合成氨生产完整PPT课件.ppt

1、合成氨生产1 概述概述氨的合成是人类从自然界制取含氮化合物的最重要方法。氨是肥料，又是生产化肥（尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等）、无机物（硝酸、纯碱等）、有机物、燃料、炸药（硝酸铵、硝化甘油、硝化纤维等）、医药、合成纤维、塑料等的原料或工作介质。1901年，法国物理化学家吕.查得利提出氨的合成条件是高温、高压、催化剂存在。1912年，德国建成第一个日产30吨的合成氨厂。我国1997年生产3008万吨，2021年生产5221万吨（全球1.57亿吨）u原料制取 电解制氢法：电解水制氢。此法耗电极多。低温分离法：以空气和焦炉气为原料，通过低温去杂质而获得氢氮混合气。燃料高温转化法：燃料可以是天然气

2、、油田气、炼厂气、轻油、重油，以及煤、焦等与水蒸气作用。u原则流程合成 原料u原料：氮气、氢气氢气造气净化合成 分离氨循环气2 2 原料气的生产原料气的生产n以煤或焦炭为原料固体燃料气化法原理：2C+O2+3.76N2=2CO+3.76N2+248.7kJ +)5C+5H2O=5CO+5H2-657.0kJ 7C+3.76N2+5H2O+O2=7CO+3.76N2+5H2-408.3kJ补充热量：C+O2（N2）=CO2生产流程空气吹风送风发热 39-48.6 S上吹制气制气 43.2-50.4 S下吹制气制气 64.8-72.0 S二次上吹制气 10.8 S 空气吹净制气 5.4 Sn以天然

3、气为原料以天然气为原料烃类蒸汽转化法烃类蒸汽转化法优点：含氢量高，含优点：含氢量高，含CO低，杂质少，后继过程负担低，杂质少，后继过程负担轻；二级转化的转化率高（轻；二级转化的转化率高（99）；加压转化，节能）；加压转化，节能。1 烟道气预热器；2 脱硫槽；3 一段反应管；4 一段转化炉；5 二段转化炉；6 废热锅炉n以重质油为原料以重质油为原料部分氧化法部分氧化法3 3 原料气的净化原料气的净化n脱硫脱硫硫将使催化剂中毒、腐蚀设备管道等 脱硫的方法干法：ZnO，活性炭，分子筛等。效果好但处理量小。湿法：碱性物质或氧化剂溶液洗涤（氨水、碳酸盐、乙醇胺、蒽醌二磺酸钠、砷碱法等）。处理量大，但效果

4、差，特别是有机硫的脱除能力差。n原料气的变换原料气的变换CO+H2OCO2+H2+4 1 k J/m o l催化剂组成活性温度H2O/CO空速转化率Fe2O3,MgO,Cr2O3,K2O380-5503-5300-40080-90CuO,ZnO,Cr2O3180-2506-101000-200096-99操作条件:n 脱碳脱碳 变换气中有大量CO2，将影响合成，另外，CO2是尿素、碳酸钠、碳酸氢铵的原料，必须分离、回收。物理吸收：加压水洗，低温甲醇洗(CO2含量从 33%降到10g/g)等。化学吸收：氨水（小厂）、有机胺、改良热钾碱法（大中型厂,CO2含量从20-28%降到0.2-0.4%）等

5、吸收。K2CO3CO2H2O2KHCO3+吸 收 2-3MPa,85-100 解 吸 10-30KPa,105-110 n精制精制铜洗法醋酸铜氨液洗涤法（碳化物量为100g/g）甲烷化法CO+H2生成甲烷（镍催化剂，碳化物量为10g/g）低温净化法如液氨洗涤CO+Cu(NH3)2Ac+NH3Cu(NH3)3CO)Ac+Q4Cu(NH3)2Ac4NH4+4Cu(NH3)42+Q4NH3+O22H2O+2Cu(NH3)2+HS-Cu2S+2NH3+2NH4+压强：通过技术经济分析，总能量消耗在15-30MPa（中压法）的区间相差不大，且数值较小；扩散吸附 反应解吸扩散4 氨合成的热力学基础氮的活性

6、吸附是表面反应过程的控制步骤76N2+5H2-408.特点：可逆、放热、体积缩小43.低温为动力学过程控制。T的影响：T升高，Kp减小，L减小，y下降。由换热器、分气盒、催化剂筐组成。干法：ZnO，活性炭，分子筛等。4 氨合成的热力学基础4 4 氨合成的热力学基础氨合成的热力学基础n反应反应0.5N2+1.5H2 NH3+46.22kJp5.1H5.0NNH5.1H5.0NNH5.1H5.0NNHfKKpppfffK,22,3,22,3,22,3TTTTTT特点：特点：可逆、放热、体积缩小反应热与温度、压力和气体组成有关。随压力增大而增加，随温度提高而增加。n 平衡常数平衡常数：压强很小时，K

7、1，KfKpn 平衡时氨的浓度平衡时氨的浓度设yH2,yN2,yi,y分别表示H2、N2、惰气、NH3的摩尔分数，p为总压,R为氢氮比 RyH2/yN2,yH2+yN2+yi+y1,y1-yH2-yN2-yi11y11y2222RyyRyyyyyyiNNiHiN1)1(/1111y222RyyRRyyyRyyyiiHHiH 5.15.05.1H5.0NNHp22,2T2,3pppKHNpypypyTT5.05.122NHypyy5.05.1111)1(RyyRyyRpyii225.111iyyRRpy25.11RRpKLpLLLLy24)12()12(22令：2211iiyyLyyyyL若：y

8、i=0，则2222)21(1LyLyLyyLyLy0)12(2LyyLL225.111ipyyyRRpKy y是是T T、P P、R R及及y yi i的函数的函数n影响影响y y的因素的因素dRdyyyyyydRdyyyyyyyyRRdRdpKiiiiip34225.1)1(2)1()1()1)(1(2)1()1(25.13)1(2)1()1(0RRdRdpKyyyyydRdypii0001piKpyy 氢氮比R：当y有极大值时，dy/dR00)1(2)1(5.1)1()1(2)1(5.10)1(35.15.045.125.025.1RRRRRRRRRRRdRd302)1(5.102)1(5

9、.15.15.0RRRRRRP增加，kp随R变化，y最大时的R值为2.68-2.90T的影响：T升高，Kp减小，L减小，y下降。P的影响：P增加，L增加，y增大。惰气含量的影响：L不变时，yi 减小，y增大。5 5 氨合成的动力学基础氨合成的动力学基础n催化剂催化剂组成：Fe2O3 54-68，FeO 29-36，Al2O3 2-4，K2O 0.5-0.8，CaO 0.7-2.5活化：n动力学过程扩散吸附 反应解吸扩散氮的活性吸附是表面反应过程的控制步骤n 动力学方程动力学方程小颗粒为动力学过程控制；大颗粒为内扩散过程控制高温为内扩散过程控制；低温为动力学过程控制。氨合成反应是先高温（快速）后

10、低温（高转化率），催化剂为高温用小颗粒，低温用大颗粒。扩散控制：动力学控制（初期）：接近平衡，（铁系催化剂=0.5）：kprNH35.15.0223HNNHpkpr1322231)()(233223HNHNHHNNHppkpppkr催化反应的控制步骤是扩散过程还是动力学过程？催化反应的控制步骤是扩散过程还是动力学过程？n影响影响r rNH3NH3的因素的因素压强：P增大，PN2、PH2增大，rNH3增大温度：最佳温度可逆、放热反应气体组成：PN2大，氮的活性吸附速度得到提高，rNH3增大惰气含量：Pi下降，PN2、PH2增大，rNH3增大。5.125.11233223HNHNHHNNHppkp

11、ppkr6 6 氨的合成与分离氨的合成与分离n 最佳工艺条件最佳工艺条件主要优化目标提高生产强度，降低动力消耗（循环）压强：通过技术经济分析，总能量消耗在15-30MPa（中压法）的区间相差不大，且数值较小；压力从10MPa到30MPa，综合费用下降40%左右，继续提高压力效果不明显，因此，常采用30MPa生产。从节省能源的角度出发，压强在下降，大型厂采用15-20MPa。温度：最适宜温度。在催化剂的活性温度内（400-520），先高后低（可逆放热反应）。空间速度：一般15MPa为10000-16000h-1，30MPa为2000030000h-1。氢氮比：新鲜气3，循环气略低于3（2.8-2

12、.9）。惰气含量：以增产为主要目标，一般为10-14；以降低成本为主要目标，一般为16-20%。进口氨浓度：15MPa生产为2.8-3；30MPa生产为3.2-3.8。内件：耐高温、耐氢氮腐蚀的特种合金钢。外设保温层。由换热器、分气盒、催化剂筐组成。按催化剂层的移热方式分：连续、间接、冷激式。n合成塔外壳：耐高压的合金钢或优质碳钢。n流程循环气：4561234新鲜气：5676N2=2CO+3.由换热器、分气盒、催化剂筐组成。气体组成：PN2大，氮的活性吸附速度得到提高，rNH3增大T的影响：T升高，Kp减小，L减小，y下降。压强：通过技术经济分析，总能量消耗在15-30MPa（中压法）的区间相

13、差不大，且数值较小；C+O2（N2）=CO2P增加，kp随R变化，y最大时的R值为2.外壳：耐高压的合金钢或优质碳钢。压力从10MPa到30MPa，综合费用下降40%左右，继续提高压力效果不明显，因此，常采用30MPa生产。低温分离法：以空气和焦炉气为原料，通过低温去杂质而获得氢氮混合气。设yH2,yN2,yi,y分别表示H2、N2、惰气、NH3的摩尔分数，p为总压,R为氢氮比高温为内扩散过程控制；从节省能源的角度出发，压强在下降，大型厂采用15-20MPa。在催化剂的活性温度内（400-520），先高后低（可逆放热反应）。空间速度：一般15MPa为10000-16000h-1，30MPa为2

14、000030000h-1。以降低成本为主要目标，一般为16-20%。2C+O2+3.压力从10MPa到30MPa，综合费用下降40%左右，继续提高压力效果不明显，因此，常采用30MPa生产。7 7 全流程全流程 8 8 技术经济分析技术经济分析天然气石脑油重油煤焦投资/亿元5.66.58.0能源/GJt-1(NH3)28-3035.541.854.4成本/元t-1(NH3)257390-447 220-280 500n不同原料制氨的技术经济比较以煤、重油为原料，部分氧化、冷法净化（低温甲醇洗涤法脱硫、脱碳，液氮洗脱少量一氧化碳）流程。以烃类为原料，蒸汽转化、热法净化（热钾碱法脱碳，甲烷化法脱少量一氧化碳、二氧化碳）流程沸点在220以下n工艺参数的影响n不同生产规模的投资比较n联合生产小结煤焦为原料的制氨原则流程变换反应及催化剂合成反应的特点，催化剂，控制步骤，影响因素，工艺条件造气流程（五段操作），变换流程，合成流程感谢观看感谢观看