化工工艺学第三章合成氨方法技巧.ppt

化工工艺学;3.2 合成氨;3.2.1 概述;一、氨的物理化学性质;二、氨的用途;三、氨的生产方法;四、合成氨工业进展;1913年，在德国奥堡建成第一个工业化的合成氨装置，日产30t。一次大战后，各国都在德国被迫公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方法。但氨产量增长缓慢。二战结束后，由于技术的进步，高速发展。 在原料构成方面：由以固体燃料（焦炭，煤等）为原料转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、重油）为原料来合成氨。 在生产规模上：实现了单系列全盛氨装置的大型化，现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨，而50年代以前，只有200t。 在能耗上，新工艺的开发，能耗的降低。计算机的应用实现了自动化操作控制上。;我国合成氨生产工艺技术现状;四、合成氨工业进展;五、典型合成氨工艺流程;五、典型合成氨工艺流程; 合成氨中原料气中的氢气是由含碳燃料转化得到的。 现在工业上采用天然气（包括油田气）、炼厂气、焦炉气、石脑油、重油、焦炭和煤生产合成氨。这些原料均可看做是有不同氢碳比的烃类或元素构成，他们在高温下与水蒸气反应生成以H2和CO为主体的合成气。 氢碳比从天然气到烟煤为2:1~0.4:1。 因此，甲烷（天然气）最容易转化，而烟煤最难转化。;3.2.2 原料气的制备;一、烃类蒸气转化法;气态烃的蒸气转化可用甲烷蒸气转化代表 主反应： 副反应：在一定条件下还可能发生析碳反应;（2）催化剂 从热力学角度分析，甲烷蒸气转化反应是体积增大的吸热反应。因此，应该尽可能在高温、低压和高水碳比（H2O/CH4）条件下进行。但是，在相当高的温度下反应的速度仍然很慢，需要催化剂来加快反应。 对催化剂的要求： A.高活性； B.高强度； C.较好的热稳定性和抗析碳能力。;①催化剂的活性组分、助催化剂和载体 a活性组分：从性能和经济方面考虑，活性组分，镍为最佳，含量在4%~30%较为适宜。 b助催化剂：提高镍的活性、延长寿命和 增加抗析碳能力。可加入MgO作助催化剂。 c镍催化剂的载体：使镍高度分散、晶料变细、抗老化和抗析碳等作用。常用的有氧化铝、氧化镁、氧化钾、氧化钙、氧化铬、氧化钛和氧化钡等。;②镍催化剂的制备与还原 a制备： ①共沉淀法；②混合法；③浸渍法。 为使Cat有足够的强度，需高温焙烧，为提高活性，常将催化剂制成环状。 b还原：工业上常用H2和水蒸汽来还原，T 高于转化温度即可。 NiO+H2＝Ni+H2O(g) △H0298=-1026kJ/mol 经过还原 后的镍催化剂，在开停车以及发生操作事故时都有可能被氧化剂氧化。;（3）一段转化炉出口气体组成 温度：800~900℃ 压力：2.5~3.5MPa H2O/CH4比：3.5 转化气组成（体积%）： CH4 10 CO 10 CO2 10 H2 69 N2 1 ;2、二段转化 （1）为何要进行二段转化？ 在一段转化中，由于目前耐热合金钢管最高只能在800~900℃下工作，一段转化炉出口气体中仍含有8%~10%的CH4。为了进一步使甲烷转化完全及引入制氨所需的N2，一段转化后的合成气还必须在二段转化炉中，引入空气进行部分燃烧，使残余的甲烷浓度降至0.2%~0.5%。 ;（2）化学反应 2H2+O2=2H2O+483.99kJ/mol 2CO+O2=CO2+565.95kJ/mol CH4+O2=CO+3H2-206.2kJ/mol （3）工艺条件的选择 温度：二段转化炉出口温度约为1000℃ 压力：3.0MPa 加入空气要满足：（CO+H2）：N2=3.1~3.2 合成气中残余甲烷浓度：0.3%左右 H2/N2=3;3、蒸气转化工艺流程 从烃类制取合成氨原料气，目前有三种方法：美国凯洛格（Kellogg）、丹麦托普索法和英国帝国化学工业公司（ICI）法。 除一段转化炉有些不同外，工艺流程均大同小异，都包含有一、二段转化炉，原料预热及预热回收。;图 3-35;4、转化炉 （1）一段转化炉 是烃类蒸汽转化的关键设备之一。它由包括若干根转化管的加热辐射段及回收热量的对流段两部分组成。;;;;（2）二段转化炉 是在1000℃以上高温下把残余的甲烷进一步转化，是合成氨中温度最高的催化反应过程。 与一段转化不同，在二段转化炉内需加入空气燃烧一部分转化气（主要是氢）实现内部给热，同时也解决了氨合成所需的氨。 二段转化炉：为一立式圆筒，壳体材质 是碳钢，内衬耐火材料，炉外有水夹套，图3-37为凯洛格型二段转化炉。;;二、重