1、化工工艺学期中考试1. 合成氨生产主要分几个工序？各部分任务如何？（30 分）答：1）原料气制备即制备含有氢、氮的原料气。用煤、原油、或天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。（将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。一般焦炭、无烟煤等固体燃料通常采用气化的方法制取合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气。）2）净化因为无论用何种方法造气，原料气中都含有对合成氨反应过程有害的各种杂质，必须采取适当的方法除去这些杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。（1）脱硫过程（2）无论以焦炭还是天然气为原料获得的原料气中，都含有
2、一氧化碳、二氧化碳、硫化物等不利于合成反应的成分，需要在进入合成塔之前除去。其中硫化物对蒸气转化都是有害的，故在原料气进入界区后，首先进行脱硫。氧化锌脱硫就是 H2S气体在固体 ZnO上进行反应，生成 H2O进入气相，ZnS 则沉积在 ZnO固体表面上。脱无机硫温度约 200。（2）一氧化碳变换过程在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有 CO，其体积分数一般为 12%40%。合成氨需要的两种组分是 H2和 N2，因此需要除去合成气中的 CO。变换反应如下： CO+H2OH2+CO2 ,H=-41.2kJ/mol 由于 CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口
3、残余 CO含量。第一步是高温变换，使大部分 CO转变为 CO2和 H2；第二步是低温变换，将 CO含量降至 0.3%左右。因此，CO 变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。（3）脱碳过程粗原料气经 CO变换以后，变换气中除 H2外，还有 CO2、CO 和 CH4等组分，其中以 CO2含量最多。CO2 既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中 CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。 一般采用溶液吸收法脱除 CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selex
4、ol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗苯菲尔法，活化 MDEA法，MEA法等。（4）气体精制过程 (少量一氧化碳的脱除) 经 CO变换和 CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和 CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定 CO和 CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-190左右)条件下用液氮吸收分离少量 CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气 100cm3/m3以下的氢氮混
5、合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量 CO、CO2 与 H2反应生成 CH4和 H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于 0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到 10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分 H2，并且增加了惰性气体 CH4的含量。甲烷化反应如下：CO+3H2CH4+H2O， H=-206.2kJ/mol CO2+4H2CH4+2H2O, H =-165.1kJ/mol 3）压缩和合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成
6、氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下： N2+3H22NH3(g) ,H=-92.4kJ/mol2. 简述尿素合成的方法。（30 分）3. 总结硫酸生产的主要过程和主要反应式。（20 分）1.工业制硫酸的方法(1)硫铁矿制酸硫铁矿在沸腾焙烧炉内通空气燃烧产生 SO2气体，经余热锅炉回收热量后，依次通过旋风除尘和电除尘进行干法除尘。随后，炉气再通过洗涤、冷却、除雾等一系列的净化操作进入干燥塔。干燥后的炉气用主鼓风机压送至一转一吸或两转两吸制酸装置内制取硫酸。其反应如下：
7、(2)硫磺制酸反应时生成的热传递给进入接触室的需要预热的浓和气体并冷却反应后生成的气体（即热交换过程）熔融硫磺在焚硫炉内用干燥空气燃烧产生SO2气体，经余热锅炉回收燃烧热后进入“一转一吸”或“两转两吸”制酸系统制取硫酸。其反应如下：(3)冶炼烟气制酸主要利用有色金属铜、铅、锌、镍、钴等硫化矿在熔炼过程中产生的 SO2烟气进行制酸。其工艺流程除焙烧系统随有色金属硫化矿的焙烧工艺不同而有异外，其制酸工艺与沸腾炉炉气制酸相同。2.硫酸的生产流程(1)原料工段原料处理能力要满足生产周转，与硫酸生产能力相匹配，能够满足焙烧工艺的进料工况条件结合矿源及工程，应着重考虑如下问题原料的卸车及转运方式、矿库的贮
8、存能力(库容)、干燥及含尘尾气处理、块矿的破碎及筛分等。原料工段设置应尽量少进行固体物料的交叉，流程越简单越好。(2)焙烧流程焙烧流程一般为:焙烧炉废热锅炉旋风除尘器电除尘器，也可以不设旋风除尘器。这种流程非常紧凑，但电除尘器需专门设计且操作管理要求较高。为了尽可能使工艺技术和设备制造立足国内，增加装置操作的可靠性，使用国内的电除尘器，则倾向于设置旋风除尘器。一般采用增湿输送的干法排渣，有刮板输送机冷却滚筒(增湿)一带式输送机流程和冷却滚筒+冷却滚筒(增湿)带式输送机两种流程，目前设计倾向于使用后一种流程。(3)净化流程大型硫酸装置选择酸洗净化流程。国内大型装置空塔流程居多，即空塔(增湿塔)填
9、料冷却塔(稀酸板式换热器)一两级电除雾器。近十多年来我国投产的硫铁矿制酸酸洗净化流程绝大多数使用此流程，亦是比较容易掌握的流程。近年来冶炼烟气制酸选择动力波洗涤器代替空塔居多，国内有关专家认为，动力波洗涤器特别适用于烟气量波动比较大的情况，效果较好，但压降较大，对气量均衡稳定的硫铁矿制酸并无明显优势。(4)干吸流程干吸流程有塔槽一体化流程、三塔一槽流程、三塔两槽流程和三塔三槽流程。塔槽一体化即干燥塔、一吸塔、二吸塔均不设外部泵槽，由各塔的底部分别存液，循环泵设于塔外的管道上，国内比较典型的为贵州瓮福2400kt/a硫铁矿制酸装置。塔槽一体化省去了泵槽和很多的管线，使得工艺流程简单、设备布置紧凑
10、，有一定的优越性，但在设计时要考虑泵的密封，特别是一吸循环泵。目前，国内设计多采用三塔两槽流程，又以干燥塔一个循环槽.两吸收塔共用一个循环槽居多。干吸塔普遍使用不锈钢槽管式分酸器及大规格填料，可大幅增加分酸点，降低填料高度，优化塔的操作状况，提高塔的操作效率，塔的顶部装设高效除雾器。(5)转化流程转化工序基本采用两转两吸流程，国内“2+2”,“3+2”,“3+1”几种流程都有，但目前采用较多的是，“3+1”流程，配套换热流程有和等，设计选择较多的根据系统热平衡计算，可以考虑设置热管省煤器。转化系统的流程和设计参数的选择，实际上是系统的优化问题，需与所用催化剂和所用设备情况综合考虑，应尽量提高一转化的转化率，使尾气排放更容易达到日益严格的环保要求。3.生产硫酸流程图4.电解制烧碱前盐水精制的目的和方法。（20 分）
