无机化工产品典型生产工艺课件.pptx

第三章 无机化工产品典型生产工艺 合成氨1 纯碱3 烧碱与氯气4 硫酸21 合 成 氨SynthesisofAmmonia1.1 概 述11.3 原料气的净化31.4 氨的合成41.2 原料气的制取21.5 合成氨发展趋势51.1 概述(Preface)空气中含有大量的游离氮(N2：78.03%)，但是只有极少数农作物(豆科)能够直接吸收空气中的游离氮，大多数农作物只能吸收化合态氮来供给生长所需养分。固氮是化学化工研究中既古老又前沿的课题。空气氮固氮Nitrogen fixation非生物固氮 生物固氮 人工固氮 其中，人工固氮指通过化学方法，使单质氮气转化为含氮的化合物。目前工业上最常用、也最经济的是哈伯法，即氮气(N2)与氢气(H2)在高温高压催化剂(铁)作用下发生化合反应生成氨(NH3)。氨的性质和用途 氨的分子式NH3，分子量17.031，正常沸点239.65K(-33.5，临界温度405.55K(132.4)，临界压力11.278 MPa。易溶于水，刺激眼睛和呼吸道，使人体粘膜迅速脱水，空气中含氨超过5将使人窒息死亡。空气中的爆炸范围为15.528。氨是生产尿素、硝酸铵等化学肥料的主要原料，使农业生产产量大大提高，为人类社会作出巨大贡献。氨还是生产染料、炸药、医药、有机合成、塑料、合成纤维、石油化工等的重要原料。首例合成氨厂是1912年在德国建立的30t/d合成氨厂，目前合成氨厂的规模已达到10001500t/d。合成气的基本过程造气用煤、原油、或天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。净化将原料气中的杂质如CO、CO2、S等脱除到ppm级(10-6)。压缩和合成净化后的合成气原料气必须经过压缩到15-30MPa、450左右 合成氨的基本过程CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)原油或天然气焦炭或煤为原料合成氨天然气为原料合成氨空气煤气：以空气（实际是空气中的氧气）作气化剂空气，气体中可燃成份主要为一氧化碳，一般是高炉生产中的副产物。水煤气：水煤气是由水蒸汽和高温碳反应而获得的。所得煤气中 CO 和 H2 均较高。混合煤气：混合煤气综合了空气煤气和水煤气的特点，以水蒸汽和空气的混合物鼓入发生炉中，制得比空气煤气热值高，比水煤气热值低的混合发生炉煤气。1.2 煤为原料制合成气一、化学反应及工艺条件1 化学反应 以空气为气化剂H0298KJ/molC+O2CO2-293.777C+1/2O2CO-110.595C+CO22CO172.284CO+1/2O2CO2-283.183温度，CO2CON2a=CO:(CO+CO2)65010.816.972.361.08001.631.966.595.29000.434.165.598.810000.234.465.499.4 总压0.1MPa时空气煤气的平衡组成，体积%H0298KJ/molC+H2OCO+H2131.390C+2H2O(g)CO2+2H290.196CO+H2O(g)CO2+H2-41.194C+2H2CH4-74.898 以水蒸气为气化剂 合成氨工业中不仅要求合成气中H2和CO含量高还要求（CO+H2)/N2=3.1-3.2（mol），所以需要用适量空气和水蒸气为气化剂，所得气体为半水煤气。煤气化的化学反应速率 固体燃料中的碳和汽化剂在煤气发生炉中所进行的反应属于气固相系统的多相反应。其反应速度的大小不仅与碳和汽化剂的化学反应速度有关，同时还受汽化剂向碳的表面扩散速度的影响。碳和氧的反应实践证明：、在温度高于1000时，燃烧产物主要 是CO、在500以下时主要是CO，、温度低于775，属动力学控制；、温度高于900，扩散控制加剧。碳和水蒸气的反应实践证明：t400-1100，属动力学控制；t大于1100，属扩散控制。煤气化的反应条件温度 由上述热力学和动力学分析可知，温度必须在900以上才有满意的气化速度，且H2、CO含量较高，一般操作温度在1100以上。近年来新工艺采用1500-1600进行气化，使生产强度大大提高。由图可知：压力一定、温度升高时，H2及CO含量增加；CO2及CH4等减小。工艺条件（低压、高温）水蒸气和氧气的比 氧的作用是与煤燃烧放热供给水蒸气与煤的气化反应，H2O/O2比值对温度和煤气组成有影响，其比值要依据采用煤气化生产方法而定。压力 降低压力有利于提高CO和H2的平衡浓度，但加压有利于提高反应速率并减小反应体积，目前气化一般采用2.5-3.2MPa，其CH4含量较常压高些。温度一定、压力升高时，H2及CO含量降低；CO2 CH4等增加煤气化生产方法及主要设备煤气化过程需要吸热和高温，工业上采用燃烧煤来实现。气化过程按操作方式分为：间歇式和连续式，前者的工艺较后者落后，现正在被淘汰。现一般按采用的反应器类型分为：固定床（移动床）、流化床、气流床和熔融床。前三种以被工业生产采用，而熔融床处于中试阶段。生产方法分类间歇式制取半水煤气的工作循环及设备 固定床间歇式气化制半水煤气的操作方式为燃烧与制气分阶段进行，所用设备称煤气发生炉。炉中填满块状煤或焦炭，首先吹入空气使煤完全燃烧生成CO2并放出大量的热,使煤层升温，烟道气放空；待煤层温度达1200左右，停止吹风，转吹水蒸气，与高温煤层反应，生成CO、H2等气体，制成水煤气，送入气柜。气化吸热使煤层温度下降，当降至950时，停止送蒸汽，重新进行燃烧阶段。如此交替操作，完成制气。间歇式制取半水煤气的工作循环及设备吹风 蒸汽吹净 一次上吹制气下吹制气（空气）（蒸汽）（蒸汽）二次上吹制气空气吹净（蒸汽）（空气）实际生产如何保证保证制气过程的热量守恒；保证气体的组成符合半水煤气中H2+CO/N2=3:1。间歇式制取半水煤气的工作循环及设备煤气发生炉内，燃料层自上而下分为：干燥区 干馏区 还原区和氧化区 灰渣区。间歇操作是通过控制阀门的开启顺序和开启时间达到制气的目的-气体组成及热量的利用。固定床连续式气化制水煤气固定床连续式气化制水煤气法由德国鲁奇公司开发。燃料块状煤或焦炭由炉顶定时加入，气化剂为水蒸气和纯氧混合气，在汽化炉中同时进行碳与氧的燃烧放热反应和碳与蒸汽的气化吸热反应，调节H2O/O2比例，就可连续制气，生产强度较高，且煤气质量稳定。但因煤气中CH4和CO2含量高，CO含量低，一般作城市煤气