4-合成氨工艺PPT课件

在0.5N2+1.5H2=NH3反应达到平衡时
Kp
pNH 3 p p 0.5 1.5
N2 H2
1 yNH 3 p y y 0.5 1.5
N2 H2
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y (1yyi)2
pKp
R1.5 (1R)2
氢氮比 氢氮比即R，为了求取氨浓度y值最大时的R值，应对 上式求导数。当导数为0时，可求得R=3。这就是说当R值等于3 时，y值最大。
0 .5 N 2 1 .5 H 2 N 3 H H 4 .2 k 6 2 m J 1 ol
按照一般规律，反应热只与温度有关。但是合成氨是在高压下进行 的，在高压下气体的规律已偏离理想状态。因此反应热与温度、压 力和气体的组成有关。
表2—7 氨合成反应的热效应（-H⊝/KJ.mol-1）
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温度 温度对平衡氨浓度的影响，可以根据Kp值判断。温度越
低,Kp值越大，而且增长的程度也剧烈。因此，研制低温催化
剂是当前合成氨的一个重要发展方向。
压强 可以看出压强越大，平衡浓度也越大。
惰气含量 惰气含量对平衡氨浓度有较大的影响。 （13-9）
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2 氨合成动力学
氢氮混合气在铁催化剂表面上发生的反应大体包括下列几步：
气体向催化剂表面（外表面和内表面）扩散。
气体在催化剂表面发生活性吸附。
N2(气)
2N(吸附)
H2(气)
2H(吸附)
吸附的氮和吸附的氢发生反应生成氨
N(吸附) + H(吸附)
NH(吸附)
NH(吸附) + H(吸附) NH2(吸附）+ H(吸附) 生成的氨从催化剂表面解吸
NH2(吸附) NH3(吸附)
NH3(吸附)
A：氨除了本身可以作为肥料外，它是进一步制取各种氮肥的原
料。氮肥是现代农业生产比不可少的，年增加率达7%。目前有 氨制成的氮肥，最重要的是尿素、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、 磷酸铵等。氨用于生产各种氮肥约占其总产量的80%~90%。
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B：氨可用来制造硝酸、硝酸盐、铵盐、氰化物等无机物，也可
用来制造胺、磺胺、腈等有机物。氨和这些含氮化合物是生产燃 料、炸药、医药、合成纤维、塑料等的原料。
合成氨工艺学
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合成氨
本章以氨的合成为重点，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 料线路、大型化、综合利用等，着重从技术经济的角度作一些 分析。 合成氨反应的特点：
① 氨合成反应的特点与二氧化硫催化氧化比较，主要是在催 化剂允许的温度范围内转化率很低，必须采用高压来提高转化 率；必须采用循环流程以提高原料利用率。
NH3 (气)
解吸的氨 从催化剂表面向气体主流扩散。
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哪一步是控制步骤，取决于反应条件。
外扩散是否成为控制阶段，取决于气速和催化剂的活性。 由于高气速还可以提高生产能力，所以采用了足够大的 气速，因此外扩散通常不会成为控制阶段。
氨合成的催化剂，活性不太高，具有许多内孔，它的内表面 比外表面要大几万倍。反应过程是内扩散控制还是化学动力 学控制，取决于反应温度和催化剂颗粒的大小等因素 。
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不同控制阶段的动力学方程应该有不同形式。
扩散控制时：
rNH3 k p
化学动力控制时：氮的活性吸附为控制阶段。
在远离平衡时（逆反应可被忽略）： rkpN 0.2 5pH 0.2 5
② 合成氨的生产是消耗能量的生产，它所用的原料恰好又都是 能源，因此节省能源是合成氨生产的又一突出的特点。
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2Baidu Nhomakorabea
一概 述
1、合成氨的重要性
氨的合成使人类从自然界制取含氮化合物的最重要方法。 氮则是进一步合成含氮化合物的最重要原料，而含氮化合物在 人民生活中都是必不可少的。1977~1978年，世界含氮化合物 产量为4935万吨氮，1980~1981则达6284万吨。
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(3) 影响平衡时氨浓度的因素
在氨的合成应中，设P为总压，y、yN2、yH2、yi分别代表NH3、N2、 H2、惰气的摩尔分数，则
yN 2yH 2yN3H yi1
原始氢氮比:
R yH2 yN2
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所以 同样， 所以
yN2
1 y yi 1R
yH2
1yyi
yH2 R
yH2
R(1yyi ) 1R
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(2) 化学平衡及平衡常数
在高压下，气体的行为偏离理想状态的规律，平衡常 数Kp可通过下式求出：
K f fN 0 2 .5 fN •3 fH H 1 .2 5N 0 .2 5 N •31 H H .5 2•p N 0 .p 2 5N •p 3H 1 H .5 2 K •K p
或：
Kp
Kf K
式中f 和 为各组分的逸度和逸度系数。
由于化学反应（含化学吸附）的活化能比扩散活化能高很多 倍，温度对前者的影响比后者大。所以很有可能是低温时是 化学动力学控制，高温时是内扩散控制。
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大颗粒的催化剂由于内扩散路程长，小颗粒的路程短，所 以在同样的温度下，有可能大颗粒是内扩散控制，小颗粒 时是化学动力学控制，高温时是内扩散控制。
氨是用氢、氮合成的，所以合成氨的直接原料为氢和氮 各种原料制氨的经济指标
从世界范围讲，以天然气，油田气为原料的工厂占60%以上。其 次是与天然气接近的轻油和炼厂气。以煤为原料的只不过10%。
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氨合成原则流程
氨的生产过程，粗略的讲可分成四步：原料的生产；原料气的净化； 氨的合成；氨的分离。除氨的合成外，其它过程的转化率和分离率 都比较高。由于氨合成的转化率较低，反应后的气体经氨分离后循 环返回合成塔。氨生产的原则流程：
造 原料
气
净
氨 的
氨 的
合
分
化
成
离
循环气
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氨
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在这个原则流程中，氨的合成是核心，原料气的生产和净化 工艺必须满足氨的合成要求，氨的分离和循环气返回合成塔 的工艺，也主要是根据合成反应的结果来确定的。
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二 氨合成的理论基础
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1 氨合成的热力学基础
（1） 化学反应与反应热
氨的合成反应是放热、体积缩小的可逆反应：
鉴于氨在国民经济中的重要性，许多国家都集中主要力量解决与 合成氨有关的技术和理论问题。如高压技术、煤的气化、深冷技 术、气体净制、特种钢材、催化理论等。因此，合成氨的发展， 又在理论上和技术上指导了其他新型的工业，如人造石油、甲醇、 尿素的合成。乙烯的高压聚合等。
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2 合成氨的原料路线及原则流程