《合成氨工业》PPT课件.ppt

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1、第第三三章章 合 成 氨 工 业3.1概述合成氨原料气的制取合成氨原料气的净化氨的合成z一、合成氨工业的发展一、合成氨工业的发展z早期早期氰化法氰化法氰氨化钙氰氨化钙z1898年年CaCN23H2O2NH3CaCO3z1905年德国氮肥公司建成世界上第一座生产氰氨化年德国氮肥公司建成世界上第一座生产氰氨化钙的工厂钙的工厂z氢氮合成氨法氢氮合成氨法利用氮气与氢气直接合成氨利用氮气与氢气直接合成氨z直至直至1909年年,德国物理化学家德国物理化学家F.哈伯哈伯,6%z卡尔斯鲁厄大学卡尔斯鲁厄大学 80g/h 80g/h 循环法循环法z德国化学家德国化学家 A.米塔斯米塔斯 z工程师工程师C.博施博

2、施z巴登苯胺纯碱公司于巴登苯胺纯碱公司于1912年在德国奥堡建成世界上年在德国奥堡建成世界上第一座日产第一座日产30t合成氨的装置合成氨的装置z它标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑它标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑第一节第一节 概概 述述二、氨的性质和用途二、氨的性质和用途1、性质、性质氨在常温、常压下为无色气体，比空气轻，具有特殊的氨在常温、常压下为无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味，较易液化（易形成氢键）。可与许多物质刺激性臭味，较易液化（易形成氢键）。可与许多物质发生反应：发生反应：4NH35O2 =4NO6H2O2NH3CO2 =NH2COONH4NH2COON

3、H4 =CO（NH2）2H2O氨还可以与一些无机酸（如硫酸、硝酸、磷酸等）氨还可以与一些无机酸（如硫酸、硝酸、磷酸等）反应，生成硫酸铵、硝酸铵、磷酸铵等。反应，生成硫酸铵、硝酸铵、磷酸铵等。可用于生可用于生产化肥。产化肥。2 2、用途、用途 三、合成氨的生产方法简介三、合成氨的生产方法简介 三个步骤三个步骤:1 1、原料气的制备、原料气的制备 2 2、原料气的净化、原料气的净化 3 3、氨的合成、氨的合成 1 1、原料气的制备：、原料气的制备：12N232H2NH3 H298首先必须制备合格的氢氮原料气首先必须制备合格的氢氮原料气 N2：空气液化；空气通过燃料层燃烧，将生成的：空气液化；空气通

4、过燃料层燃烧，将生成的CO和和CO2除去而制得。除去而制得。H2：各种燃料与水蒸气作用：各种燃料与水蒸气作用固体燃料气化法固体燃料气化法 轻质烃类蒸汽转化法轻质烃类蒸汽转化法 重油部分氧化法重油部分氧化法 2、原料气的净化、原料气的净化采用煤和天然气等原料制得的氢、氮原料气中都含有采用煤和天然气等原料制得的氢、氮原料气中都含有硫化物、一氧化碳、二氧化碳，这些杂质都是氨合成硫化物、一氧化碳、二氧化碳，这些杂质都是氨合成催化剂的毒物，因此，氢、氮原料气在氨合成之前，催化剂的毒物，因此，氢、氮原料气在氨合成之前，必须将这些杂质脱除。必须将这些杂质脱除。3、合成氨、合成氨将净化后的氢、氮混合气压缩至高

5、压，在铁催化将净化后的氢、氮混合气压缩至高压，在铁催化剂与高温条件下合成氨。剂与高温条件下合成氨。第二节第二节 合成氨原料气的制取合成氨原料气的制取1、固体燃料气化法 固体燃料的气化：工业上用气化剂对煤或焦炭进行热加工，将碳转化为可燃气体的过程。固体燃料气化的目的：制备合成氨原料气。要求：（COH2）N2应为z3H2+N2=2NH3半水煤气的工业生产方法（1）、吹风阶段氧与碳反应C12O2CO H298-1CO+1/2O2=CO2 H298-1C+O2=CO2 H298-1C+CO2=2CO H298-1 特点：放热大于吸热（10000C）空气煤气主要成分为：N2、CO、CO2（2）、制气阶段

6、水蒸汽与碳反应CH2OCOH2 H298-1C2H2OCO22H2 H298-1COH2OCO2H2 H298-1C2H2CH4 H298-1制气的目的：是获得较多的H2和CO。水煤气的主要成分：CO和H2 固定层煤气发生炉示意图固定层煤气发生炉示意图灰渣区的作用是：预热入炉的冷空气，保护炉体使它不致在炉灰渣区的作用是：预热入炉的冷空气，保护炉体使它不致在炉内高温下变形。内高温下变形。焦炭焦炭气化层（燃料气化层（燃料与水蒸汽反应）与水蒸汽反应）干燥层（水分蒸发）干燥层（水分蒸发）灰渣层灰渣层（预热、保护作用）（预热、保护作用）鼓风干馏层（受热释放出干馏层（受热释放出烃类气体）烃类气体）氧化层氧

7、化层(C+O2=CO2)还原层还原层(CO2+C=2CO)制 气 工 艺 流 程（1）、空气吹风：自下而上地通入空气，提高燃料层温度（2）、蒸汽上吹：为保持正常炉温，可在水蒸气中配入部分空 气进行气化。（3）、蒸汽下吹：水蒸气与加氮空气从上而下进行气化反应，使燃料层温度趋于均衡。（4）、蒸汽二次上吹：将炉底的煤气排净，为吹入空气作准备。（5）、空气吹净：此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中氮的主要来源。间歇式制半水煤气各阶段气体流向示意图1234567水蒸气空气煤气吹风气z 阶段 阀门开闭情况z 1 2 3 4 5 6 7z吹风 z一次上吹 z下吹 z二次上吹 z空气吹净 二、烃类蒸汽转化法反

8、应原理：反应原理：天然气中约有90%左右的甲烷，在较高的温度及催化剂的存在下与水蒸气作用转化为氢气。CH4+H2O=CO+3H2CH4+2H2O=CO2+4H2为了制备合成氨原料气（氢、氮气），通常使天然气的转化分为两段进行，即顺序地在一段转化炉和二段转化炉中完成转化反应。2、转化过程的分段（1）一段转化并联的转化反应管(耐热的高镍铬钢制成,其中填充着镍催化剂)辐射段(高温燃料气体对转化反应管进行辐射传热)温度:800820oC主要反应:CH4+H2O=CO+3H2甲烷含量:9.5%（2）、二段转化 一段转化炉出口气体中CH4仍有810，引入空气进行部分燃烧转化，使残余的甲烷浓度降至0.2-0

9、.5%，同时引入了N2。主要反应：H2+12O2H2OCO12O2CO2CH4H2OCO3H2 放热反应使温度达到12000C首先是一段转化气与空气混合进行燃烧，温度可达12000C，然后在充填镍催化剂的转化器下部，继续进行甲烷的转化。在转化炉内原料气在管内继续被管外燃烧气加热，进行转化反应。转化炉所需高温由燃料用天然气燃烧放热所产生。天然气蒸汽转化流程一段转化炉二段转化炉第一废热锅炉第二废热锅炉蒸汽空气天然气氧化锌脱硫槽加氢转化炉转化气380-4000C配以少量水蒸汽500-5200C3700C三、重油部分氧化法 以重油为原料的部分氧化法是使一部分重油与氧气完全燃烧生成CO2，同时放出大量的

10、热。CnHm(n+1/4m)O2nCO21/2mH2O (放热）放出的热供另一部分重油与CO2，H2O（g）反应生成CO、H2。CnHmnCO22nCO1/2mH2 (吸热）CnHmnH2OnCO(1/2m+n)H2 (吸热）一般在缺乏天然气或有重油来源的地区采用这种方法。3.3 合 成氨原料气的净化1、原料气的脱硫 硫化物主要有硫化氢、二硫化碳、硫氧化碳、硫醇、硫醚和噻吩等有机硫其含量因原料及其产地不同，差别很大。由于硫化物的存在使后续过程中的催化剂中毒，（H2S能腐蚀管道和设备，使CO变换和氨合成催化剂中毒），因此要求硫化氢含量一般不大于-3z常用脱硫方法比较铁2、一氧化碳的变换COH2O

11、CO2H2 H298-1（1）特点A、该反应为等摩尔的可逆放热反应。属于气固相催化反应。B、分为高温变换和低温变换。高温变换：以Fe2O3为主体，Cr2O3、MgO等为助催化剂，操作温度为350-5500C。出口气体中尚含CO3%左右。低温变换：以CuO为主体，添加ZnO、Cr2O3等为助催化剂，操作温度为180-2800C，出口气体的CO含量可降到0.3%左右。3、二氧化碳的脱除、二氧化碳的脱除 经一氧化碳变换COH2OCO2H2后，气体中CO2含量增加，总量可达1628。为制得合格的合成氨原料，必须将CO2脱除。合成氨工业中常称为脱碳脱碳。（1）物理吸收法 利用二氧化碳能溶解于水或有机溶剂

12、这一性质完成。吸收二氧化碳后的溶液可用减压解吸法再生。（2）化学吸收法利用二氧化碳具有酸性特征而与碱性物质反应将其吸收。z常用脱碳方法（书43）4、原料气的最终净化 原料气经脱硫、变换和脱碳后尚含有少量残余的一氧化碳及二氧化碳，由于它们对氨合成催化剂有较大的毒害，因此，在送往合成工序前，必须作最后的净化处理。使CO与CO2两者之和少于10X106。（1）、铜氨液吸收法Cu(NH3)2AC+CO+NH3=Cu(NH3)3COAC2NH3+H2O+CO2=(NH4)2CO3(NH4)2CO3+H2O+CO2=2NH4HCO3 提高温度、降低压力，则吸收的CO就会被解吸出来，从而使氨液又恢复吸收能力

13、。工业上通常把铜氨液吸收一氧化碳的操作称为“铜洗铜洗”。主要设备有铜洗塔和再生塔。铜氨液在常压，温度为77800C进行再生，释放出CO、CO2等气体后循环使用。（2）甲烷化法CO3H2CH4H2OQCO24H2CH42H2OQ 甲烷化反应通常在加压及催化剂作用下，在3603800C温度范围内进行。经净化后，氨合成原料气基本上是氢、氮气，其中，H2N23，尚含有CH4 0.6-1.0%、Ar 0.3-0.4%、Ar和CH4都是氨合成过程的惰性组成。天然气为原料的制氨示意流程 天然气 压缩 脱硫 一段转化 二段转化 高温变换 低温变换 脱碳 甲烷化 压缩 合成氨 以焦炭为原料的制氨示意流程以焦炭为

14、原料的制氨示意流程z 焦炭焦炭(空气、蒸气空气、蒸气)造气造气除尘除尘脱硫脱硫高温变换高温变换低温变换低温变换脱碳脱碳甲烷化甲烷化压缩压缩合成合成氨氨z氨合成是整个合成氨厂的心脏部分。z1、化学平衡、化学平衡z12N232H2NH3 H298-z特点：该反应为气体体积缩小的放热反应。降低温度，提高压力；有利于氨的生成。降低温度，反应速率小，生产周期长。升高温度，可以使反应速率提高，但温度过高，氨的合成率又太低，因此，最有效的方法是使用催化剂。、氨的合成增大增大压力，压力，既可以增大反应速率，又可以提高既可以增大反应速率，又可以提高氨的合成率氨的合成率，但是，但是，即使在压力较高的条件下反应，氨

15、的合成率还是很即使在压力较高的条件下反应，氨的合成率还是很低的，低的，仍有大量的氢氮气未参于反应仍有大量的氢氮气未参于反应。而且，进行高压反。而且，进行高压反应必须要有耐高压的反应设备和安全设施，而且动力消耗应必须要有耐高压的反应设备和安全设施，而且动力消耗大，设备投资大，技术要求严，因此，从实际出发反应压大，设备投资大，技术要求严，因此，从实际出发反应压力不宜过高。力不宜过高。因此因此，必须将没有反应的，必须将没有反应的氢氮气必须加以回收氢氮气必须加以回收利用，从而构成了氨合成必然是利用，从而构成了氨合成必然是采用分离氨后采用分离氨后的氢氮气循环的回路的氢氮气循环的回路流程。流程。2 氨合成

16、的工艺条件氨合成的工艺条件1）压力：12N232H2 NH3 H298-1z从化学平衡和化学反应速率的角度看，提高操作压力是有利的；压力高时对设备材质、加工制造的要求均高；能耗也高。即使在压力较高的条件下反应，氨的合成率还是很低的2032MPa2）温度：一般控制在350-5500C3)采用廉价的铁催化剂4)冷冻法液化氨，使之与反应混合物及时分离。不断补充新鲜原料气中型氨厂合成工序流程 10-30 3%30-50 10-20 0-8 230以下 2050 1418%补充新新鲜鲜气气氨合成塔水冷却塔第一氨分离器放空气放空气循循环环压压缩缩机机液氨贮槽氨冷器冷凝器滤油器z该流程的特点：该流程的特点：

17、1）放空的位置设在惰性气体含量较高，氨含量较低的位放空的位置设在惰性气体含量较高，氨含量较低的位置，可减少氨及氢氮气的损失。置，可减少氨及氢氮气的损失。2）新鲜气在滤油器中补入，经第二次氨分离时可以进一）新鲜气在滤油器中补入，经第二次氨分离时可以进一步达到净化目的，可除去油污以及带入的微量步达到净化目的，可除去油污以及带入的微量CO2和水分。和水分。3）循环压缩机位于水冷器之后，循环气温度较低，有）循环压缩机位于水冷器之后，循环气温度较低，有利于降低压缩功耗。利于降低压缩功耗。三、合成氨的主要设备合成氨的主要设备 合成塔合成塔 氨冷凝器氨冷凝器 水冷却塔水冷却塔氨分离器氨分离器 循环压缩机循环

18、压缩机 合成塔合成塔:1、冷管式合成塔：、冷管式合成塔：（连续换热式，内部换热式）（连续换热式，内部换热式）单管单管 双套管双套管 多套管多套管 又有并流式和逆流式冷却管之分又有并流式和逆流式冷却管之分 2、冷激式氨合成塔：、冷激式氨合成塔：有轴向冷激和径向冷激两种有轴向冷激和径向冷激两种 并流双套管式氨合成塔并流双套管式氨合成塔 外筒：为多层钢板卷焊而成的圆为多层钢板卷焊而成的圆柱形高压容器柱形高压容器 内筒：内筒：催化剂筐催化剂筐 分气盒分气盒:下室：下室：换热器管间换热器管间双（三双（三)套管内冷管套管内冷管 上室：上室：双套管外冷管双套管外冷管电加热器的中心管电加热器的中心管“滞气层滞

19、气层”气体：气体：换热器（管间）换热器（管间）升气管升气管冷管冷管中心管中心管催化剂层催化剂层 换热器（管内）换热器（管内）多层轴向冷激式氨合成塔多层轴向冷激式氨合成塔 四层催化剂四层催化剂 层间气体混合装置层间气体混合装置 换热器换热器 径向冷激式氨合成塔径向冷激式氨合成塔 4、简述中压两级氨分离流程的特点、简述中压两级氨分离流程的特点.1、试解释在硫酸生产的工艺流程中为什么要、试解释在硫酸生产的工艺流程中为什么要 串酸？怎样串酸？串酸？怎样串酸？2、简述硫酸工业中一转一吸流程与二转二吸、简述硫酸工业中一转一吸流程与二转二吸 流程的区别？流程的区别？3、蒸汽转化法制备合成氨原料气流程中，、蒸汽转化法制备合成氨原料气流程中，钴钼加氢转化炉的作用是什么？钴钼加氢转化炉的作用是什么？