合成氨工艺探索.ppt

合成氨工艺 编制：一分厂工艺科 2009-9-5 * 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。 国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等 1.2合成氨生产 1．概述 （1）合成氨工业的重要性 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。 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。 （2）合成氨工业发展简介 1909年，德国人哈伯以锇为催化剂在17～20MPa和500～600℃温度下进行了合成氨研究，得到6％的氨。1910年成功地建立了能生产80gh-1氨的试验装置。 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。 （3）合成氨的原料及原则流程 合成氨生产的原则流程如图示。 合成氨过程由许多环节构成，氨合成反应过程是整个工艺过程的核心。 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的研究。 氢气和氮气合成氨是放热，体积缩小的可逆反应，反应式如下： 0.5N2＋1.5H2==NH3 ΔH0=46.22 kJ·mol-1 其反应热不仅与温度有关，还与压力和组成有关。 2．氨合成理论基础 （1）氨合成反应的热效应 下表为纯3H2－N2混合气生成φNH3为17.6％系统反应的热效应。 应用化学平衡移动原理可知，低温、高压操作有利于氨的生成。但是温度和压力对合成氨的平衡产生影响的程度，需通过反应的化学平衡研究确定。其平衡常数为： （2）化学平衡及平衡常数 式中: f,γ分别为各平衡组分的逸度和逸度系数. 式中, p,pi—分别为总压和各组分平衡分压； yi—平衡组分的摩尔分数。 高压下化学平衡常数Kp值不仅与温度有关，而且与压力和气体组成有关，用逸度表示： 研究者把不同温度、压力下Kγ值算出并绘制成图。当压力很低时，Kγ值接近于 1，此时 Kp=Kf。因此Kf可看作压力很低时的 Kp。 a．压力和温度的影响 温度越低，压力越高，平衡常数Kp越大，平衡氨含量越高。 若总压为p的混合气体中含有N2, H2, NH3的摩尔分数分别为yN2, yH2和yNH3,其关系为yN2+yH2+yNH3=1.令原始氢氮比R= yH2/ yN2, 则各组分的平衡分压为 整理得 ⑶影响平衡氨含量的因素 此式可分析影响平衡氨含量的诸因素: b．氢氮比的影响 当温度、压力及惰性组分含量一定时，使yNH3为最大的条件为 若不考虑R对Kp的影响，解得R=3时，yNH3为最大值；高压下，气体偏离理想状态，Kp将随R而变，所以具有最大yNH3时的R略小于3，约在2.68～2.90之间，如图所示。 c.惰性气体的影响 惰性组分的存在，降低了氢、氮气的有效分压，会使平衡氨含量降低。 a．混合气体向催化剂表面扩散(外,内扩散过程)； b．氢,氮气在催化剂表面被吸附，吸附的氮和氢发生反应，生成的氨从催化剂表面解吸(表面反应过程)； c. 氨从催化剂表面向气体主流体扩散(内,外扩散过程) （4）合成氨反应的动力学 ①动力学过程 氨合成为气固相催化反应，它的宏观动力学过程包括以下几个步骤。 N2(g)+Cate —→2N(Cate) H2(g)+Cate —→2H(Cate) N(Cate) + H(Cate) —→NH(Cate) 氮、氢气在催化剂表面反应过程的机理，可表示为： 对整个气固相催化反应过程，是表面反应控制还是扩散控制，取决于实际操作条件。低温时可能是动力学控制，高温时可能是内扩散控制； 大颗粒的催化剂内扩散路径长，小颗粒的路径短，所以在同样温度下大颗粒可能是内扩散控制，小颗粒可能是化学动力学控制。 NH(Cate) + H(Cate) —→NH2(Cate) NH2(Cate) + H(Cate) —→NH3(Cate) NH3(Cate)—→NH3(g) + (Cate) 实验结果证明,N2活性吸附是最慢的一步，即为表面反应过程