化学工艺学教案5(化工12本)-胡江良.doc

1、化学工艺学 课程教案课次5课时2课 型（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他授课题目（教学章、节或主题）：第3章 合成氨 3.1 概述教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1.了解氨的主要物理、化学性质及用途；2.了解合成氨的发展历程；3.掌握合成氨的生产方法4.理解合成氨生产的基本过程及主要生产工序教学重点及难点：重点：合成氨的主要生产方法、合成氨生产过程的基本步骤难点：合成氨的主要生产工序。教 学 基 本 内 容方法及手段第3章 合成氨3.1.概述3.1.1氨的性质物理性质:在常温常压下，氨是一种具有特殊刺激性气味的无色气体氨有强烈的毒性，空气中含0.5%（体积分数）的氨就能

2、使人在几分钟内窒息死亡。氨就能冷凝成无色的液体，同时放出大量的热。液体的氨汽化要吸收大量的热，使周围的温度急剧下降，所以液氨常用作制冷剂。极易溶于水。氨的化学性质能与酸或酸酐反应生成盐。如与磷酸反应生成磷酸铵；与硝酸反应生成硝酸铵；与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，脱水后成为尿素；与二氧化碳和水反应生成碳酸氢铵等。在有水的条件下，氨对铜、银、金等金属有腐蚀作用。氨自燃点为630。氨与空气或氧按一定比例混合后，遇火能爆炸。常温常压下，氨在空气中的爆炸范围为15.5%28%，在氧气中为13.5%82%。（3）氨的用途氨是重要的无机化工产品之一，是一种重要的化工原料。在国防工业和尖端科学技术部门，氨用于

3、制造三硝基苯等多种炸药，在医疗、食品行业中，氨可作为冷冻、冷藏系统的制冷剂。3.1.2合成氨工业发展概况氨的合成反应式：N2+3H2=2NH3，就是这样一个简单的化学方程式，从实验室研究到最终成功、实现工业生产，却经历了约150年的艰难探索。19 世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向，提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。1909年，德国人哈伯以锇为催化剂在1720MPa和500600温度下进行了合成氨研究，得到6的氨。1910年成功

4、地建立了能生产80g/h氨的试验装置。6的转化率太低了，当然会影响生产的经济效益。哈伯知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于100。怎么办？哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程是可行的。于是他成功地设计了原料气的循环工艺。这就是合成氨的哈伯法。1912年米塔希经过了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，研究成功以铁为活性组分、含钾铝促进剂的铁合成催化剂，铁基催化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得，从而使合成氨生产得以实现工业化。我国合成氨工业始于20世纪30年代。目前我

5、国是世界上最大的化肥生产和消费大国，2007年氨产量已超过5000万吨，合成氨产量位居世界第一。3.1.3合成氨生产方法简介合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。合成氨的原料是氢气和氮气。氢气来源于水或含有烃的各种燃料；氮气来源于空气，可以在制氢过程中直接加入空气，或在低温下将空气液化、分离而得；氢气工业上普遍采用的是以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用的气化方法来制取。早期合成氨是以焦炉气、水电解氢气及焦炭气化产生的水煤气为原料，70年代开始转向以天然气和石油为原料。近年来，由于石油和天然气资源的日益枯竭，世界各国都在积极开发或建设以煤为原料的大型氨装置，但由于成本与技

6、术的原因，目前还难以与天然气合成氨装置竞争。我国油、气资源少，煤炭资源丰富，在我国以油、气为原料制氨，其原料成本较高，且供应往往难以保证。以煤为原料，成本较低，来源丰富。当然，以煤为原料也存在能耗高、流程长、环境污染严重、综合成本较高等缺点。近年来，科技人员做了大量技术开发工作，节能、降耗及减少环境污染等有了很大的进展，在相当长时期内，以煤为原料的氨厂，尤其是中、小型装置仍有较大发展空间。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。根据所使用的原料不同，合成氨的生产方法有以下几种：（1）以煤（或焦炭）为原料的生产方法以煤（或焦炭）为原料的生产方法，气化剂是水和空气，固体煤（或

7、焦炭）气化制得粗原料气，经脱硫、变换、脱碳、精制、压缩、氨合成等步骤制得氨。（2）以天然气（或轻油）为原料的生产方法天然气先经脱硫，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，制得氮氢混合气，其中尚含有体积分数约0.10.3%的一氧化碳和二氧化碳，经甲烷化作用除去后制得氢氮摩尔比为3的纯净气，再经压缩进入氨合成回路，制得产品氨。以轻油（石脑油）为原料的合成流程与上述流程类似。（3）以重质油为原料的生产方法重质油主要包括重油、油渣及各种深度加工所得的残油渣。以重质油为原料制氨一般采用重油部分氧化法，气化剂是水蒸汽和氧气。3.1.4合成氨生产的基本过程除电解水以外，不论用什么原料

8、制取的氢、氮原料气，都含有硫化物、一氧化碳、二氧化碳等杂质。这些杂质不但能腐蚀设备，而且能使氨合成催化剂中毒。因此，把氢、氮原料气送入合成塔之前，必须进行净化处理，除去各种杂质，获得纯净的氢氮混合合成气。因此,合成氨的生产过程包括以下五个主要步骤：（我们这本教材3个基本步骤：造气、净化、压缩与合成）（1）造气：制备含有氢、氮的原料气；（2）净化：除去原料气中对合成氨过程有害的各种杂质；（3）压缩合成：将合格的氢氮混合气压缩到高压，在铁催化剂下合成氨；（4）分离：将合成塔出来的N2、H2、NH3混合气分离，得到NH3；（5）循环：将分离出来的N2、H2送回合成塔循环使用。合成氨生产的原则流程如图

9、所示合成氨生产过程的七个主要生产工序原料气制备工序；脱硫工序；变换工序；脱碳工序；双甲合成工序（即甲醇甲烷化工艺，任务是除去原料气中残余的一氧化碳、二氧化碳，得到纯净的气体，并副产甲醇和烃化物。双甲合成包括甲醇化反应和甲烷化反应。甲醇化反应：一氧化碳和二氧化碳都可以发生加氢反应生成甲醇；甲烷化反应：经过甲醇化后，一氧化碳和二氧化碳含量体积分数之和为0.03%-0.30%，在催化剂作用下与氢气反应生成甲烷和水 ）；压缩工序；氨合成工序讲解作业、讨论题、思考题：1、合成氨主要生产方法？2、氨的物理与化学性质？3、合成氨生产过程的基本步骤？4、合成氨生产过程的主要生产工序？参考资料（含参考书、文献等）化学工艺学（第三版），潘鸿章主编高等教育出版社2010年出版；化学工艺学（第三版），黄仲九，房鼎业，浙江大学著，高等教育出版社 2008年出版。教学反思：5