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氨基础知识

危险化学品“氨”的基础知识讲授2013.9.18.

一、氨的基本特性和用途：

1.氨的分子结构和特性

2.氨的用途

二、合成氨的生产工艺和技术

1.原料与方法

2.煤为原料的生产工艺介绍

3.氨生产中某些适宜条件的分析（化学反应速度和化学平衡）

三、氨的制冷工艺简介（卡诺循环）

一、氨的基本特性和用途

1、氨的分子结构和特性：

氨是一种重要的含氮化合物。

氮是蛋白质中不可缺少的部分，是人类和一切生物所必须的养料。

可以说没有氮就没有蛋白质也就没有生命。

大气中氮占78%以上，但以游离态存在，通常不能为生物直接吸收。

只要将空气中游离氮固定下来并转化为可被植物吸收化合态的过程，称为固定氮。

目前最普片、最方便的方法，就是直接由氮和氢合成为氨。

氨：

分子式NH3、分子量：

17.03、分子中氮原子是以不等性杂化的，所以氨分子结构为三角锥形状，氮原子位于锥顶，三个氢原子位于锥足。

1）氨的物理特性：

氨是无色、有强烈刺激性的气味。

密度：

0.7716g/升；熔点：

-77.70C;沸点：

-33.350C;临界压力：

112.3kgf/cm2;临界温度：

132.90C，《介绍临界温度和临界压力》；氨在常温下易被加压成无色的液体，也易固化为雪状固体。

氨极易溶于水：

1个体积的水可溶解700-1200体积的氨，溶液呈碱性；也易溶于乙醇和乙醚。

2）氨的化学性质：

a.加合反应：

这是氨的主要性质。

氨分子中的氮原子上有一对未成键的电子，它易与其他原子以配位键形式共用，而形成各种氨化合物。

许多难榕于水的化合物由于生成这类化合物而溶解于水中。

氨水是由于NH3分子与水电离出来的H﹢离子加合生成NH4﹢离子和OH离子，电离平衡强烈偏向NH4,因此，氨水显弱碱性，所以也把氨水称为氢氧化氨。

由氨离子与酸根离子组成各种铵盐，如：

硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、碳铵等。

b.取代反应：

氨分子中的氢原子可以被其他原子或原子基团取代而生成氨基（NH2-）的衍生物，如氨基化钠NaNH2,亚氨基化钙（CaNH）或氮化物，如氮化铝（AlN）。

C.还原反应：

氨在空气中很稳定，但在氧气中能燃烧，发出黄色火焰生成氮气、水、放出热；

如4NH3﹢3O2=2N2﹢6H2O﹢303千卡

如有催化剂存在，则氨被氧化成NO，这是工业上合成硝酸的基本反应。

在高温下氨能将许多氧化物还原为金属。

如3CuO﹢2NH3=3Cu﹢N2﹢6H2O在常温下，氨在水溶液中能被许多氧化剂所氧化。

如：

3Cl2﹢2NH3﹦N2﹢6HCl

2、氨的用途：

目前，世界合成氨的年产量约1亿吨，其中80%用于化肥，20%用于各种工业。

氨可直接作为很好的农用氮肥。

也可加工为尿素、硝酸铵、氯化铵、碳酸铵、磷酸铵、以及氮、磷、钾复合肥；氨也是重要的工业原料，在化纤、塑料工业中则以氨、硝酸、尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙6、丙烯睛等单体和尿醛树脂等；由氨制成硝酸是各种炸药的基本原料如三硝基甲苯、硝化甘油以及其他炸药。

硝铵既是优良化肥，又是安全炸药在矿山开发等基本建设中广泛应用。

氨也是制造氰化物的主要原料，作为冶金行业的关键原料之一；此外用作冷冻剂和制纯碱的原料。

归纳如下五个方面：

1）氨----加合反应成铵盐----化肥

2）氨----加合反应成尿素----塑料、合成纤维（己内酰胺）、药物

3）氨----氰化物----冶金

4）氨----还原反应成制硝酸----炸药、染料

5）氨----磺胺----药

（话外说天然氨。

）

二、合成氨的生产工艺及技术

1、原料与方法：

生产合成氨必须有氢气和氮气。

空气中有取之不尽的氮气，而氢气则必须通过加工处理才能得到，其原料来源有固、液、气三种：

固体：

焦碳、白煤；采用固体燃料气化方法；

液体：

轻油、重油、原油（CmHn）;采用蒸汽和氧气的混合气体进行气化，可得H2、CO；（大型合成氨厂多采用此方法）

气体:

CH4、油田气、焦炉气；采用转化法，在9500C通过镍触媒，使O2和CH4进行不完全氧化。

四川已有大规模生产厂。

CH4﹢O2=4H2﹢2CO吸热

CH4﹢H2O=3H2﹢CO吸热

纯净的H2和N2要变成氨的速度是非常缓慢的，为加快反应速度常使用催化剂；为保护催化剂的活性，在合成之前必须把H2和N2中的杂质清除干净；同时N2和H2合成必须在压力下进行，压力越大，生成的氨越多。

总之，不论采用何种原料合成氨生产过程均可分为：

造气、净化、合成三个部分。

2、合成氨的生产工艺：

我省合成氨生产规模基本属于中、小型，下面以煤为原料简单介绍合成氨各部分的任务和原理。

1）造气：

造气设备叫煤气发生炉。

媒不断从炉顶加入，从炉底部通入空气、蒸汽或蒸汽与空气的混和气，由于通入气体不同，得到不同的煤气。

通入空气，叫空气煤气；通入水蒸气叫水煤气；通入混合气，叫半水煤气。

煤气最后从煤气发生炉顶部放出。

由于空气煤气中H2、CO含量只有总体积的4%不到，通常从烟囱放掉，主要是在炉内储存吹风加热时放出的热量，作为制气之用。

而水煤气，他不仅具有较高的热值，适用于作为氨的原料气，但N2的体积百分数仅4-7%达不到N2：

H2为1:

3。

所以，一般生产上制气循环由五个阶段组成：

第一阶段是吹风，把燃烧室和碳层，提温到10000C以上；

第二阶段是蒸汽上吹，得半水煤气，由炉上部引出，经废热锅炉、洗涤塔进气柜。

第三阶段是蒸汽下吹，得半水煤气，由炉下部引出，洗涤后进气柜。

第四阶段二次蒸汽（加空气）上吹（为防爆炸），气经洗涤送气柜。

第五阶段是在下一制气循环开始前，吹净燃料层、及设备管道中的半水煤气，减少损失。

2）净化：

净化包括四个工段：

原料气中硫的去除：

2H2S﹢O2=2H2O﹢S

原料气中CO的变换：

（300-5000C,Fe、Cr催化剂）

CO﹢H2O=CO2﹢H2

原料气中CO2的清除（高压水洗）：

原料气中微量CO清除（铜洗）：

Cu（NH3）3.Ac.CO=Cu（NH3）2.Ac﹢CO﹢NH3

3）合成：

合成是合成氨最重要、最关键部位。

精炼气进入合成塔，在300大气压和5000C的条件下；在铁触媒作用下，进行了氨的合成。

合成氨生产全过程总述：

先将焦碳（破碎到一定大小）或煤球，送入固定层煤气发生炉中，然后交替通入空气和水蒸汽制成半水煤气，再经过冷却、洗涤、脱硫等过程，除去气体中的灰尘和有害的H2S气体。

脱硫后的气体送往变换炉，使水煤气中的CO与蒸汽（过量）在变换触媒作用下转变为H2和CO2，变换后的气体经高压（高压机三段压缩到18大气压）水洗涤除去CO2,水洗后的气体回到高压机四段、五段压缩到180大气压，经铜氨液和碱液洗涤，除去气体中CO和残存的CO2，最后气体返回到压缩机六段，被压缩到300大气压，送入合成塔，氮与氢在合成塔内借Fe触媒作用,在5000C左右条件下化合成氨。

没有化合的氢、氮气体借助于循环压缩机，循环使用。

（在300大气压和500度时一般转化率为15-20%）

3、氨生产中某些适宜条件的分析（化学平衡和化学反应速度）

各种化学反应的速度是不相同的。

燃烧、爆炸的反应和溶液中无机离子的反应，它们瞬间即能完成。

大多数有机反应则非常缓慢。

H2和N2在常温下化合成氨的反应速度几乎为零。

但化学反应速度与外界条件《如压力（浓度）、温度、催化剂等》关系密切，氨的合成反应外界可以创造提供适宜的反应条件。

1）压力（对气体反应而言，压力大小就意味浓度大小，根据“质量作用定律”，反应物浓度越大，反应速度越快），对H2、N2的合成反应，在温度一定时压力增加，反应速度加快。

2）温度：

温度是影响反应速度的一个重要因素。

化学反应发生首先必须有反应物分子间的碰撞，温度升高分子的运动加快，单位时间内分子间的碰撞次数增加，更重要的是一些分子获得能量变成活化分子，因而加快了反应速度。

3）催化剂：

许多反应，在加入另一物质能增加反应速度，而它本身的组成和重量在反应前后保持不变的物质，叫催化剂。

不同类型的化学反应，需要选择不同的催化剂如SO2制硫酸，用V2O5作催化剂；合成氨工业中的CO变换反应则用铁和铬的氧化物为主体的催化剂。

同样的反应物质选用不同的催化剂，则可进行不同的反应制得不同的产物，如CO+H2,在不同的条件和不同的催化剂可以得到甲醇和甲烷及固体石蜡等不同产物；

合成氨的反应是氮、氢的混合气与固相催化剂的多相催化作用过程，其机理一般认为是氮分子被催化剂表面吸附，使氮分子间的化学键减弱，然后气相中氢分子同表面上的氮作用，逐步生成〉NH、―NH2、NH3，然后NH3从催化剂表面脱附，进入气相。

4）合成氨工业实践生产中的适宜条件总结：

a.一氧化碳变换反应是一个反应前后体积不变、放热的可逆反应，压力升高意义不大，为提高反应速率，略加3Kg/cm2的压力；而反应温度升高会降低CO的平衡转化率，因此反应温度取决于催化剂活性最强的温度区间。

生产上采用分段变换方法，第一段采用高温，第二段采用低温，不同段采用不同触媒，反应温度控制在280-5500C。

b.氨合成反应是一个体积缩小的放热的可逆反应，在一定温度下，提高压力对合成反应速度和化学平衡都是有利的。

在1000大气压下，不用催化剂就可以得到很高的转化率，但反应不单由压力一个因素决定，压力太大，对设备要求很高，投资较大，管理困难。

目前我国大都采用中压法，压力在200-300大气压下合成氨。

合成氨的反应温度升高可提高反应速度，但对平衡不利，所以应该选择在这个温度下，反应速度最大、平衡率最高、同时考虑催化剂性能，在300大气压，一般选择400-5200C。

三、氨制冷的工艺过程：

1、制冷设备：

制冷过程中，蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀是必备的四大部件：

蒸发器：

制冷剂在低压（蒸发压力）下，以较低的温度（蒸发温度）蒸发，吸收被冷却物质的热量实现制冷。

是向外输送冷量的设备。

压缩机：

是系统的心脏。

起输送制冷剂蒸汽的作用，同时保证蒸发器在低压下进行。

是输入功的设备。

冷凝器：

制冷剂蒸汽在高压下，把蒸发器吸收的热量和压缩功转化的热量传递给冷却介质，冷凝成温度较高的（冷凝温度）的液体，是放出热量的设备。

节流阀：

将冷凝器冷凝的制冷剂液体节流降压（降压到蒸发压力）后进入蒸发器，并控制和调节制冷剂的流量，并将系统分为高压侧和低压侧两部分。

实际的制冷系统中，为提高运行的经济性、可靠性、安全性，还设置有辅助设备，如气液分离器、油分离器、油冷却器、集油器、过滤器、空气分离器、液氨储罐以及安全阀、阀门等。

2、制冷原理：

从蒸发器出来，低温低压的氨蒸汽被压缩机吸入并被压缩成高温高压的过热蒸汽，然后进入冷凝器。

由于高温高压过热的氨气，其温度高于环境介质温度，被冷却冷凝成高压常温的液氨。

高压常温的液氨经膨胀阀时，因节流而降压，在压力降低的同时，液氨因沸腾蒸发吸收热量使其本身的温度也相应下降，从而变成了低温低压的氨液。

把这种低温低压的氨液引入蒸发器蒸发，即可使其周围空气及物料的温度下降而达到制冷目的。

从蒸发器出来的低温低压的氨气重新进入压缩机，从而完成一个制冷循环。

--“卡诺循环”

冷却水带走冷凝器放出的热量再回到循环水的水冷却塔，冷却循环使用。

也有使用冷冻盐水制冷，其过程是冷冻盐水在蒸发器的水箱里被降温后，由冷冻盐水泵送到各用冷设备，换热后回到蒸发器冷水箱循环使用，进行制冷。

日常，冰箱上的节流阀在技术上由作用相同的毛细管替代，使用的制冷剂为氟利昂F12。

制冷行业的制冷剂还可以是盐水、液氮、F24、F502；空调用溴化锂。

3）冷库房的制冷过程：

液氨在蒸发器（排管）中如果处于0.3Kg/cm2表压力（即0.03Mpa表压力），他的沸点是-280C，而蒸发器外的冷库温度是-180C，当有高于-180C的商品入库，商品中的热量很快传给了冷库里的空气，使空气温度上升到-150C，-150C的空气把从商品中传来的热量传给了-280C的液氨，这时液氨吸收了热量，温度不会上升，而是沸腾蒸发为氨蒸汽。

这样冷库里的空气来来往往传递，商品的热量逐步减少，温度逐步下降到-180C，制冷就结束了。

这是蒸发器的作用。

冷库空气向蒸发器传递多少热量，蒸发器内就蒸发相应重量的液氨。

当然还有外界气温，通过围护结构（保温设施）传来的热量以及开门带进来的热量，使库温不断上升，所以需要定时开机降温。

为了蒸发器的工作能够持久，必须要有压缩机的参予，因为液氨受热蒸发为气氨，氨蒸汽不断挤压蒸发器的空间，蒸发器的压力不断升高，液氨的沸点也不断升高，如果最后升到1Kg/cm2表压力时，液氨温度也达到-180C，与冷库温度相同，没有温差，热量就无法向液氨传递，制冷也就停止。

压缩机的任务就是把蒸发器中的氨蒸汽抽走，使蒸发器的压力一直保持在0.3Kg/cm2表压力状态，这时蒸发器的压力就叫做“蒸发压力”；蒸发器的温度就叫做“蒸发温度”。

压缩机将抽出的氨蒸汽排到冷凝器中，氨气在冷凝器中压力不断升高，完成了压缩机的任务。

而后就是冷凝器的任务。

我们知道氨蒸汽是带着冷库的热量。

压缩机把氨蒸汽压到冷凝器中，

现在氨蒸汽聚集在冷凝器中，压力不断升高，温度也不断升高，比如压力升到14Kg/cm2表压力，温度也对应达到+390C,如果在冷凝器管外供给+340C水，那冷凝器中的氨蒸汽就会向水传送出热量，每向冷却水送出264大卡的热量冷凝器中就有1Kg重的氨蒸汽凝结为液态氨，并让出原来被占据的冷凝器空间，如果这时热量没有出路，冷凝器压力继续上升，直至冷凝器爆炸或安全阀跳闸为止。

但实际上压缩机排出的温度在14Kg/cm2表压力时的温度不止+390C,而是1000C以上，这是因为电动机带动压缩机活塞对氨蒸汽压缩时做了功而转为热的缘故，也即热功当量，压缩机对氨蒸汽做了1KW的功，就对氨蒸汽附加了860大卡的热量，这一部分热量是显热，它加热氨蒸汽使之温度上升。

这些热量先传递给冷却水，氨蒸汽的温度先降到+390C后，才真正地进行冷凝工作。

在冷凝工作连续进行时，只有压力不变，温度也不会改变，这时的温度就叫做“冷凝温度”，压力叫做“冷凝压力”。

这就是冷凝器的工作任务。

冷凝器中被冷凝出来的液氨，必须通过节流阀进行控制，调节到蒸发器中有确当的低温低压液氨补充。

这就是节流阀的工作任务。

总结：

首先液氨在蒸发器中吸收了制冷对象的热量，蒸发为氨蒸汽，氨蒸汽包含吸收来的热量被压缩机抽送到冷凝器，并压缩成高温高压的氨蒸汽，这时又加进了电动机的热功单量所附加的热量；冷凝器中的氨蒸汽将热量传递给温度较低的冷却水，失去热量的氨蒸汽被冷却冷凝成液态氨；节流阀将冷凝下来的液氨有节制的补充给蒸发器，使蒸发器能够继续工作；整个工作过程就是将高于-180C的制冷对象的热量，强制送到+300C多度的冷却水中去，使需制冷的物质失去热量，温度降到我们所需要的-180C；而冷却水吸收了热量后，又通过水的蒸发，将热量传给了大气。

谢谢大家！