工艺学课件第6部分.doc

第八章 氨的合成 氨的合成是整个合成氨流程中的核心部分。氨合成过程属于气固催化反应过程，反应是在较高压力下进行的。由于反应后气体中氨含量不高，一般只有 10 ～ 20% 故分离氨后的氢氮气体循环使用。： 合成方法高压法： 70 ～ 100 MPa ， 550 ～ 650 ℃；中压法： 30 MPa, 450 ～ 550 ℃;低压法: 10 MPa ， 400 ～ 450 ℃; 第一节热力学基础 一、氨合成反应的化学平衡 N2+H2NH3(g) (8-1) 是放热和体积减少的可逆反应。化学平衡常数可表示为：（ 8-2 ）式中——分别为总压和组分平衡分压,atm；——平衡组分的摩尔分率； (8-3) 加压下的与温度压力和气体组成有关，需改用逸度表示： (8-4) 式中：——分别为各平衡组分的逸度和逸度系数。 二、平衡氨含量的求取 设总压为P，氨、惰性气体的平衡含量分别为，原始氢氮比为，则氨、氮、氢等组分的平衡分压为： 代入的表达式中，得： 若,则： （8-7） 三、影响平衡氨含量的因素 1、 2、 3、时，具有最大值。考虑到组成对平衡常数的影响，～2.90之间有最大值，值随压力而异。 4、 合成氨反应过程中物料的总摩尔数随反应的进行而减小，起始惰性气体含量不等于惰性气体平衡含量。 令为氨分解基惰性气体含量（零氨基），为气体的惰性含量（有氨基），为无氨基气体流量（氨分解基），为有氨基气体流量（真实流量）， （总摩尔数不变） 计算表明：当 ——不含惰性气体的平衡氨含量；——同温、同压下含有惰性气体的平衡氨含量。 三、热效应 第二节 氨合成反应动力学 一、反应的机理及动力学方程式 二、内扩散对氨合成速度的影响 前面的动力学方程式未考虑外扩散，内扩散过程对反应速度的影响。在工业反应器中的实际过程尚需考虑到扩散的阻滞作用。大量研究工作表明，外扩散的阻力可以略而不计，但内扩散的阻力却不容忽略，内扩散速度对反应有影响。通常情况下：1、；2、；3、催化剂粒度 第三节 氨合成催化剂 一、化学组成和结构：铁系催化剂 二、催化剂的还原和使用 影响催化剂的活性因素：1、催化剂的化学组成；2、催化剂的制备方法；3、催化剂的还原条件。确定还原条件的原则：1、使 Fe3O4 充分还原成为细小微晶；2、使还原生成的铁结晶不因重结晶而长大，以保证有最大的比表面积和更多的活性中心。 还原条件——合适的还原温度、压力、空速和还原气组成。 第四节 工艺参数的选择 合成氨工艺参数的选择除了考虑平衡氨含量外，还要综合考虑反应速度，催化剂使用特性以及系统的生产能力，原料和能量消耗等，以期达到良好的技术经济指标。 工艺参数一般包括压力、温度、空速、氢氮比、惰性气含量和初始氨含量等。 一、温度 最佳温度由反应气体的组成、压力、催化剂的活性来决定。 （8-29） 仅适用化学动力学控制时反应系统的最适宜温度，未计内扩散的影响。1、在一定压力下，；2、；3、氢氮比对Tm的影响同于对Te的影响；4、气体组成一定，；5、Tm与Te之间的关系只受催化剂的活性E1、E2的影响。 催化剂活性高时，，因为E1、E2均较低，但E2-E1不变， 内扩散控制时，Tm较图8-7中的数值为低， 因为，内扩散控制时，表观反应速度常数远较动力学反应速度常数小；当温度升高时，表观反应速度常数比动力学反应速度常数增加的少；但反应的平衡与扩散无关，温度升高相对的突出了平衡的影响。合成反应按 Tm 曲线进行时，催化剂用量最少，合成效率最高，但由于反应初期，合成反应速度很高，故实现最适宜温度不是主要问题，而实际上受各种条件的限制不可能做到这一点，所以，在床层的前半段不可能按 Tm 操作，在 Te 半段，yNH3已经比较高，反应温度依Tm曲线操作是有可能的。氨合成反应温度，一般控制在400～500℃之间，进口温度较低，大于或等于催化剂使用温度的下限，依靠反应热床层温度迅速提高而后温度逐渐降低。床层中温度最高点，称为热点，不应超过催化剂的使用温度。到生产后期，催化剂活性下降，操作温度应适度提高。 二、压力 从化学平衡和化学反应速度来看，提高压力是有利的，1、能提高合成装置的生产能力2、氨的冷凝有利。如高压下分离氨，只需水气就足够了，设备紧凑但不利的方面：1、对设备材质加工制造的要求高；2、催化剂寿命缩短，因为高压下反应温度一般较高。生产上选择操作压力的主要依据是综合费用。综合费用包括能量消耗原料费用设备投资。我国大型合成氨厂，操作压力为150～240atm,而中小型氨厂大多采用200～320atm。 三、空间速度 氨净值——进出氨合成塔气体氨含量之差；生产强度