高中化学实验——56、工业合成氨

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本文导读目录：

1、高中化学实验——56、工业合成氨

2、合成氨工艺流程及原理简介

　　在高中阶段，常见的气体都有实验室制法、工业制法两种。 　　实验室制法方便快捷，但是成本往往高；工业制法可能条件苛刻，但在大规模应用生产时成本低。 　　在实验里做化学实验，依次考虑的是实验的可行性、安全性、环保性、经济性；在化工厂里设计实验流程，最先考虑的永远是经济性。 　　01 氨气的实验室制法 　　我们在前面讲过氨气的实验室制法， 　　链接在下方给出来，这里就不再重复凑字数了： 　　21、氨气的实验室制法 　　02 工业合成氨 　　关于本实验的说明： 　　1、工业合成氨的反应方程式非常简单： 　　但在本实验中，很显然没有提供特别大的压强环境，因此在最后的结果中，生成的氨气也很少，pH才达到8而已。 　　2、实验中说催化剂是石棉，但我认为应该是铁丝绒，即所谓的铁触媒做催化剂，石棉更多的像催化剂载体。 　　3、氮气的实验室制法是，正三价的亚硝酸钠、负三价的氯化铵，液液加热反应生成了氮气。 　　工业制氮气，是从液态空气中分离液氮和液氧。 　　4、氢气的实验室制法是，粗锌与稀硫酸，固液不加热发生反应生成了氢气。 　　工业制法有两种，红热的碳与水蒸气发生生成水煤气。水煤气的主要成分是CO和氢气，现在更多的是石油的高温分解制取氢气。 　　5、在工业合成氨的高温高压催化剂的条件下，氨气的产率大约只有30%，在本实验提供的条件下，恐怕连10%也超不过。 　　6、工业合成氨是人工固氮反应，豆类植物会固氮，大自然也会固氮，反应方程式如下： 　　所以，在旧社会里，才有“雷雨发庄稼”的说法。　　氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。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，为一种基本无机化工流程。人类文明的进化史，也是合成氨工艺流程的进化史。合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作火炸药工业的原料，为战争服务，第一次世界大战结束后，转向为农业、工业服务。随着科学技术的发展，对氨的需要量日益增长。合成氨工艺流程复杂，小编与您一起学习一下。 　　德国化学家哈伯（F.Haber，1868-1934）从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成，氨的含量达到6%以上。这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。 　　合成氨生产原理： 　　氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是由氢和氮合成。合成氨工业是氮肥工业的基础。为了生产氨，一般均以各种燃料为原料。首先，制成含H2和CO等组分的煤气，然后，采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的1：3的氮氢混合气，最后，氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。 　　1、合成氨生产工艺介绍 　　1造气 　　造气实质上是碳与氧气和蒸汽的反应，主要过程为吹风和制气。具体分为吹风、上吹、下吹、二次上吹和空气吹净五个阶段。原料煤间歇送入固定层煤气发生炉内，先鼓入空气，提高炉温，然后加入水蒸气与加氮空气进行制气。所制的半水煤气进入洗涤塔进行除尘降温，最后送入半水煤气气柜。 　　造气工艺流程示意图 　　2脱硫工段 　　煤中的硫在造气过程中大多以H2S的形式进入气相，它不仅会腐蚀工艺管道和设备，而且会使变换催化剂和合成催化剂中毒，因此脱硫工段的主要目的就是利用DDS脱硫剂脱出气体中的硫。气柜中的半水煤气经过静电除焦、罗茨风机增压冷却降温后进入半水煤气脱硫塔，脱除硫化氢后经过二次除焦、清洗降温送往压缩机一段入口。脱硫液再生后循环使用。 　　脱硫工艺流程图 　　3变换工段 　　变换工段的主要任务是将半水煤气中的CO在催化剂的作用下与水蒸气发生放热反应，生成CO2和H2。河南中科化工有限责任公司采用的是中变串低变工艺流程。经过两段压缩后的半水煤气进入饱和塔升温增湿，并补充蒸汽后，经水分离器、预腐蚀器、热交换器升温后进入中变炉回收热量并降温后，进入低变炉，反应后的工艺气体经回收热量和冷却降温后作为变换气送往压缩机三段入口。 　　变换工艺流程图 　　4变换气脱硫与脱碳 　　经变换后，气体中的有机硫转化为H2S，需要进行二次脱硫，使气体中的硫含量在25mg/m3。脱碳的主要任务是将变换气中的CO2脱除，对气体进行净化，河南中科化工有限责任公司采用变压吸附脱碳工艺。来自变换工段压力约为1.3MPa左右的变换气，进入水分离器，分离出来的水排到地沟。变换气进入吸附塔进行吸附，吸附后送往精脱硫工段。 　　被吸附剂吸附的杂质和少量氢氮气在减压和抽真空的状态下，将从吸附塔下端释放出来，这部分气体称为解析气，解析气分两步减压脱附，其中压力较高的部分在顺放阶段经管道进入气柜回收，低于常压的解吸气经阻火器排入大气。 　　变换与脱硫工艺流程图 　　5碳化工段 　　1气体流程 　　来自变换工段的变换气，依次由塔底进入碳化主塔、碳化付塔，变换气中的二氧化碳分别在主塔和付塔内与碳化液和浓氨水进行反应而被吸收。反应热由冷却水箱内的冷却水移走。气体从付塔顶出来，进入尾气洗涤塔下部回收段，气体中的少量二氧化碳和微量的硫化氢被无硫氨水继续吸收，再进入上部清洗段。气体中微量二氧化碳被软水进一步吸收，最后达到工艺指标经水分离后，送往精脱硫塔进一步脱硫后，送往压缩机三段进口。 　　2液体流程 　　浓氨水由浓氨水泵从吸氨岗位浓氨水槽打入付塔，一方面溶解塔内的结疤，另一方面吸收主塔尾气中的剩余二氧化碳，逐步提高浓氨水的碳化度。然后，付塔的溶液由碳化泵从底部抽出，打入主塔，在主塔内进一步吸收变换气中的二氧化碳，生成含碳酸氢铵结晶的悬浮液，再由底部取出管压入分离岗位进行分离。 　　回收塔回收段中的无硫氨水来自合成或铜洗工段使用过的无硫氨水和回收段的稀氨水压入稀氨水压入吸氨岗位母液槽和稀氨水槽或送脱硫岗位使用，从回收段出来的水直接排污水沟。 　　碳化工艺流程图 　　6甲醇合成工段 　　联醇是将经变换、脱碳后的净化气中的CO：1-5%、CO2＜0.5%（其含量可根据生产所要求的醇氨比调节）与气体中的H2经压缩机加压到15MP后，依次经过洗氨塔、油分、预热器、废热锅炉进入合成塔，在催化剂的作用下合成为甲醇，同时起到气体净化的作用。醇后气中CO＜0.5%、CO2＜0.2%。出塔气体经水冷却到40℃左右，将气体中的甲醇冷凝，使气体中的甲醇含量小于0.5%，经醇分离器分离出甲醇后，一部分气体经甲醇循环机返回甲醇合成塔，大部分气体进入精炼工段。 　　粗醇生产工艺流程示意图 　　7精炼工段 　　醇后工艺气中还含有少量的CO和CO2。但即使微量的CO和CO2也能使氨 　　催化剂中毒，因此在去氨合成工序前，必须进一步将CO和CO2脱除。我们公司是采用醋酸铜氨液洗涤法，铜洗后的工艺气体中的含量将至25ppm以下。醇后气体由铜洗塔底部进入，与塔顶喷淋的醋酸铜氨液逆流接触，将工艺气中的CO和CO2脱除到25ppm以下，经分离器将吸收液分离后送往压缩机六段进口。铜氨液从铜洗塔经减压还原、加热、再生后，补充总铜、水冷却、过滤、氨冷后经铜氨液循环泵加压循环使用。 　　8压缩工段 　　压缩工段的压缩机为六段压缩。由于合成氨生产过程中，变换、脱碳、粗醇与氨合成分别在0.87MPa、3.7MPa、15MPa、27MPa条件下进行，压缩工段的任务就是提高工艺气体压力，为各个生产工段提供其所需的压力条件。 　　9氨合成工段 　　氨合成工段的主要任务是将铜洗后制得的合格N2、H2、混合气，在催化剂的存在下合成为氨。压缩机六段来的压力为27?MPa的新鲜补充气，与循环气混合后进入氨冷器、氨分离器、冷交换器，经循环机升压并经过油分离器除油后进入氨合成塔的内件与外筒的环隙，冷却塔壁，出来后经预热器升温后进入氨合成塔内件，完成反应后离开反应器，分别进入废热锅炉、预热器、软水加热器回收热量，最后经水冷器、冷交换器、氨冷器降温冷却，将合成的氨液化分离出系统，未反应的氮氢气循环使用。 　　10冷冻工段 　　由于氨合成工段需要通过液氨气化来产生低温生产条件，因此冷冻工段的任务就是把气态的氨重新液化。由氨蒸发器蒸发的气氨经气氨总管进入冰机前分离器，分离出液氨后进入氨压缩机加压，加压后的气氨经油分离器后进入水冷器，在此气氨冷凝为液氨并回到冰机液氨贮槽，由支出阀送给氨蒸发器循环使用或氨库。 　　文章来源： 中化新网

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