合成氨生产课件.

项目七合成氨的生产通过本项目的学习，使学生了解合成氨的基本性质和用途、合成氨工业的基本情况及合成氨的生产方法，熟悉合成氨的生产工艺流程及合成氨生产的操作规程，掌握影响合成氨生产的工艺条件及影响因素。项目说明:1、了解合成氨的理化性质及用途；2、了解合成氨的生产方法；3、熟悉合成氨生产设备知识；4、熟悉合成氨的工艺流程；5、掌握影响合成氨生产的工艺条件及影响因素。知识目标:1、能够熟练运用专业工具书、期刊、专业书籍和网络资源等查找有关合成氨生产的资料和信息；2、能对收集到的合成氨生产的相关知识进行合理的分类和归纳；3、能较熟练地运用外语进行专业信息收信和处理；4、能对合成氨生产工艺条件进行分析；5、能对合成氨生产设备的选择；6、能读懂合成氨的生产工艺流程图；7、具有编制合成氨生产的操作规程的初步能力。能力目标：1、具有良好的团队协作能力；2、具有良好的语言表达和文字表达能力；3、培养安全生产、清洁生产的意识素质目标：实施建议:1、3～4人为一个小组来完成工作任务。2、可充分利用教材、图书资料、文献及网络资源来查找完成工作任务；也可以采用实地参观相关合成氨生产企业、向工厂技术人员咨询请教的形式来完成工作任务。3、小组共同讨论来完成表格内容，并准备进行全班交流。4、教师进行点评、总结和理论补充。任务一合成氨工业概貌检索教学目标知识目标能力目标了解合成氨的理化性质了解合成氨的用途、产量了解合成氨工业的基本情况了解合成氨工业的发展趋势能熟悉运用专业资料进行信息检索能对收集信息进行处理工作任务:结合教材内容，查找相关文献资料，学习合成氨的性质、用途、产品价格、产量、工业发展的相关知识，并完成表格内容。完成下表内容并交流:问题内容文献资料来源合成氨有哪些工业用途？列出合成氨的理化性质分析世界合成氨工业的发展趋势一、合成氨的性质与用途1、合成氨的性质氨（NH3）在常温常压下为无色、有刺激性辛辣味的气体，比空气轻，易溢出，具有强烈的刺激性和腐蚀性，故易造成急性中毒和灼伤，能灼伤皮肤和眼睛，刺激呼吸器官黏膜。2、合成氨的用途氨是重要的化工原料。氨的主要用于生产各种含氮的化学肥料，如尿素、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、氯化铵、氨水及各种含氮混肥和复合肥等。3、合成氨的物理性质性质数值性质数值相对分子质量17.3临界密度/g/cm30.235含氮量/%82.2临界压缩系数pV=ZRT0.242摩尔体积（0℃,0.1Mpa）（L/mol）22.08临界热导率〔kJ/(Kkm)〕0.522气体密度(0℃,0.1Mpa)/(g/L)0.7714沸点(,0.1Mpa)/℃-33.35液体密度（-33.4℃,0.1Mpa）/g/cm30.6818蒸发热(（-33.4℃）/(kJ/kg)1368.02临界温度/℃132.4冰点/℃-77.70临界压力/Mpa11.30熔化热(-77.7℃)/(kJ/kg)332.42临界比体积/(L/kg)4.257空气中爆炸极限(体积分数/%)15.5-28二、世界合成氨的发展趋势经过近90年的发展，合成氨工业已经遍布全世界，合成氨技术得到了高度的发展，如生产规模大型化，单机最高产量已达1800t/d；生产操作高度自动化，大型氨厂都采用集散控制系统。世界合成氨生产能力已超过1.76亿吨/年。合成氨按终端用途来分，约85%-90%的合成氨用作化肥：液态氨、硝酸铵、尿素或其他衍生物，仅13%用于其他商品市场。任务二合成氨生产工艺路线分析与选择教学目标知识目标能力目标了解合成氨的工业生产方法和特点理解合成氨的生产原理能根据工艺要求进行合成氨生产路线的选择能对合成氨生产过程进行动力学和热力学分析工作任务:结合教材内容，查找相关文献资料，学习合成氨的生产方法、生产原理及合成氨生产动力学、热力学分析的相关知识，并完成表格内容。完成下表内容并交流:问题内容文献资料来源写出合成氨的反应原理从动力学和热力学角度来分析温度、压力等对合成氨转化率的影响一、合成氨工业生产法原料气的制备原料气的净化氨的合成固体燃料气化法烃类蒸汽转化法重油部分氧化法原料气的脱硫一氧化碳变换二氧化碳脱除原料气的精制1、氨的合成原料氨是利用一定比例的氢和氮混合气，在高温、高压、催化剂存在的条件下直接合成的。氮主要来源于空气；氢主要来源于水和碳氢化合物；合成氨生产的初始原料：固体原料(焦炭、煤)、气体原料(焦炉气、天然气)、液体原料(重油)。我国生产合成氨的原料比较复杂，目前已经形成以煤为主，油、气并存的局面，以煤为原料的合成氨产品处于我国合成氨工业的主导地位。以无烟煤(焦炭)为原料，主要包括以下三个主要步骤：原料气的制备原料气的净化氨的合成以焦炭(无烟煤)为原料的制氨流程示意图2、原料气的制备要求原料气中有效气成分与氮气比例为3.1-3.2。固体燃料气化法：煤或焦炭中的碳元素，与水蒸气反应生成水煤气，有效成分是CO和H2。上述反应过程为强吸热过程，需要的热量由空气或氧气与碳作用来提供。工业上以固体燃料为原料，制取合成氨原料气的方法，主要有以下四种：固定层间歇汽化法、固定层连续汽化法、沸腾层汽化法、气流层汽化法。②固定层间歇汽化制原料气固定层间歇汽化法的特点是利用碳与空气反应放出的热量，供给碳与水蒸气反应所需要的热量，以保持体系的热平衡。所用设备称为煤气发生炉。间歇法制造半水煤气时，需要向煤气炉内交替地送入空气和水蒸气。自上一次开始送空气至下一次开始送空气为止，称为一个工作循环。顺序为:a．吹风，b．（蒸汽）一次上吹，c.（蒸汽）下吹，d.(蒸汽）二次上吹e．空气吹净。煤气发生炉固定床间歇气化工艺流程图此法不需要纯氧，但对煤的机械强度、热稳定性、灰熔点要求较高；非制气时间较长，生产强度低；阀门开关频繁，阀门易损坏，维修工作量大，能耗大。该流程虽对吹风气的显热和潜热以及上行煤气的显热进行了回收，但对下行煤气的显热未回收，且出废热锅炉的上行煤气及烟气的温度均较高，因此热量损失较大。3、原料气的净化原料气的净化过程包括脱硫、变换、脱碳和精制四个工序。①工业上脱除硫化物的工序称为脱硫。干法脱硫：氧化锌、氧化锰、活性炭、分子筛；湿法脱硫：氨水中和法、改良ADA氧化脱硫法、栲胶法等活性炭脱硫剂活性炭脱硫剂湿法脱硫催化剂②利用一氧化碳与水蒸气作用，生成氢气和二氧化碳，来除去大部分的一氧化碳。这一过程称为一氧化碳的变换。根据反应温度的不同，变换过程分为中温变换和低温变换。③脱除变换气中二氧化碳的过程常称为“脱碳”。物理吸收法：低温甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯法等化学吸收法：改良热钾碱法、栲胶法和乙醇胺法等。④送往合成工序以前的进一步净化，称为“精制”。铜氨液洗涤法、甲烷化法、双甲精制法、液氮洗涤法。任务三合成氨生产工艺参数的确定教学目标知识目标能力目标了解合成氨生产中的各种影响因素理解各种因素影响对合成氨生产的影响能够对合成氨生产中各种工艺参数进行分析、确定工作任务: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:问题内容文献资料来源反应温度如何影响氨合成反应反应压力如何影响氨合成反应原料配比如何影响氨合成反应一、氨的合成原理氨的合成反应为：可逆、放热、体积缩小且有催化剂才能以较快的速率进行的反应。二、氨合成反应的热力学和动力学分析氨合成反应是可逆、放热和体积缩小的反应，根据平衡移动规律可知，降低温度，提高压力，有利于平衡向生成氨的方向移动31.50.522()()()ppNHKpHpN1、平衡常数不同温度、压力下，纯氢氮混合气(H2/N2=3)的化学平衡常数值温度/℃压力/MPa10.3315.2020.2730.3940.533504004505005502.9796×10-11.3842×10-17.1310×10-23.9882×10-22.3870×10-23.2933×10-11.4742×10-17.7939×10-24.1570×10-22.4707×10-23.5270×10-11.5759×10-17.8990×10-24.3359×10-22.5630×10-24.2346×10-11.8175×10-18.8350×10-24.7461×10-22.7618×10-25.1357×10-12.1146×10-19.9615×10-25.2259×10-22.9883×10-2由表可知：化学平衡常数值随着温度的降低、压力的提高而增大。2、平衡氨含量在给定操作条件下，合成反应平衡时混合气体中氨的百分含量，或称为氨的平衡产率，这反应能达到的最大限度。温度降低、压力升高时，平衡氨含量增加，有利于氨的生成氢氮比（用γ表示）对平衡氨含量有显著影响惰性气体的存在，降低了氢气和氮气的有效分压，使平衡氨含量下降4、惰性气体含量惰性气体是指反应体系中不参加化学反应的气体组分，氨合成混合气体中的惰性气体指的是甲烷和氩。惰性气体的存在，降低了氢氮气的有效分压，使平衡氨含量下降。3、氢氮比综上所述，可通过提高压力、降低温度、减少惰性气体含量、保持氢氮比略小于3四种措施来提高平衡氨含量。三、合成氨工艺条件的选择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速率综合考虑其它因素前提下选择较高的压力氢氮比要始终保持反应速率最大，最佳氢氮比应随反应的进行而增大在反应初期，氢氮比γ＝1；当反应趋于平衡时，最佳氢氮比接近于3惰性气体惰性气体含量的增加，反应速率趋于下降控制惰性气体含量1、压力从发展方向看，大型合成氨装置采用25~30MPa的操作压力，在技术经济上有利。2、温度催化床的温度分布应在催化剂活性温度范围(约350~550℃)内尽量接近最适宜温度曲线。最适宜温度取决于反应气体的组成、压力以及所使用的催化剂活性。。催化剂床层的前半段先进行一段绝热反应过程，催化剂床层的后半段及时移走反应热，使反应温度尽可能接近最适宜温度曲线操作。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26.9MPa的径向冷激式合成塔，空速为16200／h。4、入塔气组成合成塔入塔气组成包括氢氮比、惰性气体含量、入塔氨含量。入塔气体的氢氮比为2.8～2.9时比较合适；惰性气体(CH4、Ar)在入塔气中含量，一般12％～18％为宜；入塔氨含量：当操作压力在30MPa左右时，控制在3.2％～3.8％，操作压力为15～20MPa时，则控制在2％～3％。四、反应热效应氨合成反应的热效应不仅取决于温度，而且还与压力、气体组成有关。工业生产中，体系反应热效应是上述反应热与混合热之和。五、氨合成的化学反应速率反应速率的影响因素有压力、温度、氢氮比及惰性气体含量。此外，催化剂活性和粒度对反应速率也有影响。任务四典型设备的选择教学目标知识目标能力目标了解合成氨生产所用的反应装置及特点熟悉合氨成塔的结构特点能够根据合成氨的反应特点进行典型生产设备的选择工作任务:结合教材内容，查找相关文献资料，学习合成氨生产所用设备种类、反应装置的相关知识，并完成表格内容。完成下表内容并交流:问题结构特点应用氨合成塔冷管式冷激式间接换热式中小型型氨厂的氨合成塔-------大型氨厂的氨合成塔-------一、氨合成塔分类与特点必须适应过程在接近最适宜温度下操作，力求小的系统阻力降以减少循环气的压缩功耗，结构上应简单可靠，满足合成反应高温高压操作的需要。1、氨合成塔的结构特点合成塔通常由外筒与内件两部分组成。外筒只承受高压，内件只承受高温。2、氨合成塔的分类按气体在塔内的流动方向分为：轴向塔和径向塔。按降温的方法分为：冷管式、冷激式和间接换热式。氨合成塔1－塔体下部；2－托架；3－底盖；4－花板；5－热交换器；6－外筒；7