1、空气氮,固氮Nitrogen fixation,化合态氮,人工固氮: 使单质氮气转化为含氮的化合物。,目前已投入工业生产的主要固氮方法： 电弧法 2. 氰氨法,目前工业上最常用、也最经济的是氨的直接合成法，即氮气与氢气在高温高压催化剂(铁)作用下发生如下反应,3.合成氨法,1909年7月2日,哈伯在实验室内在17.520MPa和500 600下进行合成氨的实验，得到6氨。其后, 在博施的协助下, 成功地解决了工业生产中的技术问题（如氢对钢材的腐蚀、高压反应器的结构、制取氢氮原料气的方法）。,1918年诺贝尔化学奖哈伯,F. Fritz Haber 18681934 德国物理化学家,第八章 合成
2、氨Synthesis of Ammonia,8.1 概述 Introduction,一、氨的性质及用途 1. 性质 氨在常温常压下，是一种具有特殊刺激气味的无色气体，有毒，易挥发。 溶水性：,极易溶水，溶解时放出大量的热，可制成1530%氨水作为商品。,一、氨的性质及用途,液氨：易汽化，降压时急剧蒸发并吸收大量的热，利用这个性质，氨常作冷冻剂。,化学性质活泼，可燃。与空气能形成爆炸混合物,2.用途（1）作为制造化肥的原料,一、氨的性质及用途,（2）生产其它化工产品原料,一、氨的性质及用途,酚醛树脂,人造丝,（3）应用于国防工业和尖端技术中,一、氨的性质及用途,作导弹、火箭的推进剂和氧化剂,炸
3、药,一、氨的性质及用途,（4）应用于医疗、食品行业中，作为冷冻、冷藏系统的制冷剂,合成氨首先为农业生产提供了充足的肥料，使农业生产产量大大提高，为人类社会发展和人口增长作出了巨大贡献。 合成氨发展的三个典型特点：1. 生产规模大型化。 10001500T/日2. 能量的合理利用。 用过程余热自产蒸汽推动蒸汽机供动力，基本不用电能。3. 高度自动化。自动操作、自动控制的典型现代化工厂。,8-5 氨的合成,一、氨的合成及其反应特点,1.原理,反应原理一定要记住！,可逆反应，放热反应，体积缩小， 平衡氨含量随压力升高 、温度降低、惰性气含量减少而增大。,2）特点,转化率的问题,反应热及时移走，温度控
4、制,增大压力使反应向右进行。,+Q,3）催化剂,外观: 黑色晶体, 有金属光泽, 磁性, 不规则颗粒. 主催化剂：Fe2O3、FeO可写成 Fe3O4 助催化剂：K2O，CaO, MgO, SiO2 提高活 性，增强抗毒能力等。 载 体：Al2O3与Fe3O4 形成共溶体，,组成,二、工艺条件,可逆、放热、体积缩小反应 1.压力： 分高压、中压、低压。 中压时：一般左右30MPa 2.温度: 适宜温度：400500 3.原料配比： H2：N2 理论配比： 实际配比：,3：1,2.82.9:1,可逆反应，转化率的问题放热反应，反应热及时移走，温度控制体积缩小，反应压力 平衡氨含量随压力升高 、温
5、度降低、惰性气含量减少而增大。 气固两相催化反应,2）特点,三、 氨合成塔,1.据该反应特点对反应器的要求 基本要求： 维持自热、气流均匀、压降小；换热强度大、生产稳定、操作灵活、操作弹性大；结构简单可靠、内件有自由余地。 合成塔结构要求 为了满足高温、高压的双重要求，合成塔由内件和外筒两部分组成。内件用(Ni、Cr)不锈钢制作，耐500高温和腐蚀，不承受压力；外筒用低碳合金钢或优质碳钢制成，承受高压。 适合选择固定床反应器,固定床反应器,2. 氨合成塔的分类,化工工艺学第8章 合成氨,根据生产中对床层降温方法的设计不同的合成塔分类： 间接冷管式 在催化剂层内设置冷却管，用反应前的低温原料气移
6、走反应热，降低反应温度，并预热原料气。,三套管并流合成塔内件。,合成塔内件,间接换热式 催化剂分35层，每层为绝热反应段，层间设置换热器控制反应气温度。该法氨合成率相对高，节能降耗效果明显，但同样内部安有换热器，设备相对复杂。,2. 氨合成塔的分类,2. 氨合成塔的分类, 冷激式直接 催化剂分35层，每层为绝热反应段，层间掺入冷激气（ ）控制反应气温度。,冷原料气,四段轴向冷激式合成塔结构合成塔分外壳和内芯两个部分,外用低合金钢, 内用耐氮、氢腐蚀的特种合金钢制作。,冷激式合成塔合成过程一、由新鲜原料气与循环气组成的混合反应气中(NH3)=2.1%, 温度为30-40 , 从塔底主进气口1进入
7、, 沿外壳与内芯间环隙上升。吸收内芯向外壳的传热，防止合成塔外壳温度超过50-60 二、气体继续沿环隙上升到顶部, 进入11换热器管间向下流动,同时被管内合成后气体预热到约420后进入第1层催化剂床层，,三、在第1床层中经反应后，温度升至500左右。(NH3)由2.1%升至8%. 此时与来自右侧管的冷激气混合 降温至410 .然后由上而下经过第2段催化剂床层, 四、以此类推, 同样经第3、4段床层反应后,再从中心管上升进入换热器11的管内, 与管间原料气换热后温度降至130-200，出塔,冷激式合成塔合成过程,合成气中氨含量温度曲线图,化工工艺学第8章 合成氨,410 496,2.1% 8%,
8、496 430,8% 6.9%,2,430 462,6.9% 9.8%,462 422,9.8% 8.9%,2,1,1,目前大型氨厂用冷激式多，它具有各床层温度调节方便，操作更接近最佳温度。 冷激式合成塔主要优点：结构简单、催化剂分布和温度分布均匀、控温调温方便、床层通气面大阻力小。主要缺点是气流阻力大, 这是塔的外形决定的.,化工工艺学第8章 合成氨,化工工艺学第8章 合成氨,四、 氨合成流程,合成氨厂,合 成 氨 厂,合 成 氨 厂,五、 氨合成工艺流程图,五、 氨合成工艺流程图,目前工业上使用的氨合成流程很多。中小合成氨厂广泛采用两级分氨流程。大型氨厂典型流程有凯洛格流程和托普索流程。,图 1.32,新鲜气压缩后换热进合成塔，出塔气经冷却两级氨冷后经氨分离器分离氨后循环。特点：先分离氨再循环，分离功耗小，但压缩功大，合成压力30MPa。,图 1.33,五、 氨合成工艺流程图,五、 氨合成工艺流程图,我国合成氨企业约500家,
