无机化工生产技术

化学工程系罗晓明二○一三年二月无机化工生产技术化工生产主要为连续化的大规模生产，设备系统庞大、自动化、机械化程度高，需具有一定专业技能的操作人员进行作业，化工原料与产品多易燃易爆、有毒有害、具强腐蚀性，因而化工安全在生产中不容忽视。化工生产特点认识无机化工纯碱装置-冷却塔硫酸装置-沸腾炉尿素装置-造粒塔原料罐区-球罐某化工厂远景DCS控制系统工艺流程图化工生产技术是指将原料物质经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括完成这些化学反应所必须的化工单元操作过程。无机化工生产技术主要研究合成氨、化学肥料、硫酸、硝酸、纯碱、烧碱等典型化工产品的生产技术，包括产品的原料处理、生产原理、工艺条件、工艺流程、主要设备及操作控制、安全环保等内容。认识无机化工化工工艺类课程的特点1综合性基础课、专业基础课、专业技术课2复杂性加工过程复杂（动力学、热力学等）3相关性相关专业联系（机械、电器、仪表等）4系统性学会全面分析（工艺过程及条件）5开发性培养创新能力（科学研究、技术开发）认识无机化工无机化学工业概况及发展无机化学工业所涉及的主要产品有：合成氨以及氮、磷、钾等化学肥料、硫酸、盐酸、硝酸、纯碱、烧碱以及无机盐和工业气体等。（合成氨及尿素、三酸二碱、无机盐）1合成氨2硫酸工业3化学肥料工业4氯碱工业5其它无机化工产品认识无机化工1生产原料2生产原理3生产工艺4控制指标5催化剂6主要设备7操作控制8安全与节能减排化工工艺课程学习的一般模式认识无机化工1要注意点面结合，建立知识框架，深入探究重点内容；2要切实理解生产原理，掌握工艺流程，熟悉工艺参数；3要善于对比分析典型的不同无机化工产品生产工艺的异同，找出规律；4特别要注意理论联系实际，利用更多的机会深入生产实际，在生产现场理解生产工艺。本课程的学习方法认识无机化工[1]陈五平.无机化工工艺学（上）.(第三版)[M].北京:化学工业出版社,2002[2]陈五平.无机化工工艺学（中）.(第三版)[M].北京:化学工业出版社,2001[3]陈五平.无机化工工艺学（下）.(第三版)[M].北京:化学工业出版社,2001[4]张子峰.合成氨生产技术[M].北京:化学工业出版社,2006[5]李平辉,田伟军.合成氨原料气生产[M].北京:化学工业出版社,2009[6]李平辉.合成氨原料气净化[M].北京:化学工业出版社,2010[7]李平辉.氨合成的生产[M].北京:化学工业出版社,2010学习本课程的参考文献认识无机化工本课程的课时安排(总课时:50)1认识无机化工(2学时)2合成氨(22学时)3尿素(6学时)4硫酸(8学时)5纯碱(8学时)6复习(2学时)7考试(2学时)认识无机化工合成氨1生产原料：固体（煤、焦炭）、液体（石脑油、重油）、气体（天然气）；2生产工艺：见工艺流程3生产步骤：原料气制取、原料气净化、氨的合成。随着国内合成氨技术的迅速发展，行业规模不断壮大。经过半个多世纪的努力，我国已拥有多种原料、不同流程的合成氨工厂550余个。2007年中国合成氨产量已超过5000万吨，合成氨产量位列世界第一。了解合成氨生产状况氨的性质氨易溶于水,能溶于醇、丙酮、苯及其它有机溶剂中。氨溶于水时放出大量的热，可生产含NH315～30%的氨水，氨水溶液显弱碱性，易挥发。氨很容易液化，或在常温下加压到0.7～0.8MPa，氨就能冷凝成无色的液体，同时放出大量的热量。液氨也很容易气化，降低压力可急剧蒸发，并吸收大量热量。氨的用途★氨是重要的化工产品之一，用途广泛，在国民经济各部门占有重要的地位。★世界上氨的产量超过80%用于生产各种化学肥料。★氨还是一种重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、合成纤维、合成树脂以及制造含氮无机盐等。★氨是常用的冷冻剂。了解合成氨生产状况直接法-合成氨生产工艺不同的氨合成厂，生产工艺流程不完全相同。但是无论哪种类型的合成氨厂，其生产过程均包括以下三个基本过程。了解合成氨生产状况原料气生产固体原料:主要有煤和焦炭。将煤或焦炭放入半水煤气发生炉里，交替通入空气和水蒸气，就可以得到半水煤气。半水煤气的有效成分是N2和H2，还含有CO、CO2和H2S等杂质。半水煤气经净化后，可做合成氨的原料气。液体原料:主要有原油、轻油、重油等。它们可用分子式CmHn表示。用水蒸气和氧气的混合气体来气化重油，可得到H2和CO。利用重油气化法制取合成氨原料气，是近代合成氨工业中的一个重要发展。气体原料:有天然气、油田气、炼厂气和焦炉气等四种。在这些气体原料中，天然气用量最大。我国西南地区有以三家以天然气为原料的大型合成氨厂。用天然气制合成氨原料气的方法很多，概括起来可分为四大类，即热解法、水蒸气转化法、部分氧化法和综合法。了解合成氨生产状况原料气净化脱硫：采用脱硫剂脱除原料气中的各种有机硫化合物及无机硫化合物，并尽可能回收硫磺。变换：利用CO与水蒸气作用，生成H2和CO2的变换反应，除去原料气中的大部分CO，并生成等体积的H2。脱碳：原料气经CO变换后，含有较多的CO2，既有在原料气制造过程中生成的，也有变换过程中产生的。脱碳工序就是采用物理或化学的方法利用脱碳液除去原料气中的大部分CO2，并回收CO2作为化工原料。精制：合成氨原料气经变换和脱碳后仍含有少量的CO和CO2，它们的存在将构成对氨合成催化剂的影响。精制工序的任务就是脱除少量的CO和CO2，以及微量的O2、H2S等。了解合成氨生产状况压缩和氨合成将符合要求的氢、氮混合气压缩到一定压力下，在高温、高压及催化剂存在的条件下，将氢氮气合成为氨。一般由压缩、合成、冷冻等岗位组成。氨的合成是一个放热、气体体积缩小的可逆反应：N2+3H2==2NH36M32-225/31.4型氮氢气压缩机了解合成氨生产状况以煤为原料的合成氨工艺流程了解合成氨生产状况特点：成本廉价，效益较高。以天然气为原料的合成氨工艺流程了解合成氨生产状况特点：成本较高，但固体杂质少，可长周期运转且产品纯度高。以重油为原料的合成氨工艺流程了解合成氨生产状况特点：成本廉价，但固体杂质多，不能长周期连续运转。1能量消耗高：能耗在28-66GJ/t之间2技术要求高：生产过程多为高温高压，或深冷真空/易燃易爆/有毒及腐蚀性。3高度连续化：只连续不断实现高产/低耗/环保才能获得较高生产效益和经济效益。4生产工艺典型：存在固液气三相反应，包括传质/传热/分离/冷冻等化工单元操作。三高行业：高投资、高能耗、高污染合成氨生产工艺的特点了解合成氨生产状况单元一合成氨原料气生产知识目标：1煤气化2烃类制气能力目标：能熟悉煤气化与烃类制气的工艺条件选择。掌握间歇式煤气发生炉的生产操作控制，指导实际生产。结合目前国内节能减排、大力发展循环型经济和倡导清洁生产的大环境。具有分析和解决问题的能力，较强安全生产意识。合成氨原料气生产任务一煤气化煤气化就是利用气化剂对煤或焦炭等固体原料进行热加工，使其转变为可燃性气体的过程，简称造气。气化剂主要有空气、水蒸气等，气化得到的可燃性气体称为煤气，进行气化的设备称为煤气发生炉，简称造气炉。合成氨原料气生产1煤气化的原料：焦炭或煤炭2气化剂：空气、水蒸气3产物：CO、CO2、H2、N2及CH4等4设备：煤气发生炉，简称造气炉煤气化的一般问题合成氨原料气生产1空气煤气：以空气为气化剂，成分为N2、CO2；2水煤气：以水蒸气为气化剂，成分为H2、CO；3混合煤气：以空气和水蒸气为气化剂；4半水煤气：以空气和水蒸气交替气化控制合适的气化时间，制得组分符合（CO+H2）/N2=3.1～3.2/1的混合煤气，此为生产合成氨的原料气。煤气的种类及成分合成氨原料气生产一、气化原理1、化学平衡（1）以空气为气化剂碳氧之间的反应C+O2=CO2+393.770kJ/molC+1/2O2=CO+110.595kJ/molC+CO2=2CO-172.84kJ/molCO+1/2O2=CO2+283.183kJ/mol此阶段的目的是用来提高炉温、蓄积热量为制气阶段作准备的。合成氨原料气生产以空气为气化剂碳氧之间反应平衡常数如下表所示合成氨原料气生产结论1：以空气为气化剂时，随着温度的升高，CO的平衡含量增加，CO2的平衡含量下降；随着压力的升高，CO的含量下降，CO2的含量增加。由于此阶段是利用碳氧之间的强放热反应来提高炉温蓄积热量为制气作准备的，因此采用较高炉温有利。合成氨原料气生产（2）以水蒸气为气化剂时的化学反应C+H2O=CO+H2+131.39kJ/molC+2H2O=CO2+2H2+90.20kJ/molCO+H2O=CO2+H2–41.19kJ/molC+2H2=CH4–74.90kJ/mol其目的是为了制备煤气合成氨原料气生产图1-1和图1-2分别给出了压力为0.1013MPa和2.026MPa时不同温度下的平衡组成。合成氨原料气生产结论2由图1-1可见，0.1013MPa下，温度高于900℃时，平衡产物中H2与CO的含量均接近于50%，其它组分接近于零。所以在高温下进行水蒸气与碳的反应，平衡时残余水蒸气量少，水煤气中H2及CO的含量高。比较图1-1及图1-2可见，在相同的温度下，随着压力的提高，气体中的水蒸气、CO2、CH4的含量增加，而H2、CO的含量减少。所以，欲制得H2、CO含量高的水煤气要在高温低压下进行，而制得CH4含量高的高热煤气，应在低温高压下进行。合成氨原料气生产2．反应速率C+O2=CO2低温段属化学反应控制，升高温度反应速度加快；高温段属扩散控制，气流速度加快则反应速度加快。C+H2O=CO+H2提高温度是加快反应速度的有效途径。合成氨原料气生产制取半水煤气的方法要求：（CO+H2）:N2=3.1～3.2:11间歇式制气法：又称间歇式制气法，中小型合成氨厂普遍应用2富氧空气连续气化法：既可满足热平衡，又可连续制气，但对设备及操作要求高3外热法：尚处于研究阶段合成氨原料气生产间歇式半水煤气的生产：此过程一般在煤气发生炉内进行如图1-5所示。合成氨原料气生产间歇式制取半水煤气的工作循环：1吹风阶段：2一次上吹制气阶段：3下吹制气阶段：4二次上吹制气阶段：5空气吹净阶段：思考：各阶段的作用？为什么这样设置呢？合成氨原料气生产间歇式制取半水煤气的工作循环合成氨原料气生产吹风阶段：空气从炉底吹入进行气化反应提高炉温蓄积热量；一次上吹制气阶段：水蒸气从炉底进入，主要是制气；下吹阶段：水蒸气从炉顶进入，主要是制气同时可调整炉内温度分布，使其趋于合理；二次上吹制气阶段：水蒸气从炉底进入，置换残余煤气为下一次大规模吹风作准备；空气吹净阶段：回收煤气与氮气。间歇式造气工作循环的作用合成氨原料气生产间歇式制取半水煤气的工艺条件温度：以低于灰熔点50℃为宜,尽量在较高温度下操作吹风速率：1m3半水煤气约消耗0.95～1.05m3空气水蒸气用量：φ2740炉：5～7t蒸汽/hr；φ2400炉：2～2.6t蒸汽/hr燃料层高度：应根据煤的品种及质量进行合理调整循环时间分配：120～180s气体成分：（CO+H2）/N2=3.1～3.2/1，O2＜0.5%燃料品种的变化与调节：视优质煤与劣质煤及时进行调节合成氨原料气生产间歇式制取半水煤气的工艺流程图Ф2740mm煤气发生炉1-炉体；2-安全阀；3-保温材料；4-夹套锅炉；5-炉篦；6-灰盘接触面；7-底盘；8-保温砖；9-耐火砖；10-液位计；11-蜗轮；12-蜗杆；13-油箱合成氨原料气生产图废热锅炉1-炉身2-火管3-汽包4-汽水上升管5-下降水管合成氨原料气生产1、天然气蒸汽转化法甲烷蒸汽转化的基本原理CH4+H2O=CO+3H2+206kJ/molCH4+2H2O=CO2+4H2+165kJ/molCO+H2O=CO2+H2–41.19kJ/mol副反应主要是析炭反应CH4=C+2H2+74.9kJ/mol2CO=C+CO2–172.5kJ/molCO+H2=C+H2O–131.4kJ/mol合成氨原料气生产任务二烃类制气序号组成天然气（摩尔分率V%）1CH494.242C2H61.803C3H80.594C4H10