，提高氨的纯度。
6. 储存和运输：将纯净的合成氨储存于气体储罐中，通过管道或压缩瓶等方式进行运输。
四、合成氨工艺的优化和改进1. 催化剂的研发与改进：不断研发新型催化剂，提高反应速率和选择性，降低能耗和催化剂使用量。
2. 反应条件的优化：通过调节反应温度、压力和气体比例等参数，优化反应条件，提高合成氨的产率和纯度。
3. 能源利用的改进：采用新型的能源供应方式，如使用太阳能、风能等可再生能源，减少对传统能源的依赖。
4. 废气处理的改进：对于合成氨生产中产生的废气进行处理，减少对环境的污染。
5. 生产工艺的改进：通过改进工艺流程和设备结构，提高生产效率，降低生产成本。
合成氨工艺步骤
合成氨工艺步骤氨（NH₃）可是个很重要的化工产品呢。
合成氨就是把氮气（N₂）和氢气（H₂）在一定的条件下变成氨的过程。
这个过程就像是一场神奇的魔法，要把两种气体变成一种新的物质。
1、原料气的制备氮气的获取相对来说比较简单。
空气中氮气的含量可高啦，大概有78%呢。
可以通过空气分离的方法得到氮气。
就像把空气这个大蛋糕切开，把氮气这块单独拿出来。
氢气的制备就有点复杂啦。
一般可以用化石燃料（像煤、天然气等）来制取。
比如说用天然气制取氢气，主要是通过和水蒸气发生反应。
这个反应就像是天然气和水蒸气在玩一场化学反应的游戏，反应方程式是CH₄ + H₂O→CO+3H₂，这里面一氧化碳（CO）还可以继续和水蒸气反应，CO + H₂O→CO₂+H₂，这样就能得到更多的氢气啦。
2、原料气的净化制得的原料气里面有很多杂质，这些杂质就像是调皮的小捣蛋鬼，如果不把它们除掉，会影响合成氨的反应。
比如说有硫化物，硫化物要是在反应里，就会让催化剂中毒，就像给催化剂吃了毒药一样，让它没办法好好工作了。
所以要通过脱硫等净化手段把硫化物除掉。
还有二氧化碳（CO₂）也得除掉。
可以用吸收的方法，就像用一块神奇的海绵把二氧化碳吸收掉。
常见的吸收剂有氨水等，反应方程式是2NH₃ + CO₂→(NH₄)₂CO₃，这样二氧化碳就被除掉啦。
3、氨的合成净化后的氮气和氢气按照1:3的比例混合，这个比例可不能乱哦，就像做蛋糕要按照配方来一样。
然后把混合气体送到合成塔里面。
在合成塔里，反应条件可是很苛刻的。
要有高温、高压，还有催化剂。
一般温度在400 - 500℃左右，压力在10 - 30MPa左右，催化剂常用铁催化剂。
在这样的条件下，氮气和氢气就开始发生反应啦，反应方程式是N₂ + 3H₂⇌2NH₃。
这个反应是可逆反应呢，就像两个人在拔河，一会儿向左，一会儿向右，不过在这样的条件下，反应会朝着生成氨的方向进行。
4、氨的分离从合成塔出来的混合气体里面有氨、氮气和氢气。
第5章无机化学工艺学- 合成氨
2 NO O2 2 NO2 2 NO2 H 2 O HNO3 HNO2
与CO2的反应（150～300大气压，180～200℃）
150~300大气压
CO2 NH3 180～200
与各种酸反应生成盐（酸碱反应）。 生成各种加成配合物（络合反应）。如与钙离子、 铜离子。
第二章 氨的性质
1、物性 无色有刺激性嗅味的气体，易液化（所以作为冷却剂）， 常压下-33.4℃液化，当气化时吸收大量的热，作为致 冷剂。易溶于水，一体积水 可溶解700体积的氨。 2、化学性质 氨气在空气里不能燃烧，在纯氧中燃烧产生黄色火焰。
4NH 3 3O2 6H 2O 用铂金催化与O2反应，得到NO。 2N 2
Fauser法
Uhde法 NEC法 日本法
1921
1929 1929 1931
18~27
15~30 30~35 30
480~520
400~480 400~500 450~580
12~15
6~8 15~17 9.5~12
45
24 50 25
Fe3O4+助催化剂
第一章 概述
但以前都是用煤气化制得水煤气，然后得到氢气，再 与空气中的氮气合成氨，如今原料路线发生了变化， 用烃类原料代替了煤： 如：石油的轻质组分，石脑油、天然气等。 世界合成氨的发展主要表现在：原料多样化、大型化、 低能耗新工艺和生产自动化。 我国生产产量 30年代开始合成氨生产，当时只有两家不超过50kt/a和 一个小型车间。建国后合成氨工业不断发展，1999年 总产量可达34.52Mt氨，排名世界第一。
例如，甲烷化，适用于CO、CO2低于0.5%的工艺。
合成氨工艺流程详解
合成氨工艺流程详解
《合成氨工艺流程详解》
合成氨是一种重要的化工原料，广泛用于生产化肥、燃料和塑料等。
合成氨工艺是通过Haber-Bosch过程进行的，下面将详细介绍合成氨工艺的流程。
1. 原料准备
合成氨的主要原料是氮气和氢气。
氮气来自空气分离，而氢气通常是通过天然气蒸汽重整来生产。
这两种气体经过先进的处理和净化，保证了反应过程的纯净度和稳定性。
2. 催化剂制备
合成氨的制备需要采用催化剂，通常是铁或钴等金属催化剂。
这些催化剂需要经过一系列特殊的处理和制备工艺，以保证其表面活性和稳定性，从而提高反应的效率和产率。
3. 氮氢气混合
经过处理和净化后的氮气和氢气被混合到一定的比例，通常是3:1的比例。
这样的混合气体通过加热和压缩，使得反应物具备更高的能量和活性，有利于反应的进行。
4. 催化反应
混合气体经过预热后进入反应器，反应器内填充着催化剂，以提供表面反应条件。
在高温和高压下，氮气和氢气发生催化反应，生成合成氨。
这个反应过程是一个放热反应，所以需要控制反应温度和排放反应热。
5. 分离和提纯
产生的混合气体经过冷却后进入分离装置，将产生的合成氨和未反应的氮氢气体进行分离。
分离得到的合成氨会进一步进行脱水和提纯处理，使其符合工业用途的级别。
通过以上的工艺流程，合成氨可以有效地得到，而且具有较高的产率和纯度。
这个工艺流程成为了化工工业中的一种重要生产方式，为生产化肥和其他化工产品提供了重要的原料支持。
化工工艺学课件合成氨
16
（三）、间歇式制半水煤气的工作循环
间歇式气化过程在固定床煤气发生炉中进行的。（图） 五个阶段：气体流向（图及表） 1、吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度，吹风气放空。 2、一次上吹制气阶段：自下而上送入水蒸汽进行气化反 应，燃料层下部温度下降，上部升高。 3、下吹制气阶段：水蒸汽自上而下进行反应，使燃料层 温度趋下均衡。 4、二次上吹制气阶段：使底部下吹煤气排净，为吹入空 气做准备。 5、空气吹净阶段：此部分吹风气加以回收，作为半水煤 气中氮的主要来源。
在原料构成方面：由以固体燃料（焦炭，煤等）为原料 转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、重油）为原 料来合成氨。
在生产规模上：实现了单系列全盛氨装置的大型化，现 在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨，而50 年代以前，只有200t。 在能耗上，新工艺的开发，能耗的降低。计算机的应用 实现了自动化操作控制上。 合成氨工业
我国合成氨生产工艺技术现状
2004年我国合成氨装置是大、中、小规模并存 的格局，总生产能力为4260万t/a。 大型合成氨装置有30套，设计能力为900万t/a， 实际生产能力为1000万t/a； 中型合成氨装置有55套，生产能力为460万t/a； 小型合成氨装置有700多套，生产能力为2800 万t/a。
（二）、半水煤气生产的特点
1、（CO+H2 ）与N2的比例为3.1～3.2. 2、以空气为气化剂时，得含N2的吹风气，以 水蒸气为气化剂时，得到含H2的水煤气。 3、以前者反应热为后者提供反应所需的热， 并能维持系统自热平衡的话，得不到合格的半 水煤气。 4、为维持自热平衡，并得到合格的半水煤气， 必须采用以下方法： （1）间歇制气法； （2）富氧空气（或纯氧）气化法； （3）外热法
合成氨工艺流程及化学方程式
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化工工艺学课件合成氨
采用特殊设计的反应器，使氢气和氮气在高 温高压条件下进行合成氨反应。
压缩机
用于压缩气体，以满足合成氨反应所需的高 压条件。
分离设备
用于将合成的氨从反应气体中分离出来，并 进行回收。
04 合成氨的能效和环保
CHAPTER
能效分析
合成氨的能效
合成氨是化工行业中耗能较高的过程之一，能效分析对于降低生产 成本和减少能源浪费至关重要。
合成氨的市场需求和发展趋势
市场需求
随着全球人口的增长和经济的发展， 对粮食和能源的需求不断增加，合成 氨的市场需求也在逐年增长。
发展趋势
合成氨技术的发展趋势包括提高合成 氨的效率和降低能耗，同时减少对环 境的污染。
合成氨技术的未来展望和研究方向
未来展望
随着科技的不断进步，合成氨技术将朝着更加高效、环保、经济的方向发展， 为人类的生产和生活提供更加优质的化工产品。
合成氨的重要性
合成氨是世界上最重要的化工生产过程之一，它提供了大量的氮肥和尿素等农业生产所需的肥料，对提高全球粮 食产量、解决人类温饱问题起到了至关重要的作用。此外，合成氨也是其他含氮化学品的重要原料，如硝化纤维、 炸药、染料等。
合成氨的基本原理
合成氨反应方程式
N2 + 3H2 → 2NH3
反应条件
CHAPTER
工艺流程概述
原料气的制备
将煤、天然气或石油等原料转 化为含有氢和氮的合成气。
原料气的净化
通过脱硫、一氧化碳变换和气 体精制等过程，除去合成气中 的杂质。
氨的合成
在高温高压条件下，利用铁催 化剂将氢气和氮气合成为氨。
氨的分离与回收
将合成的氨从反应气体中分离 出来，并进行回收。
化工工艺学合成氨课件
化工工艺学合成氨课件
图3-34 以重油为原料合成氨流程
第13页
3.2.2 原料气制备
•
合成氨中原料气中氢氢气碳比是：由表含示碳某种燃原料料转与化水
得到。
蒸气反应时释放氢比从水中
•
现在工业上采取天然释放气氢（轻包易含程度油。田气）、
炼厂气、焦炉气、石脑油、重油、焦炭和煤生
产合成氨。这些原料均可看做是有不一样氢碳
我国合成氨装置是大、中、小规模并存格局， 总生产能力为4260万t/a。
大型合成氨装置有30套，设计能力为900万
t/a，实际生产能力为1000万t/a；
中型合成氨装置有55套，生产能力为460万
t/a；
小型合成氨装置有700多套，生产能力为
2800万t/a。
❖我国产量为4222万吨，居世界第一。
化工工艺学合成氨课件
化工工艺学合成氨课件
第18页
一、烃类蒸气转化法
• ①催化剂活性组分、助催化剂和载体
• a活性组分：从性能和经济方面考虑，活 性组分，镍为最正确，含量在4%~30%较 为适宜。
• b助催化剂：提升镍活性、延长寿命和 增加抗析碳能力。可加入MgO作助催化剂。
• c镍催化剂载体：使镍高度分散、晶料变 细、抗老化和抗析碳等作用。惯用有氧化 铝、氧化镁、氧化钾、氧化钙、氧化铬、 氧化钛和氧化钡等。
化工工艺学合成氨课件
第33页
二、重油部分氧化法
• 2、反应条件 • 反应温度：1200~1370℃ • 反应压力：3.2~8.37MPa • 催化剂：无 • 水蒸气用量：每吨原料加水蒸气400~500kg • 水蒸气作用： • （1）起气化剂作用。 • （2）能够缓冲炉温及抑制析碳反应。
合成氨工艺的步骤
合成氨工艺的步骤
一、原料准备
首先呢，咱得把原料准备好。
合成氨主要的原料就是氮气和氢气啦。
氮气比较容易获取，空气中就有很多氮气呢。
氢气的话，制取方法有不少，不过一般工业上会用一些专门的制氢方法哦。
这一步看起来挺基础的，但可千万别小瞧它呀！要是原料没准备好，后面的工序可就麻烦喽。
我每次做这个的时候，都会仔细检查原料的量够不够呢，毕竟这是整个合成氨工艺的开端嘛。
二、气体净化
原料准备好了之后呢，就该进行气体净化啦。
因为从前面得到的气体里可能会夹杂着一些杂质，像一氧化碳之类的。
这些杂质要是不除掉，那可会影响后面合成氨的反应呢。
这个净化过程啊，说起来不难，但是得认真对待。
我就经常在这一步多花点时间，确保那些杂质都被清除得差不多了。
你想啊，如果有杂质残留，就像炒菜的时候锅里有沙子一样，多影响最后的结果呀！在这一环节，不同的工厂或者实验环境下可能会采用不同的净化方法，你可以根据自己的实际情况来选择合适的办法哦。
三、压缩气体
气体净化好了，接着就要压缩气体啦。
这一步很关键哦！为啥要压缩呢？因为合成氨的反应需要在高压下进行呀。
把氮气和氢气压缩到合适的压力可不是一件简单的事儿。
不过，现在有很多专业的压缩机可以帮助我们完成这个工作。
在压缩的时候，一定要按照规定的压力范围来操作哈。
这一点真的很重要，我通常会再检查一次，真的，确认无误是关键。
要是压力不对，反应可能就无法正常进行了呢。
你是不是觉得这个步骤有点难把握呀？其实只要按照操作规程来，一般不会出啥大问题的。
四、合成反应
五、氨的分离。
合成氨工艺学
合成氨工艺学以氨的合成为重点，阐述合成原理，并对一些合成塔、合成流程进行分析对比，然后对现代合成氨工厂的一些问题如原料路线、大型化、综合利用等，着重从技术经济的角度作一些分析。
§13－1 概述13－1.1合成氨工业的重要性合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，有十分广泛的用途。
氨可生产多种氮肥,如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；还可生产多种复合肥，如磷铵复合肥等。
氨也是重要的工业原料。
基本化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮无机盐；有机工业各种中间体，制药中磺胺药物，高分子中聚纤维、氨基塑料、丁腈橡胶、冷却剂等。
国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等13－1.2 合成氨工业发展简介1784年，有学者证明氨是由氮和氢组成的。
19世纪末，在热力学、动力学和催化剂等领域取得进展后，对合成氨反应的研究有了新的进展。
1901年法国物理化学家吕·查得利提出氨合成的条件是高温、高压，并有适当催化剂存在。
1909年，德国人哈伯以锇为催化剂在17～20MPa和500～600℃温度下进行了合成氨研究，得到6％的氨。
1910年成功地建立了能生产80gh-1氨的试验装置。
1911年米塔希研究成功以铁为活性组分的合成催化剂，铁基催化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得。
合成氨的生产需要高纯氢气和氮气。
氢气的主要来源有：气态烃类转化、固体燃料气化和重质烃类转化。
现在工业上采用天然气、炼厂气，石脑油、焦炉气、重油、焦炭和煤生产合成氨。
其在高温下与水蒸汽的作用，制取粗原料气，都可用下式：CnHm+nH2O(g)=nCO+(n+m/2)H2或C+H2O=CO+H213－1.3 合成氨的原则流程合成氨生产的原则流程如图示。
在这个原则流程中，由于氨合成这一步最为困难，工艺条件要求也最严格，所以是主要化学反应过程，应该首先进行优化。
原料气的生产和净化过程是氨合成的前置过程，它的优化必须以满足氨合成的要求为前提；氨的分离和循环气返回合成塔既是氨合成的后继过程也是氨合成的前置过程。
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1.工业上生产合成气的方法有哪些？其中哪种方法投资和成本最低？答：工业上生产合成气的方法有：（1）以煤为原料的煤气化法。
（2）以天然气为原料的天然气蒸汽转化法。
（3）以重油或渣油为原料的部分氧化法。
其中以天然气蒸汽转化法的投资和成本最低。
2.说明氨合成催化剂的组成及其作用。
答：氨合成催化剂的组成包括α—Fe，Al2O3，K2O，CaO，MgO，SiO2等。
（1）氨氧化催化剂的活性组分是α—Fe，未还原时为FeO +Fe2O3，其中FeO占24~38%，Fe2+/Fe3+=0.5，一般在0.47~0.57之间，可视为Fe3O4，具有尖晶石结构。
（2）Al2O3的作用：Al2O3与Fe3O4作用可形成FeAl2O4，具有尖晶石结构，当催化剂还原后，Fe3O4被还原为α—Fe，而未被还原的Al2O3仍保持着尖晶石结构，起到骨架作用，从而防止铁细晶的长大，使催化剂的比表面积增加，活性增加。
因此，Al2O3为结构型助催化剂，氧化镁的作用与Al2O3的作用相似，也是结构型助催化剂。
（3）K2O的作用：氧化钾是电子型助催化剂，在Fe—Al2O3催化剂中添加氧化钾后，可以使金属的电子逸出功下降，有助于氮的活性吸附。
（4）CaO的作用：CaO的作用与K2O相似，也是电子型助催化剂，同时，氧化钙能降低固熔体的熔点和粘度，有利于三氧化二铝和四氧化三铁固熔体的形成，提高催化剂的热稳定性。
（5）Si2O的作用：二氧化硅是磁铁矿中的杂质，具有中和K2O和CaO的作用，此外，Si2O还具有提高催化剂抗水毒害和耐烧结的性能。
3.天然气蒸汽转化反应是体积增大的可逆反应，加压对化学平衡不利，为什么还要加压操作？答：从烃类蒸汽转化反应的平衡考虑，反应宜在低压下进行，但从20世纪50年代开始，逐渐将压力提高到3.5~4.0MPa下操作，现在的最高压力可达5MPa。
其原因如下：（1）可以节省压缩功耗。
烃类蒸汽转化为体积增大的反应，而气体的压缩功与被压缩气体的体积成正比，所以压缩含烃原料和二段转化所需的空气的功耗要比压缩转化气节省。
同时由于氨是在高压下合成的，氢氮混和气压缩的功耗与压缩前后压力比的对数成正比，这就是说，合成压缩机的吸入压力越高，压缩功耗越低。
尽管转化反应压力提高后，原料气压缩和二段转化所用的空气压缩机的功耗要增加，但单位产品氨的总功耗还是减少的。
（2）可以提高过量蒸汽余热的利用价值。
由于转化是在过量水蒸气条件下进行的，经一氧化碳变换冷却后，可以回收原料气中大量余热。
其中水蒸气的冷凝热占有相当大的比重，这部分热量与水蒸气的分压有直接关系，压力越高，水蒸汽的分压也越高，因此其冷凝温度（即露点）越高，在同一汽气比条件下，低变炉出口气体的露点随压力的升高而增加，蒸汽冷凝液利用价值也就越高，温度相同，压力越高，热效率越高，即回收的热量越多。
（3）可以减少原料气制备与净化系统的设备投资。
转化压力提高，变换、净化以至到氢氮混和气压缩机前的全部设备的操作压力都随着提高，对于同样的生产规模，在一定程度上，可以减少设备投资，而且在加压条件下操作，可提高转化和变换的反应速率，可以减少催化剂用量。
1.氢氮气合成氨的Kellogg流程回答问题：（1）设置甲烷化气-新鲜气换热器2和水冷器3的目的是什么？（2）氢氮气的压缩采用何种类型的压缩机？（3）高压氨分离器的温度是多少？（4）什么是弛放气？什么是放空气？为什么要放空？放空气在放空前为什么要设置放空气氨冷器和放空气分离器？（5）设置开工炉的目的是什么？（6）合成塔中通入冷激气的作用。
答：（1）在氢氮气合成压缩机的段间设置甲烷化气-新鲜气换热器2和水冷器3的目的在于，氢氮气合成压缩机的进口压力为2.7MPa，而压缩机的出口压力达到15MPa，如果采用一段压缩，其压缩比过大，而导致压缩功耗过大，在采用多级（段）压缩时，当被压缩的气体冷却后，气体的体积会因温度的下降而下降，而压缩功耗与气体的体积正相关，故而达到节省压缩功的目的。
（2）氢氮气的压缩采用离心式压缩机。
（3）高压氨分离器的温度为-23℃。
（4）所谓弛放气是指在高压氨分离器分离液氨时，压力较高，液氨对氢氮气和其他惰性气体的溶解度较大，当液氨由高压氨分离器经减压进入低压氨分离器时，由于压力降低，上述气体在其中的溶解度下降而逸出，这一部分逸出的气体称为弛放气。
所谓放空气是指，在氢氮气合成氨的过程中，氢氮气的一次转化率由于受到化学平衡的影响而较低，大量未反应的氢氮气需要经压缩后循环返回合成塔继续反应，循环的过程中，由于含有甲烷和氩等惰性气体，如果不放空，必将造成惰性气体的积累，因此在未反应的氢氮气循环时，为避免惰性气体的积累，必须将一部分循环氢氮气放空，称为放空气。
由于在Kellogg的流程中，放空的位置选在合成塔的出口，在此位置的氨含量最高，因此，设置了氨冷器和氨分离器，将放空气中的氨回收回来，防止氨的损失。
（5）在流程中设置开工炉的目的是，开工之前的氨合成催化剂处于氧化态，需要还原，将Fe3O4用氢气还原为α-Fe，再还原的过程中，需要用开工炉将还原的氢气加热到所需的还原温度，此外，还原完毕后，需要将氢氮气经开工炉加热到所需温度后，进入反应器的催化床层，待反应正常后，再关闭开工炉。
（6）氢氮气合成氨的反应是放热反应，在Kellogg流程中，氨合成塔采用绝热式反应器，为了控制反应温度，防止床层飞温而烧坏催化剂需要将冷的氢氮气通入反应器的各反应段间，使从反应床层的气体降温冷却，从而达到控制反应温度的目的。
2.天然气蒸汽转化流程回答问题：（1）说明一段炉辐射段的组成及其作用。
（2）一段炉对流段都有哪些加热盘管？（3）钴钼加氢槽有什么作用？其反应温度和反应压力是多少？（4）硫化锌脱硫槽的作用是什么？为什么天然气先通过钴钼加氢槽而后通过氧化锌脱硫槽？（5）一段炉辐射盘管的材质是什么？其管壁温度有什么要求？一段炉出口温度是多少？出口残余甲烷含量是多少？（6）说明天然气蒸汽转化反应的催化剂的组成及各组分的作用。
（7）二段炉的作用是什么？答：（1）一段炉辐射段包括转化炉管和烧嘴，其作用是利用燃料天然气通过烧嘴燃烧所放出的热量，供甲烷蒸汽转化反应生成合成气所需，并将一段炉出口残余甲烷含量降至10%以下。
（2）一段炉对流段的加热盘管包括：燃料天然气预热盘管、原料天然气预热盘管、过热蒸汽盘管、原料空气预热盘管及原料天然气-工艺蒸汽预热盘管。
（3）钴钼加氢槽的作用是将天然气中的有机硫加氢转化为硫化氢，其反应温度为380~400℃，反应压力3.6MPa 。
（4）氧化锌脱硫槽的作用是利用氧化锌与硫化氢反应，将原料天然气中的硫化物降至0.1ppm以下，将原料天然气先通过钴钼加氢槽而后通过氧化锌脱硫槽是因为氧化锌脱除某些有机硫化物的能力不佳，不能达到要求，为此先将原料天然气通过钴钼加氢槽，将其中的有机硫化物加氢转变为硫化氢后，再通过氧化锌脱硫槽，将原料天然气中的硫化物脱除至0.1ppm以下，保护天然气蒸汽镍触媒免受中毒。
（5）一段炉辐射段转化盘管的材质为HK-40（Cr25Ni20）合金钢。
在反应条件下，其管壁温度不得超过920℃，管内介质温度800~820℃。
（6）甲烷蒸汽转化反应所用的催化剂组成为活性组分镍，载体和一些助催化剂，载体成分有α—Al2O3或MgAl2O4尖晶石，其作用是支承、分散活性组分并使之不易烧结，此外载体还要有足够的机械强度；为了抑制烃类在催化剂表面的酸中心上裂解析碳，在催化剂中加入K2O等碱性物质来中和表面的酸性；此外还加入一些稀土金属的氧化物来提高催化剂的活性。
（7）二段炉的作用是将一残余甲烷含量达10%，800℃左右的一段转化气直接进入二段炉，同时补加氧气（或空气），氧与转化气中的氢气反应放热，温度升至1000℃以上，继续进行转化反应，使二段炉出口气体中的残余甲烷含量降至0.3%以下。
2、分别从热力学和动力学角度阐述工业生产中氨合成反应的特点。
答：氨合成反应的特点为：放热、可逆、体积缩小、有催化剂。
从平衡观点看,氨合成是放热反应，低温有利于NH3的生成,但在没有催化剂的室温条件下，氢氮气不能生成氨，因此氨合成反应需要催化剂，当温度较低时催化剂的活性不能很好地发挥,不利于NH3的生成,所以反应有一个最适宜温度，生产中应及时移走反应热.氨合成反应是体积缩小的反应，提高压力有利于反应向正方向进行，压力愈高平衡时的NH3含量就愈高.另外，气体成分对氨的合成也有影响，惰性气含量高会降低有效气体成分的分压，不利于氨的合成；该反应为可逆反应。
4、给出四种脱碳方法（物理法或化学法）及其原理。
答：①热钾碱法：溶解在水中的二氧化碳能和碳酸钾溶液反应，达到脱碳的目的②MDEA法：N—甲其二乙醇胺(R2CH3N) 是一种叔胺，它的水溶液呈弱酸性，可以与CO2反应，达到脱出CO2的目的。
③碳酸丙烯酯法：碳酸丙烯酯是有机溶剂，对二氧化碳、硫化氢等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氮、—氧化碳等气体在其中的溶解度甚微，利用这一特点达到脱碳目的。
④低温甲醇洗法：甲醇对二氧化碳，硫化氢，硫氧化碳等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氯、—氧化碳等气体在其中的溶解度甚微，因而甲醇能从原料气中选择吸收二氧化碳、硫化氢等酸性气体，而氢氮气损失很小。
⑤NHD法：NHD溶剂对二氧化碳，硫化氢，硫氧化碳等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氯、—氧化碳等气体在其中的溶解度甚微。
2、某30万t/a合成氨厂，合成塔进气流量为900000Nm3/h，进塔气中氨含量3.5％，出塔气中氨含量17.6％，该合成塔装催化剂90m3，试计算：（1）空间速度；（2）氨净值；（3）合成塔产氨速率。
解：（1）空间速度Vs＝合成塔进气量/合成塔装催化剂量＝900000/90=10000 h-1；（2）氨净值△y＝出塔气中氨含量－进塔气中氨含量＝17.6％－3.5％＝14.1％（3）合成塔产氨速率＝合成塔进气流量×氨净值△y/(1+出塔气中氨含量)=900000×14.1％/(1+17.6％)=107908 Nm3/h=4817 Kmol/h。