制氨的工艺流程图

化学反应条件的优化—工业合成氨 编稿：宋杰 审稿：张灿丽【学习目标】1、能用平衡移动原理（勒夏特列原理）解释一些生活、生产问题；2、理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件；3、了解合成氨生产的适宜条件和工艺流程。

【要点梳理】要点一、合成氨反应原理和特点。

1、反应原理：N 2（g ）+3H 2（g ）,高温高压催化剂2NH 3（g ）。

2、反应特点。

①可逆反应；②正反应是放热反应；③正反应是气体体积缩小的反应；④氨很容易液化。

要点二、合成氨适宜条件的选择。

1、适宜生产条件选择的一般原则。

对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率，如合成氨中氮气与氢气的配比为1∶2.8。

选择条件时既要考虑反应的快慢——反应速率越大越好，又要考虑反应进行的程度——使化学平衡尽可能向正反应方向移动，来提高氨在平衡混合物中的体积分数。

2、合成氨条件选择的依据。

运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。

[归纳] 合成氨的适宜条件： （1）温度：500℃左右；（2）压强：20 MPa ～30 MPa ；（3）催化剂：铁触媒（500℃时其活性最强）。

除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气（N 2和H 2），以有利于合成氨反应。

要点三、合成氨工业的简介。

合成氨工业的简要流程：合成氨生产示意图2-4-1：1、原料的制取氮气：将空气液化、蒸馏分离出氮气或者将空气中的氧气与碳作用生成CO 2，除去CO 2后得氮气。

氢气：用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然气等）在高温下制取。

主要反应有： C+H 2O （g ）高温CO+H 2CO+H 2O （g ）∆催化剂CO 2+H 2CH 4+H 2O （g ）700C 900C︒︒催化剂CO+3H 22CH 4+O 2950C︒催化剂2CO+4H 22、制得的氮气和氢气需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。

严格控制催化剂床层的两点温度， 即床层入口温度和热点温度。
氨合成操作温度应视催化剂型号而定，一般控制在400-500℃。
3、空速
一般操作压力为30MPa左右的中压法合成氨，空速在20000～ 30000／h； 操作压力为15MPa的轴向冷激式合成塔，空速为10000／h； 操作压力26.9 MPa的径向冷激式合成塔，空速为16200／h。
临界温度/℃
临界压力/ Mpa
临界比体积/(L/kg)
数值 17.3 82.2 22.08
性
质
临界密度/g/cm3
临界压缩系数pV=ZRT
临界热导率〔kJ/(Kkm)〕
数值 0.235 0.242 0.522
0.7714 0.6818
沸点(,0.1Mpa)/ ℃
-33.35
蒸发热(（-33.4℃）/ (kJ/kg) 1368.02
教学目标
知 ➢了解合成氨生产中的各种影响 识 因素 目 ➢理解各种因素影响对合成氨生 标 产的影响
能
力 ➢能够对合成氨生产中各种工艺
目
参数进行分析、确定
标
工作任务:
结合教材内容，查找相关文献资料，学 习影响合成氨生产的工艺因素种类的相关 知识 ，并完成表格内容。
完成下表内容并交流:
问题
内容
反应温度如何影响氨合 成反应
工艺因素 对反应的影响
选择原则
反应温度
化学反应速率随温度的 升高而加快
氨合成反应尽可能控制在最适宜 温度附近，以使反应速率保持最 快
压力
提高压力可加快总反应 综合考虑其它因素前提下选择较
速率
高的压力
氢氮比
要始终保持反应速率最 在反应初期，氢氮比γ＝1；当

1.21合成氨 纯碱的生产【学习目标】1、了解合成氨的反应原理、基本生产过程和合成氨工业发展中需要解决的问题；2、通过纯碱的两种典型生产过程及其演变的学习，了解化学工艺改进的原因、思路、条件以及由此带来的社会和经济效益。

【要点梳理】要点一、合成氨的反应原理1．合成氨适宜条件选择的依据合成氨的反应原理：3H 2 (g)+N 2 (g)垐垐垎噲垐高温高压催化剂2NH 3 (g)；ΔH =―92.4 kJ·mol ―1；特点：这是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应。

工业上合成氨，既要使反应进行得快，又要使平衡混合物中氨的含量高，还要考虑生产中的动力、材料、设备等因素，以取得最佳效益。

因此必须根据化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，对合成氨的条件进行选择。

要点诠释：勒夏特列原理主要解决的是平衡问题，主要包括平衡移动、平衡转化率、产率等问题。

但以下几方面问题，则不能用勒夏特列原理解释：①是否需要催化剂及催化剂的催化效率问题；②反应速率进行的快慢、达到平衡时间长短问题；③与勒夏特列原理相矛盾的实际应用问题。

（1）合成氨时，压强是否越大越好，为什么使用了高温、高压还要用催化剂？选择合成氨的条件时，应以提高综合经济效益为选择生产条件的目的。

目前，合成塔的耐压钢板厚度已达10 cm ，如压强过大，H 2还是会穿透钢板。

由于N 2十分稳定。

即使用了高温、高压，反应速率仍然十分缓慢，需要很长时间才能达到平衡，这在工业生产上是很不经济的，目前，我国合成氨厂通常采用20～50 MPa 。

综合考虑上述因素，在实际生产中，合成氨反应一般选择在500℃左右，为加快反应速率，仍需使用催化剂。

（2）合成氨时，为什么选择500℃的高温，为什么不采用过量的N 2以提高H 2的转化率？500℃的高温，可以加快反应速率，此温度时，催化剂铁触媒的活性最高。

由于氮气的特殊稳定性，即使增大氮气的浓度，对反应速率及氨的产率都影响不大。

合成氨工艺
合成氨的介绍 基本简介： 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。 ①天然气制氨。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，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳 和二氧化碳约 0.1％～0.3％（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔 比为 3 的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。以石脑 油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。
合成氨反应式如下：N2+3H2≒2NH3(该反应为可逆反应，等号上反应 条件为：“高温高压”，下为：“催化剂”)
合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百 年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但 都是由三个基本部分组成，即原料气制备过，各台炉之间必须进行吹风排队顺序 控制。 控制方案： 1、造气工段 H2/N2 控制方案 造气工段是通过加减氮操作来进行氢氮比控制的，而加减氮操作又是通过 调节上下吹加氮时间和吹风回收时间来实现的，因此，该控制系统最终得 到的控制量要转化为上下吹加氮时间或吹风回收时间。本系统的氢氮比控 制采用调节吹风回收时间来实现。
CO+3H2→CH4+H2O=-206.2kJ/mol0298HΔ CO2+4H2→CH4+2H2O=-165.1kJ/mol0298HΔ (3)氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成 氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。 氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨 含量不高，一般只有 10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成 反应式如下： N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol 合成工艺： 以煤为主要原料，采用固定层间歇气化法制造合成氨原料气。从原料气的 制备、净化到氨的合成，经过造气、脱硫、变换、碳化、压缩、精炼、合 成等工段。工艺流程简图如下所示：