《无机化工产品生产技术与操作》合成氨部分16946.pptx

32绪论主要内容绪论主要内容 1典型无机化工产品生产技术典型无机化工产品生产技术原由原由 本课程教法选择和考核评价方法本课程教法选择和考核评价方法 典型无机化工产品在国民经济中典型无机化工产品在国民经济中的重要地位及其发展概况的重要地位及其发展概况 v无机化工产品种类繁多，生产技术也千差万无机化工产品种类繁多，生产技术也千差万别，实难以别，实难以无机化工生产技术无机化工生产技术一书以概一书以概之，故改名为之，故改名为无机化工生产技术与操作无机化工生产技术与操作1典型无机化工产品生产技术典型无机化工产品生产技术原由原由主要内容主要内容v典型无机化工产品主要包括合成氨、化学肥料、硫酸与硝酸、纯碱与烧碱、主要无机盐等五个方面。都属于大宗化学品大宗化学品和和典型无机典型无机化工产品化工产品。v本书重点介绍典型无机化工产品的生产原理、生产原料路线选择、工艺流程组织、生产运行与操作条件的优化，以及典型设备选型、操作控制要点及常见故障排除措施等 表0-1 2008年我国典型无机产品的产量/万t合成氨硫酸硝酸纯碱烧碱尿素磷肥钾肥复混肥517951008001950247050001350(折P2O5)1000自产300进口7001500水泥碳酸钙玻璃150000轻钙550重钙75057442.9(万重量箱)注：1万重量箱平板玻璃约等于500吨。632142典型无机化工产品在国民经济中典型无机化工产品在国民经济中的重要地位及其发展概况的重要地位及其发展概况 合成氨堪称现代化学工业的领头羊合成氨堪称现代化学工业的领头羊 硫酸曾被誉为硫酸曾被誉为“工业之母工业之母”硝酸唯一兼有强酸性和强氧化性硝酸唯一兼有强酸性和强氧化性 化学肥料是现代农业的基石化学肥料是现代农业的基石 5纯碱与烧碱是重要的基本化工原料纯碱与烧碱是重要的基本化工原料 无机盐是化学工业的基础无机盐是化学工业的基础 v一般认为，现代化学工业的标志一般认为，现代化学工业的标志-1913年德国的哈伯和博年德国的哈伯和博施首次采用铁为催化剂、直接以氢气和氮气为原料、在高温施首次采用铁为催化剂、直接以氢气和氮气为原料、在高温高压下成功合成氨。划时代意义的人工固氮技术的重大突破。高压下成功合成氨。划时代意义的人工固氮技术的重大突破。v合成氨工业化被公认为化学方面最重要的发明之一和对高压合成氨工业化被公认为化学方面最重要的发明之一和对高压化学合成技术上作出的重大贡献，哈伯和博施先后分别于化学合成技术上作出的重大贡献，哈伯和博施先后分别于1918年和年和1931年荣获诺贝尔化学奖。这种直接合成氨法称年荣获诺贝尔化学奖。这种直接合成氨法称为哈伯为哈伯-博施法。博施法。v合成氨工业化的成功极大地促进了高压机生产技术、高压化合成氨工业化的成功极大地促进了高压机生产技术、高压化学合成技术和催化剂生产技术的发展，使德国一跃成为当时学合成技术和催化剂生产技术的发展，使德国一跃成为当时世界工业强国。世界工业强国。v合成氨生产堪称现代无机化学工业的领头羊。合成氨生产堪称现代无机化学工业的领头羊。1合成氨堪称现代化学工业的领头羊合成氨堪称现代化学工业的领头羊氨的应用氨的应用化学肥料化学肥料8590%化工原料化工原料1015%碳铵、氯化铵磺胺类药物、维生素、氨基酸硝酸、纯碱有机化合物中的含氮中间体含氮无机盐最常用的制冷剂已内酰胺、丙烯腈、酚醛树脂硫酸铵、硝酸铵尿素氨氨氨的应用领域氨的应用领域我国我国合成氨合成氨工业发展现状工业发展现状 小型合成小型合成氨数量氨数量中型合成中型合成氨数量氨数量大型合成大型合成氨数量氨数量合成氨总合成氨总产量产量/万万t世界排名世界排名解放初解放初2004.51992年年15395522229812004年年4608230420012008年年51001v硫酸产量与合成氨相当，工业化生产已有270年历史，曾被誉为“工业之母”。v化肥工业中，每生产一吨硫酸铵，就要消耗纯硫酸760kg。v每生产一吨过磷酸钙，消耗硫酸360kg；v农药方面如硫酸铜、硫酸锌是植物的杀菌剂，硫酸铊可作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂；v冶金工业中电解液就需要使用硫酸；v石油工业中每吨原油精炼需要硫酸约24kg，每吨柴油精炼需要硫酸约31kg；v化学纤维每生产1t环氧树脂，需用硫酸2.68t，号称“塑料王”的聚四氟乙烯，每生产1t，需用硫酸1.32t；2硫酸曾被誉为硫酸曾被誉为“工业之母工业之母”v染料工业几乎没有一种染料（或其中间体）的制备不需使用浓硫酸或发烟硫酸。v浓硫酸为浓缩硝酸生产中的脱水剂；v氯碱工业中，以浓硫酸干燥氯气、氯化氢；v无机盐工业中，如冰晶石、氟化铝、硼砂、磷酸三钠、磷酸氢二钠、硫酸铅、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其他硫酸盐的制备；v许多无机酸和有机酸的制备，也常需要硫酸作原料。v此外，电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、工业炸药和铅蓄电池制造业等等，都消耗相当数量的硫酸。我国我国硫酸硫酸工业发展现状工业发展现状 硫铁矿为硫铁矿为原料原料/%硫磺为原硫磺为原料料/%冶炼烟气冶炼烟气为原料为原料/%总产量总产量/万万t世界排名世界排名1995年年82.12001年年29.42004年年399512006年年44.32007年年510012008年年241v1t硫磺可以生产3t硫酸，2t蒸气，336度电量，且无三废排放，良好的生产环境与经济效益是硫磺法生产硫酸得到快速发展最主要的因素。v近几年来，随着我国有色金属工业的迅猛发展，冶炼烟气制酸也获得快速发展，铜陵有色、江西铜业、甘肃金川等硫酸产量在100万t/a以上的特大型企业，均以冶炼烟气制酸为主，2008年我国烟气吸收法制酸已占24%。v硫酸装置的大型化、规模化、集约化发展取得了巨大进步。将进一步淘汰4万t/a的硫铁矿制酸装置，限制10万t/a硫铁矿制酸装置，硫酸企业有望向“能源工厂”转变，实现以硫资源为主线，以能源循环为辅线，实现了以硫酸为核心的循环经济。v硝酸兼有强酸性和强氧化性的特点，各类酸中产量仅次于硫酸的重要化工原料；v主要用于无机化工制造硝酸铵、硝酸铵、硝酸磷肥、氨磷钾等复合肥料。v在有机工业、染料工业、涂料工业、医药工业、印染工业、橡胶工业、塑料工业、冶金工业中和国防工业等也有广泛用途。3硝酸唯一兼有强酸性和强氧化性硝酸唯一兼有强酸性和强氧化性 我国我国硝酸硝酸工业发展现状工业发展现状 常压法常压法/万万t综合法综合法/万万t双加压法双加压法/万万t总产量总产量/万万t世界排名世界排名解放初解放初0.450.452007年年70512008年年4008001至2008年底我国已拥有先进的双加压法工艺的硝酸生产装置20套，占我国硝酸总产能的50%，大大缩短了我国与世界先进水平的差距。但我国还不算是硝酸工业强国，世界发达国家均普遍采用27万t级和50万t级硝酸装置，我国年产27万t双加压法完全国产化硝酸装置目前国内仅有几家企业正在筹建，随着取缔和关闭落后生产装置，淘汰配置低、规模小、能耗高的装置，我国硝酸工业正在向规模化发展 v化肥是农作物增产增收的物质基础，化肥是农作物增产增收的物质基础，粮食的粮食的“粮食粮食”。v化肥对我国粮食单产增长的贡献率高达化肥对我国粮食单产增长的贡献率高达4050。使用化肥以提高粮食单产，已经成为确保全球粮食使用化肥以提高粮食单产，已经成为确保全球粮食安全的关键和现代农业的基石。安全的关键和现代农业的基石。v中国能以世界中国能以世界7%的耕地养活占世界约的耕地养活占世界约22%的人口，的人口，应该说一半功劳归于化肥。应该说一半功劳归于化肥。v另外一半功劳呢？另外一半功劳呢？4化学肥料是现代农业的基石化学肥料是现代农业的基石 v建国初我国化肥工业只有硫酸铵和硝酸铵两个品种，年产量只有6000t。v目前我国化肥生产量约占世界总量的约1/3，表观消费量约占35%，世界上最大的化肥生产国和消费国。v一是化肥工业的基本特征是一是化肥工业的基本特征是“多氮少磷缺钾多氮少磷缺钾”；v二是高浓度化肥比例低。为什么？为什么？v三是复合肥料比例低三是复合肥料比例低。v纯碱。建材方面主要用于制造玻璃，这是纯碱的最大消费部门，每t玻璃消耗纯碱0.2t。v在轻工方面：洗衣粉、三聚磷酸钠、保温瓶、灯泡、白糖、搪瓷、皮革、日用玻璃、造纸等；v在化工方面：制取钠盐、金属碳酸盐、小苏打、硝酸钠、亚硝酸钠、硅酸钠、硼砂、漂白剂、填料、洗涤剂等；v冶金工业：冶炼助熔剂、选矿用浮选剂、炼钢和炼锑用作脱硫剂；v在陶瓷工业中制取耐火材料和釉也要用到纯碱；v印染工业用作软水剂；v制革工业用于原料皮的脱脂、提高铬鞣液碱度；v食用级纯碱用于生产味精、面食等。5纯碱与烧碱是重要的无机碱性化工原料纯碱与烧碱是重要的无机碱性化工原料 我国我国纯碱纯碱工业发展现状工业发展现状生产企业生产企业生产技术生产技术总产量总产量/万万t世界排名世界排名解放初解放初210008.82008年年49366018301氨碱法/%联碱法/%v2008年我国纯碱企业平均年产量纯碱企业平均年产量37.34万吨万吨。v氨碱法路线的山东海化集团有限公司的年产能为年产能为300万吨万吨；v联碱法的湖北双环化工集团有限公司年产能为年产能为100万吨万吨。v但在节能减排方面与世界先进水平仍有较大差距。例如：氨碱企业，液氨平均消耗大于液氨平均消耗大于4.5kgt碱碱，是世界最好水平的1.5-2倍；制碱装备运行周期和稳定性低于国外；自控技术水平参差不齐，劳动效率低下；能源消耗偏高等。v烧碱烧碱v使用烧碱最多的部门是化学药品化学药品制造；v其次是造纸、炼铝、炼钨、人造丝、人造棉和肥皂制造业。v在生产染料、塑料、药剂及有机中间体，旧橡胶再生；v无机盐生产中，制取硼砂、铬盐、锰酸盐、磷酸盐等，也要使用大量的烧碱。如普通肥皂普通肥皂；v造纸行业主要是制浆耗碱，烧碱起苛化作用烧碱起苛化作用；v印染、纺织工业上，用大量碱液去除棉纱、羊毛的油脂；v生产人造纤维也需要烧碱或纯碱。例如，制粘胶纤维首先要用1820烧碱溶液（或纯碱溶液）去浸渍纤维素，使它成为碱纤维素。我国我国烧碱烧碱工业发展现状工业发展现状生产企业生产企业生产技术生产技术总产量总产量/万万t世界排世界排名名解放初解放初几家几家1.501.52005年年179785.4629.21414.61隔膜法/%离子膜法/%氯产品氯产品数量数量 盐酸、液氯、漂白粉等几种 200余种，主要品种70多个 v我国最早的氯碱工厂是1930年投产的上海天原电化厂，日产烧碱2t。v离子交换膜法制碱技术，具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能适应电流波动、能耗低、污染小等优点，是氯碱工业发展的方向。v目前我国隔膜法烧碱产量占55%，离子膜法烧碱所占比例占到45%，后者具有继续发展的潜力。v氯碱工业企业平均生产规模7.9万ta；v大多数企业的规模较小，与国外大型烧碱企业相比差距非常之大，日本、欧盟的前5家企业分别集中了它们烧碱生产能力的50%，美国的5家大公司集中了美国烧碱生产能力的80%，而我国前5家企业的生产能力不到全国总生产能力的16%。二、本课程教法选择和考核评价方法二、本课程教法选择和考核评价方法v采用什么样的教学方法？采用什么样的教学方法？v由同学们共同选择v一是传统的教学方法：一是传统的教学方法：v二是新型的项目化教学方法：二是新型的项目化教学方法：三、项目化教学特点和考核评价方法三、项目化教学特点和考核评价方法 v1、项目化教学必须进行、项目化教学必须进行整体教学设计整体教学设计 v“课程的整体教学设计”包括课程目标设计、课程内容设计、能力训练项目设计、进程表设计、第一节课梗概、考核方案设计、工具材料等主要内容。v本课程的特点是：项目不多，但项目庞大、工艺复杂。如“合成氨”部分在传统的学科教学中将安排3640课时，如此得复杂庞大的项目不可能一次课就能完成。因此，结合本课程的实际，采取将一个大项目分为若干个任务。2、必须突出能力目标，而不是知识目标、必须突出能力目标，而不是知识目标v传统的传统的“知识本位课程教学知识本位课程教学”以表达知识、以表达知识、传授知识、消化知识、理解知识、记忆知识、传授知识、消化知识、理解知识、记忆知识、再现知识等为已任。再现知识等为已任。v高职课程教学必须突出能力目标，而不是知高职课程教学必须突出能力目标，而不是知识目标。能力本位课程要求任课教师按照课识目标。能力本位课程要求任课教师按照课程教学的能力目标重新设计课程考核方式，程教学的能力目标重新设计课程考核方式，必须重新设计出适用于项目化教学的必须重新设计出适用于项目化教学的“学生学生能力考核方式能力考核方式”。3、教学过程必须体现、教学过程必须体现“教、学、做教、学、做”一体化一体化v为了有效地训练职业能力，在课程教学过程中要尽可能“边做边学”、“在做中学”。v项目化教学一般要求采用小班授课小班授课，需要在多媒体教室或理实一体化教室中进行，以便“教、学、做”实现有机融合。v小班授课效果会更好？小班授课效果会更好？4、项目化教学课程内容的载体是项目和任务、项目化教学课程内容的载体是项目和任务v在传统的知识本位学科中，知识的载体是语言、文字、图形和公式，这些知识主要是通过教师在课堂的讲课来传授的。但职业能力不能传授，“高分低能”的根源。v学生的职业能力是训练出来，而不是靠教师“讲”出来的，而训练能力的载体是“项目和任务”。v学生只能在完成真实的、大型的、综合的、典型的、有趣的、具有挑战性的项目和任务过程中，才能真正训练出解决本专业实际问题所需的综合能力。5、学生是课程教学过程的主体、学生是课程教学过程的主体v在知识本位课程中，教师是课程教学的主体v在项目化课程中，学生是课程教学过程的主体v学生要花大量时间用于课外查阅资料、讨论提纲、撰写论文、制做ppt；v在课堂上教师只是一名“导演”，其职责主要用于精心的课堂组织、画龙点睛式的点拔，广大学生才是“主演”，课堂时间的7080%是学生在进行分组汇报、讨论、甚至争论，基本上达到“知识是学生学会的，能力也是学生练出来的知识是学生学会的，能力也是学生练出来的”目的；v剩余2030%的课堂时间才由主讲教师进行最后的总结和评价，并布置下次课内容等。6、师生身份的置换、师生身份的置换v项目化教学过程中，师生身份一般必须进行置换。v主讲教师可以身为董事长、总经理、或项目发包方，主讲教师不再是老师，而是总。v一个班级就是一家技术开发公司，班长和团支书（或党支书）可以分别担任副总经理、党委书记，学生需要进行分组，一个班假如有40名同学，可分为56个组，每个组设一名项目经理、一名副经理，12名工程师，23名技术人员等。v不论是主讲教师，还是学生，每人都有一个全新的身份，每人都要制作一张身份卡，注明公司名称、姓名、职务等，上课就是进行项目论证的过程，每人都必须配戴身份卡。v身份置换如何操作？身份置换如何操作？7、考核评价方法、考核评价方法v项目化教学考核评价方法可分为三个方面v一是各项目或任务完成情况考核评分表；v二是各项目或任务记分总表；v三是平时表现记录表，该项由指导教师把握，一般约占总分的20%。表表1-2 任务完成情况考核评价表（样表）任务完成情况考核评价表（样表）序号考核项目 权重/%优秀/90良好/80中等/70及格/60不及格/50单项成绩1完成任务的态度 102报告的质量 403分析与选择能力 104资料查阅与应用能力 105回答问题的质量 56应变与语言表达能力 57课堂纪律108与人合作与自学能力 59经济与环保意识 5班级：姓名：项目号：任务号：注：与人合作能力得分由项目执行经理（项目组长）评定，其它方面由教师评定。表表1-3 各项目或任务记分总表（样表）各项目或任务记分总表（样表）姓名项目1项目2项目3项目4项目5项目6项目7项目8项目9项目10项目11表表1-4、平时表现记录表（样表）、平时表现记录表（样表）任务姓名职务汇报发言补充发言自由发言表现回答问题情况一项目号：任务号：时间：年 月 日 第 周 节 地点三、本课程总的能力目标、知识目标、三、本课程总的能力目标、知识目标、方法能力目标方法能力目标v1、能力目标、能力目标v能根据典型无机产品生产特点和当地能源供应等具体条件，合理选择原料及工艺路线、能够进行生产工艺流程的组织、工艺条件优化、主要设备选型。v稍加实际训练就能够进行岗位操作、开停车操作及常见故障排除等生产操作。2、知识目标、知识目标v了解典型无机产品在化学工业中的重要地位与发展趋势重要地位与发展趋势；v掌握典型无机产品原料的多样性及生产工艺路线选择原则；原料的多样性及生产工艺路线选择原则；v掌握的主要反应器的基本结构及其操作控制要点主要反应器的基本结构及其操作控制要点；v掌握典型无机产品生产工艺条件的选择工艺条件的选择；v掌握典型无机产品生产工艺流程的组织工艺流程的组织；v掌握典型无机产品制取过程中节能关键技术节能关键技术；v了解典型无机产品生产过程主要异常现象及故障排除主要异常现象及故障排除；v具有较强的安全意识与环保意识较强的安全意识与环保意识；3、方法能力目标：、方法能力目标：v具有较强的信息检索能力与加工能力；具有较强的信息检索能力与加工能力；v具有较强的自我学习和自我提高能力；具有较强的自我学习和自我提高能力；v具有较强的发现问题、分析问题和解决问具有较强的发现问题、分析问题和解决问题的能力；题的能力；v具有较强的发散性思维能力和创新意识；具有较强的发散性思维能力和创新意识；v具有撰写专业论文、制作汇报具有撰写专业论文、制作汇报ppt的能力的能力。4、社会能力目标：、社会能力目标：v具有团队精神和与人合作能力；具有团队精神和与人合作能力；v具有与人交流沟通能力；具有与人交流沟通能力；v具有较强的口头和文字表达能力。具有较强的口头和文字表达能力。选选 择择？v1、选择传统教学法？、选择传统教学法？v轻车熟路、学习压力小、但可能学习效果不太理想。轻车熟路、学习压力小、但可能学习效果不太理想。v2、选择项目化教学法？、选择项目化教学法？v探索中新方法、难度大、任务重，但学到的知识、煅炼能力可能较多。探索中新方法、难度大、任务重，但学到的知识、煅炼能力可能较多。一、合成氨工业概貌一、合成氨工业概貌二、项目化教学分组二、项目化教学分组三、项目化教学具体路径介绍三、项目化教学具体路径介绍v世界大多数合成氨厂以气体燃料为主要原料。世界大多数合成氨厂以气体燃料为主要原料。v我国的能源结构特点是我国的能源结构特点是“富煤、少油、缺气富煤、少油、缺气”。v我国的合成氨生产原料已经形成了以煤为主、我国的合成氨生产原料已经形成了以煤为主、油气并存的中国特色。油气并存的中国特色。v我国合成氨厂原料组成大致为：气我国合成氨厂原料组成大致为：气油油煤煤=1419 67。v中国特色的合成氨原料结构仍然富有强大的中国特色的合成氨原料结构仍然富有强大的生命力。生命力。合成氨生产过程的三个基本步骤合成氨生产过程的三个基本步骤v原料气的制取：原料气的制取：制备含有H2、N2、CO、CO2等成分的粗原料气。根据原料气制取所用主要原料不同，合成氨工艺可分煤头合成氨、气头合成氨和油头合成氨。v原料气的净化：原料气的净化：指除去原料气中H2、N2以外的杂质，包括脱硫、CO变换、CO2的脱除、原料气精制等步骤。其中每一步工艺都有多种选择，原料气净化方法的多样性使合成氨工艺显得纷繁复杂和多姿多彩。v氨的合成与分离：氨的合成与分离：精制后的氢氮气经压缩到必要的压力和预热到必要的温度后，在催化剂作用下合成氨。v从合成塔出来的混合气体中氨约占1418%，未反应的氢氮气经分离氨后循环使用。二、合成氨生产的典型流程二、合成氨生产的典型流程 v1、以煤原料的合成氨流程、以煤原料的合成氨流程 v图1-1 中型合成氨的原则流程 半水煤气制备（造气）工艺流程半水煤气制备（造气）工艺流程半水煤气制备（造气）工艺流程半水煤气制备（造气）工艺流程图图1-2 以煤为原料生产以煤为原料生产碳酸氢铵碳酸氢铵的小型合成氨的小型合成氨原则流程图原则流程图 2、以、以天然气天然气为原料的合成氨流程为原料的合成氨流程3、以、以重油重油为原料的合成氨原则流程为原料的合成氨原则流程 三、合成氨工艺的特点三、合成氨工艺的特点连续化的大规模生产连续化的大规模生产连续化的大规模生产连续化的大规模生产工艺复杂、技工艺复杂、技术密集术密集装置投资费用高装置投资费用高装置投资费用高装置投资费用高安全生产要求高安全生产要求高安全生产要求高安全生产要求高耗能大户、节能潜力巨大耗能大户、节能潜力巨大典型的无机生产工艺典型的无机生产工艺合成氨工艺的特点说明合成氨工艺的特点说明 v工艺复杂、技术密集：工艺复杂、技术密集：氨合成反应很简单，但实现工业化生产却具有工氨合成反应很简单，但实现工业化生产却具有工艺复杂、技术密集的特点。一是粗原料气的净化工艺复杂、要求高、科艺复杂、技术密集的特点。一是粗原料气的净化工艺复杂、要求高、科技含量高，二是高温高压的操作条件对设备制造和操作管理要求高，三技含量高，二是高温高压的操作条件对设备制造和操作管理要求高，三是需要用到多种催化剂，其工艺条件相当苛刻。是需要用到多种催化剂，其工艺条件相当苛刻。v连续化大生产：连续化大生产：合成氨工业具有高度连续化大生产的特点，要求原料供合成氨工业具有高度连续化大生产的特点，要求原料供应充足、较高的自动控制水平和科学管理水平，才能确保长周期安全运应充足、较高的自动控制水平和科学管理水平，才能确保长周期安全运行，获得较高的生产效益行，获得较高的生产效益。v典型的无机生产工艺典型的无机生产工艺：合成氨生产中既有气固相、气液相非催化反应，合成氨生产中既有气固相、气液相非催化反应，也有催化反应，既有常压反应，更多的是高温高压反应，同时工艺中涵也有催化反应，既有常压反应，更多的是高温高压反应，同时工艺中涵盖了流体输送、传热、传质、分离、冷冻、压缩等诸多化工单元操作，盖了流体输送、传热、传质、分离、冷冻、压缩等诸多化工单元操作，是非常典型的无机化工工艺。是非常典型的无机化工工艺。v耗能大户、节能潜力巨大耗能大户、节能潜力巨大：合成氨工业占整个化工工业总能耗的一半，合成氨工业占整个化工工业总能耗的一半，是实至名归的耗能大户。每吨液氨的理论能耗为是实至名归的耗能大户。每吨液氨的理论能耗为21.28GJ，目前实际吨，目前实际吨氨能耗约在氨能耗约在28-60GJ之间，能耗是评价合成氨工艺先进性的最重要指标。之间，能耗是评价合成氨工艺先进性的最重要指标。我国大型合成氨能耗水平已接近世界先进水平，但我国大型合成氨能耗水平已接近世界先进水平，但500多家中小型合成多家中小型合成氨厂的实际吨氨能耗约为理论能耗的氨厂的实际吨氨能耗约为理论能耗的2倍，具有巨大的节能潜力。倍，具有巨大的节能潜力。合成氨压力的多样化合成氨压力的多样化v在德国合成氨技术基础上，世界各国陆续开发了低在德国合成氨技术基础上，世界各国陆续开发了低压法（压法（100atm）、中压法（）、中压法（200300atm）和高压）和高压法（法（8501000atm）；）；v实际上大型合成氨厂都采用低压法，中小型合成氨实际上大型合成氨厂都采用低压法，中小型合成氨厂都采用中压法；厂都采用中压法；v60年代后，大型离心压缩机的发展使合成氨工艺规年代后，大型离心压缩机的发展使合成氨工艺规模空前提高，出现了日产模空前提高，出现了日产1000t以上的大型装置，以上的大型装置，使合成氨成本大幅下降，促进了氨在化肥等众多领使合成氨成本大幅下降，促进了氨在化肥等众多领域的广泛使用。域的广泛使用。液体液体液体液体气体气体气体气体固体固体固体固体下次课任务：如何选择合成氨生产原料下次课任务：如何选择合成氨生产原料如何确定合成氨工艺路线？如何确定合成氨工艺路线？如何选择合成氨原料？如何选择合成氨原料？如何选择合成氨原料？如何选择合成氨原料？固体固体固体固体燃料燃料燃料燃料焦炭焦炭块煤块煤粉煤粉煤型煤型煤问题与思考问题与思考v1、什么叫半水煤气？有何特点？、什么叫半水煤气？有何特点？v2、怎样才能得到合格的半水煤气？v3、间歇式生产半水煤气工艺如何进行组织、间歇式生产半水煤气工艺如何进行组织？v4、焦炭、块煤、型煤、粉煤有何共同点，为什么现在更多的企业采用型煤制气？合成氨工艺合成氨工艺的特点，从安全及生产稳定、保证产品质量等方面考虑，生产操作必须由具有一定专业技能的操作工进行作业；企业一般不允许实习学生动手操作；学校也不可能建立真实的、庞大而昂贵的生产性实训基地。为这门课程的学习带来了一定的难度。项目二 半水煤气的生产项目二主要内容项目二主要内容 123间歇式生产半水煤气工艺流程间歇式生产半水煤气工艺流程 一、半水煤气的生产原理一、半水煤气的生产原理 二、二、煤气化的工业方法煤气化的工业方法 一、什么叫半水煤气？一、什么叫半水煤气？v以焦炭或煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、以焦炭或煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空气水蒸气或富氧空气-水蒸汽混合气，经过一系列反应水蒸汽混合气，经过一系列反应生成含有生成含有CO、CO2、H2、N2及及CH4等混合气体。等混合气体。v气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气-水蒸水蒸汽混合气等称为汽混合气等称为气化剂气化剂。气化过程所得到的混合气。气化过程所得到的混合气体，称为体，称为煤气煤气。v用于实现煤气化过程的主要设备称为用于实现煤气化过程的主要设备称为煤气发生炉煤气发生炉。v煤气的成分取决于燃料和气化剂的种类及气化工艺煤气的成分取决于燃料和气化剂的种类及气化工艺条件。条件。各种煤气的基本情况各种煤气的基本情况气化剂气化剂煤气特点煤气特点主要用途主要用途空气煤气空气煤气空气空气热值较低热值较低与其它气体混合与其它气体混合使用使用水煤气水煤气水蒸汽水蒸汽CO+H285%合成甲醇、工业合成甲醇、工业制氢制氢混合煤气混合煤气空气空气-水蒸汽水蒸汽燃烧气燃烧气气体燃料气体燃料半水煤气半水煤气空气空气-水蒸汽水蒸汽（CO+H2）/N2=3.13.2合成氨专用合成氨专用低氮半水煤气低氮半水煤气富氧空气富氧空气-水蒸水蒸汽汽（CO+H2）/N2=3.54.5联醇工艺联醇工艺中热值煤气中热值煤气富氧空气富氧空气-水蒸水蒸汽汽发热值高发热值高城市煤气城市煤气v空气煤气空气煤气：以空气为气化剂进行不完全燃烧所生成的煤气，其主要成分为N2、CO、CO2，及少量H2，其发热值较低，主要与其它气体混合使用。v水煤气水煤气：以蒸汽为气化剂制得的煤气，其主要成分为CO和H2，二者含量之和高于85%，N2含量低，主要用于合成甲醇等化工合成气，以及工业上大规模制取氢气。v混合煤气混合煤气：以空气和适量水蒸气的混合物为气化剂生成的煤气，也称发生炉煤气，其发热值比空气煤气高，工业上作为燃烧气，主要用作气体燃料。v半水煤气半水煤气：介于水煤气和混合煤气之间的煤气，可以直接用这两种煤气按一定的比例混合而成，也可以用水蒸气加适量空气或富氧空气作为气化剂制得。其基本特征是（CO+H2）/N2=3.13.2，用于合成氨生产。v低氮半水煤气低氮半水煤气：其生产原理与半水煤气完全相同，不同的是其中氮气含量较低，（CO+H2）/N2=3.54.5，用于联醇工艺。v中热值煤气中热值煤气：以富氧空气和水蒸气作为气化剂制得的煤气，因其发热值高，且CO含量相对较低，故用于城市煤气。二、煤气化的原理二、煤气化的原理 v吹风反应吹风反应v以一定量的空气或富氧空气为气化剂，碳和氧之间发以一定量的空气或富氧空气为气化剂，碳和氧之间发生剧烈生剧烈放热反应放热反应，为制气反应提供能量，也称，为制气反应提供能量，也称吹风反吹风反应应。其主要反应如下：。其主要反应如下：vC+O2=CO2+393.777 kJ/mol（主反应）（主反应）（2-1）vC+CO2=2CO-172.28 kJ/mol （2-2）v2C+O2=2CO+221.189 kJ/mol （2-3）v制气反应制气反应v炽热的碳将氢从水蒸气中还原出来，在煤气炽热的碳将氢从水蒸气中还原出来，在煤气生产中称之为蒸汽分解，主要还原反应：生产中称之为蒸汽分解，主要还原反应：vC+H2O(g)=CO+H2-131.390 kJ/mol （主反应）（主反应）vC+2H2O(g)=CO2+H2-90.196 kJ/mol v2C+2H2 =CH4+74.90 kJ/mol v该反应是该反应是吸热反应吸热反应，产物是，产物是水煤气水煤气，是半水，是半水煤气的有效成分。煤气的有效成分。v其它副反应其它副反应v在燃料气化过程中，副反应，产生少量或微在燃料气化过程中，副反应，产生少量或微量的量的H2S和有机硫化物、氰化物、氨和有机硫化物、氰化物、氨等杂质等杂质组分。组分。三、煤气化反应速率三、煤气化反应速率v煤气化反应属于煤气化反应属于气固相非催化反应气固相非催化反应，包括碳与氧的反应，碳，包括碳与氧的反应，碳与水蒸气的反应，碳与与水蒸气的反应，碳与CO2的反应。的反应。v反应速率不仅化学反应活性关，而且也与气体扩散速度有关。反应速率不仅化学反应活性关，而且也与气体扩散速度有关。究竟是究竟是扩散控制、化学反应控制扩散控制、化学反应控制？还是？还是过渡控制过渡控制？v吹风反应吹风反应温度变化范围约为温度变化范围约为8001200，属于，属于过渡控制过渡控制和扩散控制和扩散控制。v制气反应制气反应温度一般控制在温度一般控制在1200800之内，自始至终都之内，自始至终都属于属于化学反应控制化学反应控制状态。状态。v碳与碳与CO2反应生成反应生成CO的过程的过程。在造气工业条件下，该反。在造气工业条件下，该反应始终都处于应始终都处于化学反应控制化学反应控制状态。状态。四、半水煤气生产的特点四、半水煤气生产的特点 v半水煤气的特征：半水煤气的特征：（CO+H2）/N2=3.13.2；v从气化系统的热平衡来看，吹风反应是放热反应，从气化系统的热平衡来看，吹风反应是放热反应，制气反应是吸热反应，如果外界不提供热源，而是制气反应是吸热反应，如果外界不提供热源，而是通过前者的反应热为后者提供反应所需要的热量，通过前者的反应热为后者提供反应所需要的热量，并维持系统的自热平衡的话，理论上，并维持系统的自热平衡的话，理论上，1mol氧气氧气的的吹风反应热仅可供吹风反应热仅可供1.68mol碳碳和水蒸气进行制气反和水蒸气进行制气反应，其应，其（CO+H2）/N2=1.433.13.2。v反之，若欲获得组成合格的半水煤气，该系统就不反之，若欲获得组成合格的半水煤气，该系统就不能维持自热平衡。能维持自热平衡。v如何化解供热与制气之间存在矛盾如何化解供热与制气之间存在矛盾？化解供热与制气之间化解供热与制气之间矛盾的方法矛盾的方法间歇制气间歇制气法法富氧空气富氧空气或纯氧连续气化或纯氧连续气化法法间歇制气法间歇制气法v在间歇式固定床煤气发生炉中，在间歇式固定床煤气发生炉中，吹风反应和制气反吹风反应和制气反应是交替进行的。应是交替进行的。v首先进行吹风反应，将燃料层温度（即炉温）提到首先进行吹风反应，将燃料层温度（即炉温）提到必要的温度（如必要的温度（如11001200），所得吹风气大），所得吹风气大部分放空。部分放空。v吹风反应停止后，送入蒸汽进行制气反应，吸热反吹风反应停止后，送入蒸汽进行制气反应，吸热反应，料层的温度、反应速度和水煤气质量（煤气中应，料层的温度、反应速度和水煤气质量（煤气中CO+H2含量）都将下降。含量）都将下降。v水煤气水煤气+部分吹风气部分吹风气=半水煤气半水煤气。如此交替进行吹风。如此交替进行吹风和制气反应，故称间歇制气法。在我国目前中小型和制气反应，故称间歇制气法。在我国目前中小型氮肥企业、联醇企业得到广泛应用。氮肥企业、联醇企业得到广泛应用。富氧空气或纯氧连续气化法富氧空气或纯氧连续气化法v空气中空气中氧气气含量过低氧气气含量过低是以空气和水蒸汽为气化剂是以空气和水蒸汽为气化剂时不能实现连续制取合格半水煤气的根本原因。时不能实现连续制取合格半水煤气的根本原因。v如果采用如果采用富氧空气或纯氧来代替空气富氧空气或纯氧来代替空气作为气化剂，作为气化剂，以上问题将迎刃而解，并且可以实现连续制气。以上问题将迎刃而解，并且可以实现连续制气。v富氧空气中氧气的浓度需要多少呢？富氧空气中氧气的浓度需要多少呢？v若若（CO+H2）/N2=3.1，则富氧空气中氧气理论含量，则富氧空气中氧气理论含量为：为：1/(1+1.68)=36.6%。v实际生产中连续气化法所需富氧空气中氧气含量约实际生产中连续气化法所需富氧空气中氧气含量约50%，此即为富氧空气，此即为富氧空气-蒸汽连续气化法。蒸汽连续气化法。五、间歇式制半水煤气的方法五、间歇式制半水煤气的方法 v间间v歇歇v式式v制制v半半v水水v煤煤v气气v的的v方方v法法部分回收吹风气法部分回收吹风气法空气煤气和水煤气混空气煤气和水煤气混合法合法v加加氮空气氮空气法法部分回收吹风气法部分回收吹风气法v该法利用吹风气部分回收送入气柜，大部分该法利用吹风气部分回收送入气柜，大部分吹风气经回收余热后排空，而回收吹风气的吹风气经回收余热后排空，而回收吹风气的量取决于对半水煤气成分的要求。量取决于对半水煤气成分的要求。v若（若（CO+H2）/N2=3.1，吹风气理论回收率约吹风气理论回收率约45.7%。v实际吹风气回收率仅为实际吹风气回收率仅为10%20%，v联醇工艺中吹风气回收的比例更低。联醇工艺中吹风气回收的比例更低。加氮空气法加氮空气法v该法是在该法是在制气过程中配入适量空气制气过程中配入适量空气，提供半水煤气所需要氮，提供半水煤气所需要氮气，而吹风气经回收余热后全部排放。气，而吹风气经回收余热后全部排放。v加氮空气的量为多少呢？加氮空气的量为多少呢？v理论上理论上1mol水蒸气加氮空气量为水蒸气加氮空气量为0.81mol。实际上，加氮空。实际上，加氮空气的量要少于理论值。气的量要少于理论值。v在制气过程中加氮操作的另一个重要原因是利用加氮操作反在制气过程中加氮操作的另一个重要原因是利用加氮操作反应为制气反应提供热量、减小炉温波动以稳定炉况。应为制气反应提供热量、减小炉温波动以稳定炉况。v但必须注意的是：但必须注意的是：加氮过程应稍晚于水蒸气通入，而稍早于加氮过程应稍晚于水蒸气通入，而稍早于水蒸气停止前停止加氮操作，以避免加氮空气与煤气接触而水蒸气停止前停止加氮操作，以避免加氮空气与煤气接触而发生爆炸，即发生爆炸，即加氮空气阀门适当地迟开早关加氮空气阀门适当地迟开早关一些。一些。v空气煤气和水煤气混合法（该法应用较少，空气煤气和水煤气混合法（该法应用较少，在此不加介绍）在此不加介绍）六、间歇式造气炉的工作循环六、间歇式造气炉的工作循环v间歇式造气炉包括吹风和制气两大步骤。间歇式造气炉包括吹风和制气两大步骤。v实际上每个循环分成以下五个阶段：实际上每个循环分成以下五个阶段：v吹风、一次上吹制气、下吹制气、二次上吹吹风、一次上吹制气、下吹制气、二次上吹制气、空气吹净制气、空气吹净 v为什么每个循环要分成五个阶段？为什么每个循环要分成五个阶段？为了安全为了安全起见和炉况稳定。起见和炉况稳定。v先认识一下造气炉的基本结构先认识一下造气炉的基本结构煤气炉内燃料分区示意图煤气炉内燃料分区示意图 煤气发生炉各阶段气体流向示意图煤气发生炉各阶段气体流向示意图 表表1-2 煤气发生炉各阶段阀门开闭情况煤气发生炉各阶段阀门开闭情况 阶阶段段阀门阀门开开闭闭情况情况1 2 3 4 5 6 7吹吹风风 一一次次上上吹吹 下下吹吹 二二次次上上吹吹 空空气气吹吹净净 注：注：阀门开启；阀门开启；阀门关闭。阀门关闭。1三、间歇式造气炉的工作循环三、间歇式造气炉的工作循环 吹风阶段：空气 煤气炉底部 灰渣层 气 氧化层(燃烧气化反应)还原层（CO2还原反应）炉顶。吹风反应提高炭层温度的同时，其中的氧气几乎被消耗殆尽，CO2还原反应吹风气中CO含量迅速增长，所以，吹风气必须经燃烧室或者集中到废热锅炉中回收显热和CO的潜热后才能放空。2一次上吹阶段一次上吹阶段：将放