化学工艺学合成氨.ppt

化工工艺学 合成氨 2013.7.8 第一部分 合成氨 一 合成氨在国民经济中的地位 1 合成氨是大量有效固定氮的方法 氮的固定： AIR中（78%）游离N2→氮的化合物 电石法(氰氨法)：CaO + 3C → CaC2 + CO CaC2 + N2 → CaCN2 + C CaCN2 + 3H2O → CaCO3 + 2NH3 2 氨的作用 化肥；基本化工原料；炸药；冷冻剂 二 世界合成氨发展情况 1 合成氨的生产过程 造气(N2、H2) → 净化 →压缩合成 2 四大阶段 三 我国合成氨工业发展情况 三 我国合成氨工业发展情况 四 合成氨生产的原则流程 2.1 合成气的制取2.1.1 烃类的蒸汽转化 原料 + H2O(g) → H2 + CO 原料均可以看作H/C烃类与元素C组成 1.化学反应 在蒸汽转换过程中，烃类主要进行如下反应： CnH2n+2+ H2O= CH4+ CO2 CnH2n+ H2O= CH4+ CO2 CH4＋H2O CO＋3H2 CH4＋2H2O CO2＋4H2 CO＋H2O CO2＋H2 CO2＋CH4 2CO＋2H2 CH4 C＋2H2 2CO CO2＋C H2＋CO C＋H2O 一 气态烃类转化的化学反应 甲烷蒸汽转化反应理论基础 2 动力学分析 平衡温距--转化炉气体进口实际温度T与出口气体组成相对应的平衡温度TP之差称为“接近平衡温度差” Δ Te= | T - TP | 3 转化过程的析碳 1 催化剂的工艺要求 活性好、选择性好、强度好、抗毒性强、寿命长、廉价易得 2.烃类蒸汽转化催化剂 烃类蒸汽转化都是在1000℃下反应，其反应速度也很慢，需加催化剂。 ①活性组分：10～25％（重量）Ni ②载体、助剂：α-Al2O3,MgO-Al2O3,ZrO2-Al2O， CaO-Al2O3 ③还原活化：原因，镍的氧化物无活性 目的，还原氧化物、脱除微量毒物 ④中毒：硫和铅等。 1 二段转化过程 2 工艺条件 水碳比（S/C）--- S/C ↑，转化↑ 目前S/C=3.5~4；节能S/C=2.75 3 工艺流程 二、工艺流程及主要设备 1.天然气蒸气转化流程 转化气组成 天然气为原料的Keollgg法 烃类蒸汽转化的趋势 降低S/C 降低一段炉负荷，加至二段炉 热量回收 节能流程 热量能量的综合利用 节能流程 预热燃料及燃炉空气 二段转化气用于加热原料CH4 降低S/C比 3.5~4.0（节能2.75） 采用高活性催化剂 提高炉温，Y甲烷残降低 二段炉加入过量空气 四 主要设备 一段转化炉：若干根反应管与加热室的辐射段以及回收热量的对流段两个主要部分组成 炉型，转化炉管 由于一段炉反应管长期在高T、高P和气体腐蚀的条件下操作，采用耐热合金钢管；转化炉费用约占全厂投资的30%，反应管占整个转化炉投资的50% ①炉型 ⑴ 顶烧 ⑵ 侧烧 ⑶ 梯台 ⑷ 换热式 图2-3 的说明 ② 炉墙（耐热层+绝热层的复合结构） 二段转化炉 在1000 ℃高T下进一步转化CH4，是合成氨生产中温度最高的催化反应过程 结构：立式圆筒，壳体材质是碳钢，内衬耐火材料，炉外有水夹套 工艺计算 例：以化学平衡进行物料衡算--试就天然气甲烷蒸汽转化制取氢气过程进行物料衡算。该厂每小时消耗天然气4700M3，其组成为： CH4 + H2O = CO + 3H2 （1） CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 （3） CO + H2O = CO2 + H2 （6） 在已转化的气体中，CO/CO2的比率可取为在气体离开转化器的温度，即700 ℃下 式(6)呈平衡时的比率。另知，上述反应700 ℃时Kp1=2.5; Kp3=20; Kp6=1.54 习 题 1. 乙烷与过量50%的空气燃烧，乙烷的转化率为90%。燃烧的乙烷有25%生成CO、其余生成CO2。试计算烟道气干基与湿基的组成（摩尔分率）。 3. 如图所示，在0.2MPa， 500℃下含苯蒸气的物流通过两个换热器后