化工工藝學(xué)chemicalengineeringtechnics

1、空氣氮,,固氮Nitrogen fixation,化合態(tài)氮,人工固氮: 使單質(zhì)氮?dú)廪D(zhuǎn)化為含氮的化合物。,目前已投入工業(yè)生產(chǎn)的主要固氮方法： 電弧法 2. 氰氨法,目前工業(yè)上最常用、也最經(jīng)濟(jì)的是氨的直接合成法，即氮?dú)馀c氫氣在高溫高壓催化劑(鐵)作用下發(fā)生如下反應(yīng),3.合成氨法,1909年7月2日,哈伯在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)在17.5～20MPa和500 ～ 600℃下進(jìn)行合成氨的實(shí)驗(yàn)，得到6％氨。其后, 在博施的協(xié)助下, 成功地解

2、決了工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)問題（如氫對(duì)鋼材的腐蝕、高壓反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、制取氫氮原料氣的方法）。,1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)哈伯,F. Fritz Haber 1868～1934 德國(guó)物理化學(xué)家,第八章 合成氨Synthesis of Ammonia,8.1 概述 Introduction,一、氨的性質(zhì)及用途 1. 性質(zhì) ①氨在常溫常壓下，是一種具有特殊刺激氣味的無色氣體，有毒，易揮發(fā)。

3、②溶水性：,極易溶水，溶解時(shí)放出大量的熱，可制成15－30%氨水作為商品。,一、氨的性質(zhì)及用途,③液氨：易汽化，降壓時(shí)急劇蒸發(fā)并吸收大量的熱，利用這個(gè)性質(zhì)，氨常作冷凍劑。,④化學(xué)性質(zhì)活潑，可燃。與空氣能形成爆炸混合物,2.用途（1）作為制造化肥的原料,一、氨的性質(zhì)及用途,（2）生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品原料,一、氨的性質(zhì)及用途,酚醛樹脂,人造絲,（3）應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)和尖端技術(shù)中,一、氨的性質(zhì)及用途,作導(dǎo)彈、火箭的推進(jìn)劑和氧化劑,炸

4、藥,一、氨的性質(zhì)及用途,（4）應(yīng)用于醫(yī)療、食品行業(yè)中，作為冷凍、冷藏系統(tǒng)的制冷劑,合成氨首先為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了充足的肥料，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量大大提高，為人類社會(huì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)作出了巨大貢獻(xiàn)。 合成氨發(fā)展的三個(gè)典型特點(diǎn)：1. 生產(chǎn)規(guī)模大型化。 1000~1500T/日2. 能量的合理利用。 用過程余熱自產(chǎn)蒸汽推動(dòng)蒸汽機(jī)供動(dòng)力，基本不用電能。3. 高度自動(dòng)化。自動(dòng)操作、自動(dòng)控制的典型現(xiàn)代化工廠。,§8-5

5、 氨的合成,一、氨的合成及其反應(yīng)特點(diǎn),1.原理,反應(yīng)原理一定要記??！,,,①可逆反應(yīng)，②放熱反應(yīng)，③體積縮小， 平衡氨含量隨壓力升高 、溫度降低、惰性氣含量減少而增大。,,2）特點(diǎn),轉(zhuǎn)化率的問題,反應(yīng)熱及時(shí)移走，溫度控制,增大壓力使反應(yīng)向右進(jìn)行。,+Q,3）催化劑,外觀: 黑色晶體, 有金屬光澤, 磁性, 不規(guī)則顆粒. 主催化劑：Fe2O3、FeO可寫成 Fe

6、3O4 助催化劑：K2O，CaO, MgO, SiO2 提高活 性，增強(qiáng)抗毒能力等。 載 體：Al2O3與Fe3O4 形成共溶體，,,組成,二、工藝條件,可逆、放熱、體積縮小反應(yīng) 1.壓力： 分高壓、中壓、低壓。

7、 中壓時(shí)：一般左右30MPa 2.溫度: 適宜溫度：400～500℃ 3.原料配比： H2：N2 理論配比： 實(shí)際配比：,3：1,2.8～2.9:1,①可逆反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率的問題②放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱及時(shí)移走，溫度控制③體積縮小，反應(yīng)壓力 平衡氨含量隨壓力升高 、溫度降低、惰性氣含量減

8、少而增大。 氣－固兩相催化反應(yīng),,2）特點(diǎn),三、 氨合成塔,1.據(jù)該反應(yīng)特點(diǎn)對(duì)反應(yīng)器的要求 ① 基本要求： 維持自熱、氣流均勻、壓降??；換熱強(qiáng)度大、生產(chǎn)穩(wěn)定、操作靈活、操作彈性大；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、內(nèi)件有自由余地。 ② 合成塔結(jié)構(gòu)要求 為了滿足高溫、高壓的雙重要求，合成塔由內(nèi)件和外筒兩部分組成。內(nèi)件用(Ni、Cr)不銹鋼制作，耐500℃高溫和腐蝕，不承受壓力；外筒用低碳

9、合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼制成，承受高壓。 適合選擇固定床反應(yīng)器,固定床反應(yīng)器,2. 氨合成塔的分類,《化工工藝學(xué)》第8章 合成氨,根據(jù)生產(chǎn)中對(duì)床層降溫方法的設(shè)計(jì)不同的合成塔分類： ①間接冷管式 在催化劑層內(nèi)設(shè)置冷卻管，用反應(yīng)前的低溫原料氣移走反應(yīng)熱，降低反應(yīng)溫度，并預(yù)熱原料氣。,,三套管并流合成塔內(nèi)件。,合成塔內(nèi)件,②間接換熱式 催化劑分3～5層，每層為絕熱反應(yīng)段，層間設(shè)置換熱器控制反應(yīng)氣溫度。該法氨合成率

10、相對(duì)高，節(jié)能降耗效果明顯，但同樣內(nèi)部安有換熱器，設(shè)備相對(duì)復(fù)雜。,2. 氨合成塔的分類,2. 氨合成塔的分類,③ 冷激式－直接 催化劑分3～5層，每層為絕熱反應(yīng)段，層間摻入冷激氣（ ）控制反應(yīng)氣溫度。,冷原料氣,四段軸向冷激式合成塔結(jié)構(gòu)合成塔分外殼和內(nèi)芯兩個(gè)部分,外用低合金鋼, 內(nèi)用耐氮、氫腐蝕的特種合金鋼制作。,,,冷激式合成塔合成過程一、由新鮮原料氣與循環(huán)氣組成的混合反應(yīng)氣中Φ(NH3)=2.

11、1%, 溫度為30-40 ℃, 從塔底主進(jìn)氣口1進(jìn)入, 沿外殼與內(nèi)芯間環(huán)隙上升。吸收內(nèi)芯向外殼的傳熱，防止合成塔外殼溫度超過50-60 ℃二、氣體繼續(xù)沿環(huán)隙上升到頂部, 進(jìn)入11換熱器管間向下流動(dòng),同時(shí)被管內(nèi)合成后氣體預(yù)熱到約420℃后進(jìn)入第1層催化劑床層，,三、在第1床層中經(jīng)反應(yīng)后，溫度升至500℃左右。Φ(NH3)由2.1%升至8%. 此時(shí)與來自右側(cè)管的冷激氣混合 降溫至410 ℃.然后由上而下經(jīng)過第2段催化劑床層, 四、以此類

12、推, 同樣經(jīng)第3、4段床層反應(yīng)后,再?gòu)闹行墓苌仙M(jìn)入換熱器11的管內(nèi), 與管間原料氣換熱后溫度降至130℃-200℃，出塔,冷激式合成塔合成過程,合成氣中氨含量－溫度曲線圖,《化工工藝學(xué)》第8章 合成氨,410℃－ 496℃,2.1%－ 8%,496℃－ 430℃,8%－ 6.9%,2,430℃－ 462℃

13、,6.9%－ 9.8%,462℃－ 422℃,9.8%－ 8.9%,2,1,1,目前大型氨廠用冷激式多，它具有各床層溫度調(diào)節(jié)方便，操作更接近最佳溫度。 冷激式合成塔主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑分布和溫度分布均勻、控溫調(diào)溫方便、床層通氣面大阻力小。主要缺點(diǎn)是氣流阻力大, 這是塔的外形決定的.,《化工工藝學(xué)》第8章 合成氨,,《化工工藝學(xué)》第

14、8章 合成氨,四、 氨合成流程,合成氨廠,合 成 氨 廠,合 成 氨 廠,,五、 氨合成工藝流程圖,,五、 氨合成工藝流程圖,目前工業(yè)上使用的氨合成流程很多。中小合成氨廠廣泛采用兩級(jí)分氨流程。大型氨廠典型流程有凱洛格流程和托普索流程。,圖 1.32,新鮮氣壓縮后換熱進(jìn)合成塔，出塔氣經(jīng)冷卻兩級(jí)氨冷后經(jīng)氨分離器分離氨后循環(huán)。特點(diǎn)：先分離氨再循環(huán)，分離功耗小，但壓縮功大，合成壓力30MPa。,圖 1.33,五、 氨合成工藝流程圖,五、 氨合成