1、化工工艺学 Chemical Engineering Technics,合成氨工艺学,概述 氨合成的热力学基础 氨生产全流程 合成氨生产的发展趋势,概 述,合成氨工业的重要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。,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
2、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1720MPa和 500600温度下进行了合成氨研究，得到6的氨。,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。,合成氨的原料及原则流程 合成氨的原料是氢气和氮气。氮气来源于空气，可以在制氢过程中直接加入空气，或在低温下将空气液化、分离而得；氢气来源于水或含有烃的各种燃料。工业上普遍采用的是以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用的气化方法。,合成氨生产的原则流程如图所示。,（合成氨过程由许多环节构成，氨合成
3、过程是整个工艺过程的核心.）,氨合成的热力学基础,从化学工艺的角度看其核心是反应过程工艺条件的确定，而确定反应的最佳工艺条件，需先从事反应热力学和动力学的研究。 氨合成反应的热效应0.5N21.5H2=NH3 H298=46.22 kJmol-1 特点：氢气和氮气合成氨是体积缩小的可逆放热反应.,注：其反应热不仅与温度有关，还与压力和组成有关。,氨生产全流程,制造原料气按原料的不同有各种流程，原料气的净化过程依据原料及其制造方法的差异也有不同的选择，其流程有若干种。下面介绍几种典型的合成氨全流程。,以煤为原料合成氨的全流程如图所示。选用了改良蒽琨二磺酸法脱硫、氨基乙酸法脱CO2、加压变换等新技
4、术。,以天然气等气态烃为原料二段转化法流程如图。特点是把脱硫放在转化之前。有益于转化和变换催化剂，避免转化后把温度降到常温下脱硫，节省和利用了大量的热能。,合成氨生产的发展趋势,1 不同原料制氨的技术经济比较,用什么原料，主要取决于来源与价格。,采用什么样的流程，应根据不同的原料，对各工序拟使用的生产方 法进行技术经济分析和综合评价比较，以求操作可行和经济合理。下图列出了不同原料路线生产氨的经济指标。,天然气制氨的投资最少、能耗最小、成本也较低。,2 工艺参数的影响,氨的生产成本和工程投资，除与原料、生产方法及流程有关外, 各种工艺过程的相互影响，还存在一个最佳工艺参数的问题。要求按给定的目的
5、函数进行最佳化计算，如图所示。,化工发展趋势的两大特点是：大型化与综合化。大型厂的优点，除节省人力外，节能和综合利用能量好。各工序是一个有机整体，工序间缺少独立性，局部变化会影响整体状态的稳定性。,3 生产规模大型化,生产规模增大，投资亦增多，但比投资却下降，即大规模生产是有利的。,下表为大型氨厂规模和阿投资费用的关系,合成氨厂能耗很大，氨成本中能源费用依据原料的不同占一半左右。我国引进几个国家的大型合成氨技术能耗指标如表所示。,节能降耗的方法有：扩大生产规模、选择与原料相适应的净化方法、采用新工艺及余热的回收利用等。,4 节能降耗和能量的综合利用,联合生产是指在一个整体生产过程中加工多种产品
6、，达到物料综合利用和化工过程相互利用的效果。大多将氨加工成各种固体肥料，尿素便是其中之一。合成氨厂副产大量二氧化碳，氨厂内通常设有氨及其副产品进一步加工利用的工段。,尿素合成工艺有多种，我国普遍采用的是水溶液全循环流程。流程分为二氧化碳的压缩、液氨的输送、尿素的合成，未反应物的分解和循环、尿素液的蒸发浓缩、尿素的造粒等工序。具体流程如图所示。,5联合生产,（1）合成氨尿素联合生产,我国科学家侯德榜1924年提出了联合制碱法。该法以合成氨厂的产品NH3，副产品CO2为原料，配以NaCl，同时生产纯碱Na2CO3和肥料NH4Cl。下图为联碱法生产过程的流程。,侯氏制碱特点是，采用循环流程, 不需对
7、循环液(或气)进行除杂质,采用食盐水除杂。,无水碳酸钠（Na2CO3）俗称纯碱，是一种重要的化工原料。用于玻璃、肥皂、水净化、造纸、纺织、印染、纤维。制革及钢铁和有色金属冶炼等工业。,（2）合成氨纯碱联合生产,近期国内开发的合成氨有关技术,计算机应用技术：包括由山东恒通集团等企业开发的建立企业内部局域网，加快企业信息化建设的技术；由河北科技大学德隆科技开发公司开发的造气生产集散控制系统；由安徽广德三元自动化设备公司和武汉空军协达学院联合研制的，2000年获得国家专利的ZF-4型造气炉炉况监测与优化系统；由长沙仪峰公司开发，获得国家发明专利的“仪峰”牌造气专用集散系统；由清华大学化工系和北京思创
8、系统工程有限公司合作开发，在河南息肥化肥厂进行试点的AOC-2000合成、变换工段优化控制系统。以及低温变换工艺技术、脱硫技术脱碳技术、醇醚化、醇烃化精制合成氨原料气技术等等。,7.合成氨新法电合成最近，两位希腊化学家，位于 Thessaloniki 的阿里斯多德大学的 George Marnellos 和 Michael Stoukides，发明了一种合成氨的新方法（Science，2,Oct.1998, p98）。在常压下，令氢与用氦稀释的氮分别通入一加热到 570oC 的以锶-铈-钇-钙-钛矿多孔陶瓷（SCY）为固体电解质的电解池中，用覆盖在固体电解质内外表面的多孔 钯多晶薄膜的催化，转化为氨，转化率达到78%；对比：几近一个世纪的哈伯法合成氨工艺通常转化率为10-15%！实验条件探索：他们用在线气相色谱检测进出电解池的气体，用HCl吸收氨引起的pH值变化估算氨的产率，证实提高氮的分压对提高转化率无效；升高电流和温度虽提高质子在 SCY 中的传递速度却因 SCY 导电率受温度限制，升温反而加速氨的分解。,谢谢大家！,煤化工111班 王先昱,
