化学工艺学教案5(化工12本)-胡江良Word下载.doc

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3.1概述

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

1.了解氨的主要物理、化学性质及用途；

2.了解合成氨的发展历程；

3.掌握合成氨的生产方法

4.理解合成氨生产的基本过程及主要生产工序

教学重点及难点：

重点：

合成氨的主要生产方法、合成氨生产过程的基本步骤

难点：

合成氨的主要生产工序。

教学基本内容

方法及手段

第3章合成氨

3.1.概述

3.1.1氨的性质

⑴物理性质:

在常温常压下，氨是一种具有特殊刺激性气味的无色气体氨有强烈的毒性，空气中含0.5%（体积分数）的氨就能使人在几分钟内窒息死亡。

氨就能冷凝成无色的液体，同时放出大量的热。

液体的氨汽化要吸收大量的热，使周围的温度急剧下降，所以液氨常用作制冷剂。

极易溶于水。

⑵氨的化学性质

能与酸或酸酐反应生成盐。

如与磷酸反应生成磷酸铵；

与硝酸反应生成硝酸铵；

与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，脱水后成为尿素；

与二氧化碳和水反应生成碳酸氢铵等。

在有水的条件下，氨对铜、银、金等金属有腐蚀作用。

氨自燃点为630℃。

氨与空气或氧按一定比例混合后，遇火能爆炸。

常温常压下，氨在空气中的爆炸范围为15.5%～28%，在氧气中为13.5%～82%。

（3）氨的用途

氨是重要的无机化工产品之一，是一种重要的化工原料。

在国防工业和尖端科学技术部门，氨用于制造三硝基苯等多种炸药，在医疗、食品行业中，氨可作为冷冻、冷藏系统的制冷剂。

3.1.2合成氨工业发展概况

氨的合成反应式：

N2+3H2=2NH3，就是这样一个简单的化学方程式，从实验室研究到最终成功、实现工业生产，却经历了约150年的艰难探索。

19世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向，提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；

催化剂对反应将产生重要影响。

这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。

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80g/h氨的试验装置。

6％的转化率太低了，当然会影响生产的经济效益。

哈伯知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于100％。

怎么办？

哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程是可行的。

于是他成功地设计了原料气的循环工艺。

这就是合成氨的哈伯法。

1912年米塔希经过了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，研究成功以铁为活性组分、含钾铝促进剂的铁合成催化剂，铁基催化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得，从而使合成氨生产得以实现工业化。

我国合成氨工业始于20世纪30年代。

目前我国是世界上最大的化肥生产和消费大国，2007年氨产量已超过5000万吨，合成氨产量位居世界第一。

3.1.3合成氨生产方法简介

合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。

合成氨的原料是氢气和氮气。

氢气来源于水或含有烃的各种燃料；

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来制取。

早期合成氨是以焦炉气、水电解氢气及焦炭气化产生的水煤气为原料，70年代开始转向以天然气和石油为原料。

近年来，由于石油和天然气资源的日益枯竭，世界各国都在积极开发或建设以煤为原料的大型氨装置，但由于成本与技术的原因，目前还难以与天然气合成氨装置竞争。

我国油、气资源少，煤炭资源丰富，在我国以油、气为原料制氨，其原料成本较高，且供应往往难以保证。

以煤为原料，成本较低，来源丰富。

当然，以煤为原料也存在能耗高、流程长、环境污染严重、综合成本较高等缺点。

近年来，科技人员做了大量技术开发工作，节能、降耗及减少环境污染等有了很大的进展，在相当长时期内，以煤为原料的氨厂，尤其是中、小型装置仍有较大发展空间。

生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。

根据所使用的原料不同，合成氨的生产方法有以下几种：

（1）以煤（或焦炭）为原料的生产方法

以煤（或焦炭）为原料的生产方法，气化剂是水和空气，固体煤（或焦炭）气化制得粗原料气，经脱硫、变换、脱碳、精制、压缩、氨合成等步骤制得氨。

（2）以天然气（或轻油）为原料的生产方法

天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，制得氮氢混合气，其中尚含有体积分数约0.1～0.3%的一氧化碳和二氧化碳，经甲烷化作用除去后制得氢氮摩尔比为3的纯净气，再经压缩进入氨合成回路，制得产品氨。

以轻油（石脑油）为原料的合成流程与上述流程类似。

（3）以重质油为原料的生产方法

重质油主要包括重油、油渣及各种深度加工所得的残油渣。

以重质油为原料制氨一般采用重油部分氧化法，气化剂是水蒸汽和氧气。

3.1.4合成氨生产的基本过程

除电解水以外，不论用什么原料制取的氢、氮原料气，都含有硫化物、一氧化碳、二氧化碳等杂质。

这些杂质不但能腐蚀设备，而且能使氨合成催化剂中毒。

因此，把氢、氮原料气送入合成塔之前，必须进行净化处理，除去各种杂质，获得纯净的氢氮混合合成气。

因此,合成氨的生产过程包括以下五个主要步骤：

（我们这本教材3个基本步骤：

造气、净化、压缩与合成）

（1）造气：

制备含有氢、氮的原料气；

（2）净化：

除去原料气中对合成氨过程有害的各种杂质；

（3）压缩合成：

将合格的氢氮混合气压缩到高压，在铁催化剂下合成氨；

（4）分离：

将合成塔出来的N2、H2、NH3混合气分离，得到NH3；

（5）循环：

将分离出来的N2、H2送回合成塔循环使用。

合成氨生产的原则流程如图所示

　合成氨生产过程的七个主要生产工序

①原料气制备工序；

②脱硫工序；

③变换工序；

④脱碳工序；

⑤双甲合成工序（即甲醇甲烷化工艺，任务是除去原料气中残余的一氧化碳、二氧化碳，得到纯净的气体，并副产甲醇和烃化物。

双甲合成包括甲醇化反应和甲烷化反应。

甲醇化反应：

一氧化碳和二氧化碳都可以发生加氢反应生成甲醇；

甲烷化反应：

经过甲醇化后，一氧化碳和二氧化碳含量体积分数之和为0.03%-0.30%，在催化剂作用下与氢气反应生成甲烷和水）；

⑥压缩工序；

⑦氨合成工序

讲解

作业、讨论题、思考题：

1、合成氨主要生产方法？

2、氨的物理与化学性质？

3、合成氨生产过程的基本步骤？

4、合成氨生产过程的主要生产工序？

参考资料（含参考书、文献等）

《化学工艺学》（第三版），潘鸿章　主编 

高等教育出版社 

2010年出版；

《化学工艺学》（第三版），黄仲九，房鼎业，浙江大学著，高等教育出版社2008年出版。

教学反思：