化工工艺学第三章合成氨解析
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成本高等原因而逐步被淘汰。
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
• 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。
• 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
氰氨法： CaO 3C 2000o CCaC2 CO
CaC2 N 2 1000o CCaCN2 C CaCN2 3H2O CaCO3 2NH3
四、合成氨工业进展
• 1754年，铺里斯利加热氯化铵和石灰时发 现了氨。
• 液氨或干燥的氨对大部分物质不腐蚀， 在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐 蚀。
• 氨与空气或氧的混合物在一定浓度范 围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨 －空气混合物的爆炸界限较窄。
二、氨的用途
• 氨的主要用途是作为生产硫酸铵、硝 酸铵、氯化铵、碳酸氢铵及尿素等化学肥 料，85％的氨用来制化学肥料。
Cn H 2n 2nH 2O nCO2 3nH 2
一、烃类蒸气转化法
• 气态烃的蒸气转化可用甲烷蒸气转化代表 • 主反应： CH4+H2O（g） = CO+3H2-206.29KJ·mol-1
CH4+2H2O（g） = CO2+4H2+41.19KJ·mol-1 主反应是我们所希望的。 CH4+CO2 = 2CO+2H2
•
从热力学角度分析，甲烷蒸气转化反应是
体积增大的吸热反应。因此，应该尽可能在高
温、低压和高水碳比（H2O/CH4）条件下进行。 但是，在相当高的温度下反应的速度仍然很慢，
需要催化剂来加快反应。
• 对催化剂的要求：
• A.高活性；
• B.高强度；
• C.较好的热稳定性和抗析碳能力。
制取合成气，一般工业上采用二段转化法。
• 1、一段转化——烃类原料通过与水蒸气反应生成 H2和CO
• （1）化学反应
• 烷源自文库：Cn H 2n 2 nH 2O（g） nCO (2n 1)H 2
Cn H 2n 2 2nH 2O（g） nCO2 (3n 1)H 2
• 烯烃：Cn H 2n nH 2O nCO 2nH 2
应生成以H2和CO为主体的合成气。
•
氢碳比从天然气到烟煤为2:1~0.4:1。
•
因此，甲烷（天然气）最容易转化，而烟
煤最难转化。
3.2.2 原料气的制备
• 一、烃类蒸气转化法 • 二、重油部分氧化法 • 三、固体燃料气化法
一、烃类蒸气转化法
•
天然气及石脑油等轻质烃类是烃类蒸气转化
法中的重要原料。烃类经脱硫后，与水蒸气反应
中国合成氨简介
• 50年代，在恢复与扩建老厂的同时，从苏联 引进了三套年产5万/t的装置；
• 60年代，又从英国引进了一套年产10万/t的 装置，且又在全国建设了一大批小型氨厂；
• 70年代，我国又从西方国家引进多套大型装 置（年产30万/t以上）。
• 80年代后，我国设计的装置开始用于生产. • 90年代后，小型合成氨厂因技术落后、生产
图3-34 以重油为原料的合成氨流程
3.2.2 原料气的制备
•
合成氨中原料气中的氢氢碳比气：是表由示含某种碳原燃料料与转水
化得到的。
蒸气反应时释放氢比从水中
•
现在工业上采用天然释放气氢（容包易括的程油度田。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同氢碳比
的烃类或元素构成，他们在高温下与水蒸气反
CH4+2CO2 = 3CO+H2+H2O CO+H2O = CO2+H2
副反应：在一定条件下还可能发生析碳反应
副反应是我们所不希望的，因
CH4 = C+2H2
为它消耗原料，而且析出的炭 黑又沉积在催化剂表面，使催
2CO = C+CO2
化剂失活和破裂。
CO+H2 = C+H2O
一、烃类蒸气转化法
• （2）催化剂
化工工艺学
合成氨
3.2 合成氨
• 3.2.1 概述 • 3.2.2 原料气的制备 • 3.2.3 原料气的净化 • 3.2.4 氨的合成
3.2.1 概述
• 一、氨的物理化学性质 • 二、氨的用途 • 三、氨的生产方法 • 四、合成氨工业进展 • 五、典型合成氨工艺流程
一、氨的物理化学性质
• 标准状态下是无色气体，具有特殊的 刺激性臭味。。20℃下将氨气加压0.8MPa 时，液化为无色的液体。
• 1784年，伯托利确定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·查得利首次提 出氨合成的条件是高温、高压，并有适当 催化剂存在。
四、合成氨工业进展
• 1913年，在德国奥堡建成第一个工业化的合成氨 装置，日产30t。一次大战后，各国都在德国被迫 公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方 法。但氨产量增长缓慢。二战结束后，由于技术 的进步，高速发展。
• 氨在工业上主要用来制造炸药和各种 化学纤维及塑料。
• 氨的其他工业用途也十分广泛，例如： 在制冰、空调、冷藏等系统的致冷剂。
三、氨的生产方法
• 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。
2800万t/a。
❖2004年我国产量为4222万吨，居世界第一。
四、合成氨工业进展
• 虽然各种合成氨技术存在一些差异，但 均包含以下三个过程：
• （1）原料气的制备——造气 • （2）原料气的净化——脱除原料气中的含
硫化合物和含碳化合物。 • （3）氨的合成
五、典型合成氨工艺流程
五、典型合成氨工艺流程
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
• 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。
• 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
氰氨法： CaO 3C 2000o CCaC2 CO
CaC2 N 2 1000o CCaCN2 C CaCN2 3H2O CaCO3 2NH3
四、合成氨工业进展
• 1754年，铺里斯利加热氯化铵和石灰时发 现了氨。
• 液氨或干燥的氨对大部分物质不腐蚀， 在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐 蚀。
• 氨与空气或氧的混合物在一定浓度范 围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨 －空气混合物的爆炸界限较窄。
二、氨的用途
• 氨的主要用途是作为生产硫酸铵、硝 酸铵、氯化铵、碳酸氢铵及尿素等化学肥 料，85％的氨用来制化学肥料。
Cn H 2n 2nH 2O nCO2 3nH 2
一、烃类蒸气转化法
• 气态烃的蒸气转化可用甲烷蒸气转化代表 • 主反应： CH4+H2O（g） = CO+3H2-206.29KJ·mol-1
CH4+2H2O（g） = CO2+4H2+41.19KJ·mol-1 主反应是我们所希望的。 CH4+CO2 = 2CO+2H2
•
从热力学角度分析，甲烷蒸气转化反应是
体积增大的吸热反应。因此，应该尽可能在高
温、低压和高水碳比（H2O/CH4）条件下进行。 但是，在相当高的温度下反应的速度仍然很慢，
需要催化剂来加快反应。
• 对催化剂的要求：
• A.高活性；
• B.高强度；
• C.较好的热稳定性和抗析碳能力。
制取合成气，一般工业上采用二段转化法。
• 1、一段转化——烃类原料通过与水蒸气反应生成 H2和CO
• （1）化学反应
• 烷源自文库：Cn H 2n 2 nH 2O（g） nCO (2n 1)H 2
Cn H 2n 2 2nH 2O（g） nCO2 (3n 1)H 2
• 烯烃：Cn H 2n nH 2O nCO 2nH 2
应生成以H2和CO为主体的合成气。
•
氢碳比从天然气到烟煤为2:1~0.4:1。
•
因此，甲烷（天然气）最容易转化，而烟
煤最难转化。
3.2.2 原料气的制备
• 一、烃类蒸气转化法 • 二、重油部分氧化法 • 三、固体燃料气化法
一、烃类蒸气转化法
•
天然气及石脑油等轻质烃类是烃类蒸气转化
法中的重要原料。烃类经脱硫后，与水蒸气反应
中国合成氨简介
• 50年代，在恢复与扩建老厂的同时，从苏联 引进了三套年产5万/t的装置；
• 60年代，又从英国引进了一套年产10万/t的 装置，且又在全国建设了一大批小型氨厂；
• 70年代，我国又从西方国家引进多套大型装 置（年产30万/t以上）。
• 80年代后，我国设计的装置开始用于生产. • 90年代后，小型合成氨厂因技术落后、生产
图3-34 以重油为原料的合成氨流程
3.2.2 原料气的制备
•
合成氨中原料气中的氢氢碳比气：是表由示含某种碳原燃料料与转水
化得到的。
蒸气反应时释放氢比从水中
•
现在工业上采用天然释放气氢（容包易括的程油度田。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同氢碳比
的烃类或元素构成，他们在高温下与水蒸气反
CH4+2CO2 = 3CO+H2+H2O CO+H2O = CO2+H2
副反应：在一定条件下还可能发生析碳反应
副反应是我们所不希望的，因
CH4 = C+2H2
为它消耗原料，而且析出的炭 黑又沉积在催化剂表面，使催
2CO = C+CO2
化剂失活和破裂。
CO+H2 = C+H2O
一、烃类蒸气转化法
• （2）催化剂
化工工艺学
合成氨
3.2 合成氨
• 3.2.1 概述 • 3.2.2 原料气的制备 • 3.2.3 原料气的净化 • 3.2.4 氨的合成
3.2.1 概述
• 一、氨的物理化学性质 • 二、氨的用途 • 三、氨的生产方法 • 四、合成氨工业进展 • 五、典型合成氨工艺流程
一、氨的物理化学性质
• 标准状态下是无色气体，具有特殊的 刺激性臭味。。20℃下将氨气加压0.8MPa 时，液化为无色的液体。
• 1784年，伯托利确定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·查得利首次提 出氨合成的条件是高温、高压，并有适当 催化剂存在。
四、合成氨工业进展
• 1913年，在德国奥堡建成第一个工业化的合成氨 装置，日产30t。一次大战后，各国都在德国被迫 公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方 法。但氨产量增长缓慢。二战结束后，由于技术 的进步，高速发展。
• 氨在工业上主要用来制造炸药和各种 化学纤维及塑料。
• 氨的其他工业用途也十分广泛，例如： 在制冰、空调、冷藏等系统的致冷剂。
三、氨的生产方法
• 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。
2800万t/a。
❖2004年我国产量为4222万吨，居世界第一。
四、合成氨工业进展
• 虽然各种合成氨技术存在一些差异，但 均包含以下三个过程：
• （1）原料气的制备——造气 • （2）原料气的净化——脱除原料气中的含
硫化合物和含碳化合物。 • （3）氨的合成
五、典型合成氨工艺流程
五、典型合成氨工艺流程