合成氨的方法及其應(yīng)用

1、閩南師范大學(xué)合成氨的方法及其應(yīng)用姓 名：學(xué) 號(hào)：專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)年級(jí):10應(yīng)化22013 年 12 月 30 合成氨的方法及其應(yīng)用【摘要】介紹不同原料的合成氨和合成氨各個(gè)工段工藝流程，指出了我國合成氨工藝技術(shù)現(xiàn)狀及 其未來發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為未來合成氨技術(shù)進(jìn)展的主要趨勢(shì)是大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、 長周期運(yùn)行；介紹合成氨工業(yè)產(chǎn)品的用途，指出合成氨對(duì)化肥的重要意義。關(guān)鍵詞：合成氨工藝流程 發(fā)展現(xiàn)狀意義刖言氨是一種重要的含氮化合物。氮是蛋白質(zhì)質(zhì)中不可缺少的部分，是人類和一切生物 所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，就沒有蛋白質(zhì)，沒有蛋白質(zhì)，就沒有生命。大氣中存在 有大量的氮，在空氣中氨占78%（體積分?jǐn)?shù)

2、）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。但是，如 此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為化合物狀 態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉(zhuǎn)化成人和動(dòng)物所需的營養(yǎng)物質(zhì)。把大氣中的游離氮固定 下來并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。目前，固定氮最方便、最普 通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氫合成為氨，再進(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其 它工業(yè)我國合成氨裝置很多，但合成氨裝置的控制水平都比較低，大部分廠家還停留在半 自動(dòng)化水平，靠人工控制的也不少，普遍存在的問題是：能耗大、成本高、流程長，自動(dòng)控制水平低。這種生產(chǎn)狀況下生產(chǎn)的產(chǎn)品成本高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差，因此大部分化肥行 業(yè)處于低利潤甚

3、至處于虧損狀態(tài)。 為了改變這種狀態(tài)， 除了改變比較落后的工藝流程外， 實(shí)現(xiàn)裝置生產(chǎn)過程優(yōu)化控制是行之有效的方法。合成氨生產(chǎn)裝置是我國化肥生產(chǎn)的基礎(chǔ)， 提高整個(gè)合成氨生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化控制水 平，對(duì)目前我國化肥行業(yè)狀況，只有進(jìn)一步穩(wěn)定生產(chǎn)降低能耗，才能降低成本，增加效 益。而實(shí)現(xiàn)合成氨裝置的優(yōu)化是投資少、見效快的有效措施之一。合成氨裝置優(yōu)化控制的意義是提高整個(gè)合成氨裝置的自動(dòng)化水平， 在現(xiàn)有工藝條件下，發(fā)揮優(yōu)化控制的優(yōu)勢(shì)，使整個(gè)生產(chǎn)長期運(yùn)行在最佳狀態(tài)下，同時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用 還能節(jié)約原材料消耗，降低能源消耗，提高產(chǎn)品的合格率，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 1.氨的性質(zhì)物理性質(zhì)無色氣體，有刺激性惡臭味。

4、分子式 NH3。分子量17.03。相對(duì)密度0.7714g/l。熔點(diǎn)-777C。沸點(diǎn)-33.35E。自燃點(diǎn) 651.11 T。蒸氣密度 0.6。蒸氣壓 1013.08kPa(25.7C)。化學(xué)性質(zhì)蒸氣與空氣混合物爆炸極限1625%(最易引燃濃度17%)。氨在20C水中溶解度34%,25C時(shí)，在無水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%, 溶于氯仿、乙醚，它是許多元素和化合物的良好溶劑。水溶液呈堿性 ,0.1N水溶液PH值 為11.1;液態(tài)氨將侵蝕某些塑料制品，橡膠和涂層。遇熱、明火難以點(diǎn)燃而危險(xiǎn)性較低；但氨和空氣混合物達(dá)到上述濃度范圍遇明火會(huì) 燃燒和爆炸，如有油類或其它可燃性物質(zhì)存在，則危險(xiǎn)性

5、更高。與硫酸或其它強(qiáng)無機(jī)酸反 應(yīng)放熱，混合物可達(dá)到沸騰；不能與下列物質(zhì)共存：乙醛、丙烯醛、硼、鹵素、環(huán)氧乙烷、 次氯酸、硝酸、汞、氯化銀、硫、銻、雙氧水等。2合成氨的生產(chǎn)工藝19世紀(jì)中葉，煉焦工業(yè)興起，生產(chǎn)焦炭過程中制得了氨。煤中的氮約有20%25%轉(zhuǎn)化為氨，煤氣中氨含量為811g/m3，因而可以從副產(chǎn)焦?fàn)t中回收氨。但這樣回收的 氨量不能滿足需要，促使人們研究新的合成氨的方法來滿足工業(yè)需要，以下介紹不同原 料合成氨的簡(jiǎn)要生產(chǎn)過程。2.1以固體燃料（煤或焦炭）為原料的合成氨的簡(jiǎn)要生產(chǎn)過程煤或焦炭k造氣脫硫 k CO變換精制*脫CO2合成合成尿素*二段轉(zhuǎn)化CO高變CO低變氨尿素2.2以天然氣或輕油

6、為原料的合成氨的簡(jiǎn)要生產(chǎn)過程天然氣或輕油* 脫硫 * 一段轉(zhuǎn)化脫CO2壓縮甲烷化*合成合成尿素1 I氨尿素2.3以重油為原料的合成氨的簡(jiǎn)要生產(chǎn)過程重油油氣化*除炭黑脫硫* CO變化空氣一*空分脫CO2液氨洗滌壓縮k合成 尿素氨2.4合成氨各工段工藝流程（以煤為原料）241造氣工段（間歇式氣化過程在固定床煤氣發(fā)生爐中進(jìn)行的）（1）五個(gè)階段：吹風(fēng)階段：吹入空氣，提高燃料層溫度，吹風(fēng)氣放空。工藝流程：空氣一煤氣爐底部一燃料層一爐頂一上旋風(fēng)除塵器一廢熱鍋爐一煙囪放空或送吹風(fēng)氣系統(tǒng)回收。一次上吹制氣階段：自下而上送入水蒸汽進(jìn)行氣化反應(yīng)，燃料層下部溫度下降，上部升高。工藝流程：水蒸汽和加氮空氣一煤氣爐底部

7、一燃料層一爐頂一上旋風(fēng)除塵器一廢熱鍋爐一洗氣箱一洗氣塔一煤氣總管一氣柜下吹制氣階段：水蒸汽自上而下進(jìn)行反應(yīng)，使燃料層溫度趨下均衡。工藝流程：蒸汽（不加空氣） 爐頂燃料層爐底廢熱鍋爐 洗氣箱洗氣塔 煤氣總管 氣柜二次上吹制氣階段：使底部下吹煤氣排凈，為吹入空氣做準(zhǔn)備。工藝流程與一次上吹階段相同。空氣吹凈階段：此部分吹風(fēng)氣加以回收，作為半水煤氣中氮的主要來源。工藝流程： 空氣煤氣爐底部 燃料層爐頂上旋風(fēng)除塵器 廢熱鍋爐 洗氣箱 洗氣塔煤氣總管氣柜（2）工藝條件：溫度：爐溫應(yīng)較熔點(diǎn)溫度低50C吹風(fēng)速度：吹風(fēng)速度直接決定放熱。蒸汽用量：是改善煤氣質(zhì)量和提高煤氣產(chǎn)量的重要手段之一。循環(huán)時(shí)間及其分配：等于

8、或略少于 3mi n2.4.2凈化工段 （1）原料氣的脫硫：合成氨原料氣中，一般總含有一定數(shù)量的無機(jī)硫化物（主要是硫化氫H2S）,其次是有機(jī)硫化物如二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS）、硫醇（RSH）、噻吩 （C4H4S ）等濕法脫硫：在吸收塔中用液體吸收劑（脫硫劑）吸收煤氣中的硫化氫，而后再將吸收 劑再生，再生后的吸收劑再送回吸收塔中循環(huán)使用。按硫的回收形態(tài)，可分為循環(huán)法和氧化法。循環(huán)法：（以氨水脫硫?yàn)槔㎞H3 H2O+H2S=NH4HS+H2O氧化法：（改良 ADA 法）脫硫塔中的反應(yīng)：Na2CO3+H2STaHS+NaHCO32NaHS+4NaVO3+H2OTa2V4O9+4NaOH

9、+2SNa2V4O9+2ADA（氧化態(tài)）+2NaOH+H2OTNaVO3+2ADA（還原態(tài)）再生塔中反應(yīng)：2ADA （還原態(tài)）+O22ADA （氧化態(tài)）+H2O干法脫硫（氧化鋅法最為常見）脫硫反應(yīng)：ZnO+H2S=ZnS+H2OZnO+C2H5SH=ZnS+C2H5OHZnO+C2H5SH=ZnS+C2H4+H2O氧化鋅脫硫劑：以ZnO為主體，其余為AI2O3,還有的加入CuO、M0O3、TQ2、MnO2、MgO 等以增進(jìn)脫硫效果。（ 2）一氧化碳變換：一氧化碳不僅不是合成氨所需的直接原料，而且對(duì)氨合成催化劑有毒害作用，因此原料氣送往合成工序之前必須將一氧化碳徹底清除。主反應(yīng)：CO+H2O C

10、O2+H2 Mo298=-41.19KJ/mol副反應(yīng)：CO+H2 C+H2OCO+3H2 二 CH4+H2O二氧化碳的除凈：原料氣經(jīng) CO變換后都含有相當(dāng)量的CO2, CO2的存在對(duì)下步 的反應(yīng)不利，但其又是制造尿素、碳酸氫銨、純堿等工業(yè)的原料。根據(jù)所用吸收劑的性 質(zhì)不同，可分為物理吸收和化學(xué)吸收兩類。物理吸收法利用二氧化碳能溶解于水或有機(jī)溶劑來完成的。常用的有水、甲醇、碳 酸丙烯酯、磷酸三丁酯等。化學(xué)吸收法是用氨水、碳酸鉀、有機(jī)胺等堿性溶液為吸收劑，基于二氧化碳是酸性 氣體能與溶液中的堿性物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而將其吸收。原料氣的精制：經(jīng)一氧化碳變換和二氧化碳脫除后的原料氣尚有少量含有少量的 一

11、氧化碳和二氧化碳會(huì)對(duì)氨合成催化劑毒害。方法有銅氨液吸收、甲烷化法、深冷液氮 洗滌法、變壓吸附法。2.4.3合成氨工段(1)氨的合成：0.5N2+1.5H2NH3+46.22kJ/mol氨合成反應(yīng)為氣固非均相反應(yīng)。當(dāng)氣流速度較大、催化劑粒度足夠小時(shí)，整個(gè)過程 速度為動(dòng)力學(xué)控制。工藝條件選擇：最佳溫度：(400500C )。壓力：中小型廠2032MPa；大型廠15MPa）?？臻g速度：中壓法空速（30Mpa）, 2000030000h-1低壓法空速（15Mpa）, 10000h-1。（ 2）氨的分離：氫氮混合氣經(jīng)過合成塔催化劑床反應(yīng)后,只有很少部分氫氮?dú)夂铣蔀?氨,產(chǎn)物與未反應(yīng)的氫氮?dú)庖黄痣x開合成塔

12、,因此需要進(jìn)行氨的分離。分離方法有： 冷凝法：把含氨混合氣冷卻, 使其中大部分氨冷凝與循環(huán)氣分開。 目前工業(yè)上常用此法 水吸收法：此法利用氨易溶于水得到濃氨水,氨水經(jīng)蒸餾、冷凝成為液氨。缺點(diǎn)：能耗 較大,工廠用之較少。有機(jī)溶劑吸收法（三甘醇等） ：溶劑易揮發(fā)至混合器中分離不凈對(duì)催化劑有影響,用之 較少。合成氨的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)中,氨占有重要地位,特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。氨主要用來制 作化肥。液氨可以直接用作肥料,它的加工產(chǎn)品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以 及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。氨也是非常重要的工業(yè)原料,在化學(xué)纖維、塑料工業(yè)中,則以氨、硝酸和尿素作為 氮元素的來源生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍

13、-6、丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產(chǎn)品。由氨制成的硝酸,是各種炸藥和基本原料,如三硝基申苯,硝化甘油以及其它各種 炸藥。硝酸銨既是優(yōu)良的化肥,又是安全炸藥,在礦山開發(fā)等基本建設(shè)中廣泛應(yīng)用。氨在其他工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機(jī)械加工 等部門以及輕工、 食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中， 氨及其加工產(chǎn)品都是不可缺少的。 例如制冷、 空調(diào)、食品冷藏系統(tǒng)大多數(shù)都是用氨作為制冷劑。 .3.1 氨氣用途a：工業(yè)上用氨氣來通過氧化制造硝酸，而硝酸是重要的化工原料。b:制造化肥。氨水用途氨水是實(shí)驗(yàn)室重要的試劑軍事上作為一種堿性消毒劑，用于消毒沙林類毒劑。常用的是10%濃度的稀氨水（密 度 0.9

14、60），冬季使用濃度則為 20%。無機(jī)工業(yè)用于制選各種鐵鹽。毛紡、絲綢、印染等工業(yè)用于洗滌羊毛、呢絨、坯布，溶解和調(diào)整酸堿度，并作為助染劑等。有機(jī)工業(yè)用作胺化劑，生產(chǎn)熱固性酚醛樹脂的催化劑。醫(yī)藥上用稀氨水對(duì)呼吸和循環(huán)起反射性刺激，醫(yī)治暈倒和昏厥，并作皮膚刺激藥和消毒藥。也用作洗滌劑、中和劑、生物堿浸出劑。還用于制藥工業(yè)，紗罩業(yè)，曬圖等。我國合成氨工藝技術(shù)現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢(shì)我國的氮肥工業(yè)自20世紀(jì)50年代以來，不斷發(fā)展壯大，目前合成氨產(chǎn)量已躍居世 界第一位,現(xiàn)已掌握了以焦炭、無煙煤、焦?fàn)t氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料 生產(chǎn)合成氨、尿素的技術(shù)，形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中

15、、小生產(chǎn) 規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。4.1大型合成氨生產(chǎn)工藝技術(shù)現(xiàn)狀以煤為原料的魯奇粉煤氣化工工藝1套德士古水煤漿氣化工藝1套以天然氣和石腦油為原料凱洛格傳統(tǒng)工藝9套凱洛格-TEC工藝2套托普索工藝3套節(jié)能型的AMV工藝2套布朗工藝4套以渣油為原料的德士古渣油氣化工藝4套謝爾氣化工藝3套4.2中、小型合成氨生產(chǎn)工藝技術(shù)現(xiàn)狀我國目前有中型合成氨裝置55套,生產(chǎn)能力約為500萬t /a;其下游產(chǎn)品主要是尿素和硝酸銨；其中以煤、焦為原料的裝置有34套,以渣油為原料的裝置有9套，以氣為原料 的裝置有12套。目前有小型合成氨裝置700多套,生產(chǎn)能力約為3 000萬t /a;其下游產(chǎn)品原來主要是碳酸氫銨 , 現(xiàn)

16、有112套經(jīng)過改造生產(chǎn)尿素。原料以煤、焦為主 ,其中以煤、焦 為原料的占 96% , 以氣為原料的僅占 4%。4.3合成氨技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)大型化、集成化、自動(dòng)化 , 形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來 合成氨裝置的主流發(fā)展方向。在合成氨裝置大型化的技術(shù)開發(fā)過程中 , 其焦點(diǎn)主要集中 在關(guān)鍵性的工序和設(shè)備 , 即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術(shù)、合成氣壓縮機(jī)：在 低能耗合成氨裝置的技術(shù)開發(fā)過程中 , 其主要工藝技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。以“油改氣”和“油改煤為”核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工” 為核心的產(chǎn)品 結(jié)構(gòu)調(diào)整, 是合成氨裝置“ 改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的有效途徑。實(shí)

17、施和環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)時(shí)未來合成氨裝置的必須和唯一的選擇。提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性 , 延長運(yùn)行周期是未來合成氨裝置 改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力 的必要保證。研究合成氨對(duì)化學(xué)化肥的意義 生產(chǎn)和使用化肥，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的 不同歷史階段，有不同的主要肥源。 20世紀(jì)初，由于大規(guī)模合成氨方法的問世，化肥工 業(yè)獲得迅速發(fā)展，并已成為發(fā)達(dá)國家傳統(tǒng)的工業(yè)基礎(chǔ)之一。當(dāng)今一座年產(chǎn) 30萬噸合成 氨或 50 萬噸尿素的化肥廠，一年能生產(chǎn)的氮素，大約相當(dāng)于種植 80萬公頃豆科綠肥或 飼養(yǎng) 3000 萬頭豬的豬廄肥所能提供的氮素。更為重要的是，化肥作為一種新肥源，突 破了農(nóng)業(yè)（廢）副

18、產(chǎn)品還田和農(nóng)業(yè)物質(zhì)自然（有機(jī)）循環(huán)的局限。它可以完全不依賴于 土地及作物本身，不受氣候和其他自然條件的影響，采用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的方法，大量提 供作物必需的養(yǎng)分，從而在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中大放異彩。農(nóng)業(yè)發(fā)展的統(tǒng)計(jì)結(jié)果認(rèn)為，糧食產(chǎn)量 主要與這些化學(xué)指數(shù)（單位面積 N+P2O5+K2O 施用量）呈密切相關(guān)。人口密度高的國 家，化學(xué)化發(fā)展越快，化學(xué)化指數(shù)越高。 -這已為一個(gè)多世紀(jì)來不同國家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化 實(shí)踐所證明，那些耕地潛力有限的國家，如西歐各國和日本，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代都從增施化肥起 步。即在一個(gè)時(shí)期內(nèi)，主要以化肥形式對(duì)農(nóng)業(yè)增加投入，以提高作物單產(chǎn)為首要目標(biāo)， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化。從 20世紀(jì) 70年代以后，發(fā)展中國家如中國、印度和一些亞洲國 家，其化肥使用水平提高很快，這也是其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的主要原因。從發(fā)展趨勢(shì)看，化學(xué)肥料的生產(chǎn)和施用，主要是提高肥料濃度，發(fā)展二元、三元復(fù) 合肥料或液化肥料，并采用顆粒肥料和深層施肥法。雖然有機(jī)肥料不可忽視，但是，現(xiàn) 在化學(xué)肥料仍在增產(chǎn)中占有重要地位。據(jù)聯(lián)合國糧食組