合成氨

概括：这道题是华材薪同学的课后化学练习题，主要是关于合成氨，指导老师为谭老师。

题目：合成氨

氨合成的生产工艺条件必须满足产量高,消耗定额低,工艺流程及设备结构简单,操作方便及安全可靠等要求.决定生产条件的因素是压力、温度、空间速度、气体组成和催化剂等.

一、压力

提高压力,对氨合成反应的平衡和反应速率都是有利的,在一定的空速下,合成压力越高,出口氨浓度越高,氨净值越高,合成塔的生产能力也越大.氨产率是随着压力的升高而上升的.

氨合成压力的高低,是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素.氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压缩功,循环气压缩功和氨分离的冷冻功.提高操作压力,原料气压缩功增加.但合成压力提高时由于氨净值增高,单位氨产品所需的循环气量减少,因而循环气压缩功减少.同时压力高也有利于氨的分离,在较高温度下气氨即可冷凝为液氨,冷冻功减少.实践证明,操作压力在 20~35MPa时总能量消耗较低.

二、温度

氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行,而催化剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性,所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性温度范围内.

通常,将某种催化剂在一定生产条件下具有最高氨生成速率的温度称为最适宜温度,不同的催化剂具有不同的最适宜温度,而同一催化剂在不同的使用时期,其最适宜温度也会改变.例如,催化剂在使用初期活性较强,反应温度可以低些；使用中期活性减弱,操作温度要提高；使用后期活性衰退,操作温度要比使用中期更提高一些.此外,最适宜温度还和空间速度,压力等有关.

空间速度对最适宜温度的影响.在一定空速下,开始时氨产率随着温度的升高而增加；达到最高点后,温度再升高,氨产率反而降低,不同的空间速度都有一个最高点,也就是最适宜温度.所以为了获得最大的氨产率,合成氨的反应随空间速度的增加而相应的提高,在最适宜温度以外,无论是升高或降低温度,氨产率都会下降.

催化剂层内温度分布的理想状况应该是降温状态,即进催化剂层的温度高,出催化剂层的温度比较低,这是一个高速反应（催化剂层上部）与最大平衡（催化剂层下部）相结合的方法,因为刚进入催化剂层的气体中含氨量低,距离平衡又远,需要迅速地进行合成反应以提高含氨量,因此催化剂层上部温度高就能加快反应速率.当气体进入催化剂层下部,气体中含氨量已增高了,催化剂温度低就可以降低逆反应速率,从而提高了气体中平衡氨含量.

催化剂层中温度分布是不均匀的,其中温度最高的点称为热点.

三、空间速度

当操作压力、温度及进塔气组成一定时,对于既定结构的合成塔,增加空间速度也就是增快气体通过催化剂床层的速度,气体与催化剂接触时间缩短,使出塔气中氨含量降低,即氨净值降低.但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少,所以当空速增加时,氨合成的生产强度有所提高,氨产量有所增加.在其他条件一定时,增加空间速度能提高催化剂生产强度.但空速增大,将使系统阻力增大,压缩循环气功耗增加,冷冻功也增大.同时,单位循环气量的产氨量减少,所获得的反应热也相应减少.当单位循环气的反应热降到一定程度时,合成塔就难以维持“自热”.

一般中压法合成氨,空速在20000～40000h－1之间.

四、合成塔进塔气体组成

合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量.当氢氮比为3时,可获得最大的平衡氨浓度,但从氨的反应机理可知,氮的活性吸附是氨合成反应过程中控制步骤,因此适当提高氮气浓度,对氨合成反应速率是有利的.在实际生产中,进塔循环气的氢氮比控制在2.5～2.9比较合适.由于氨合成时氢氮比是按3:1而消耗的,因此补充的新鲜气的氢氮比应控制在3,否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来,造成循环气中氢氮失调.

惰性气体（CH4、Ar）不参加反应,但由于它的存在会降低氢氮气的分压,对化学平衡和反应速率都是不利的,导致氨的生成率下降.同时,由于惰性气体不参与反应,当通过合成塔时,会将塔中的热量带走,造成催化剂层温度下降,而且,还会使压缩机作虚功.

惰性气体来自新鲜气.随着合成反应的进行,惰性气体留在循环气中,新鲜气又不断补充在循环气中,这样循环气中的惰性气体会越来越多,因此必须将惰性气体排出.生产中采用不断排放少量循环气的办法来降低系统惰性气体含量.放空量增加,可使循环气中惰性气体含量降低,提高合成率,但是氢和氮也随之被排出,从而造成氢氮气的损失增大.因此,控制循环气中的惰性气体含量过高或过低都是不利的.

循环气中惰性气体含量的控制,还与操作压力和催化剂活性有关.操作压力较高及催化剂活性较好时,惰性气体含量高一些,也能获得较高的合成率.相反,循环气中惰性气体含量就应该低一些.一般循环气中惰性气体含量控制在12%～18％较为合适.

目前一般采用冷凝法分离反应后气体中的氨,由于不可能把循环气中的氨完全冷凝下来,所以返回合成塔进口的气体多少还含有一些氨.进塔气中的氨含量,主要决定于进行氨分离时冷凝温度和分离效率.冷凝温度愈低,分离效果愈好,进塔气中氨含量也就愈低.降低进塔气中氨含量,可以加快反应速率,提高氨净值和催化剂的生产能力.但将进口氨含量降得过低.势必将循环气冷至很低的温度,使冷冻功耗增大.

合成塔进口氨含量的控制也与合成压力有关.压力高,氨合成反应速率快,进口氨含量可控制高些,压力低,为保持一定的反应速率,进口氨含量应控制得低些.当采用中压时,进塔气中氨含量控制在3.2%～3.8％.

参考思路：

这个问题需要说的具体些，合成氨哪个过程或者哪个点的控制。

合成氨工艺已相当成熟，一班按工艺包提供的设计值操作就行啦。

举一反三

例1： 合成氨条件的选择工业上用以合成氨的原料气——氢气,来源之一是取自石油气,如用丙烷在一定条件下与水反应：C3H8+H2O→CO2+H2,按此原理1mol丙烷最多可制氨气约为[化学练习题]

C3H8+6H2O→3CO2+10H2

N2+3H2==2NH3

所以最多制取NH3 10÷3×2=20/3mol

希望能帮到您,我用的是手机,收不到追问,也无法补充回答,如果有疑问请发消息给我~O(∩_∩)O

例2： 煤合成氨的工艺条件煤如何制造合成氨[化学练习题]

合成氨

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.合成氨是大宗化工产品之一,世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上,其中约有80%的氨用来生产化学肥料,20%作为其它化工产品的原料.

德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法,即“循环法”,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.合成氨反应式如下：

N2+3H2≈2NH3

合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料.经过近百年的发展,合成氨技术趋于成熟,形成了一大批各有特色的工艺流程,但都是由三个基本部分组成,即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程.

1.合成氨的工艺流程

(1)原料气制备 将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气.对于固体原料煤和焦炭,通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油,工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气.

(2)净化 对粗原料气进行净化处理,除去氢气和氮气以外的杂质,主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程.

① 一氧化碳变换过程

在合成氨生产中,各种方法制取的原料气都含有CO,其体积分数一般为12%~40%.合成氨需要的两种组分是H2和N2,因此需要除去合成气中的CO.变换反应如下：

CO+H2OH→2+CO2 =-41.2kJ/mol 0298HΔ

由于CO变换过程是强放热过程,必须分段进行以利于回收反应热,并控制变换段出口残余CO含量.第一步是高温变换,使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换,将CO含量降至0.3%左右.因此,CO变换反应既是原料气制造的继续,又是净化的过程,为后续脱碳过程创造条件.

② 脱硫脱碳过程

各种原料制取的粗原料气,都含有一些硫和碳的氧化物,为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒,必须在氨合成工序前加以脱除,以天然气为原料的蒸汽转化法,第一道工序是脱硫,用以保护转化催化剂,以重油和煤为原料的部分氧化法,根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置.工业脱硫方法种类很多,通常是采用物理或化学吸收的方法,常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等.

粗原料气经CO变换以后,变换气中除H2外,还有CO2、CO和CH4等组分,其中以CO2含量最多.CO2既是氨合成催化剂的毒物,又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料.因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求.

一般采用溶液吸收法脱除CO2.根据吸收剂性能的不同,可分为两大类.一类是物理吸收法,如低温甲醇洗法(Rectisol),聚乙二醇二甲醚法(Selexol),碳酸丙烯酯法.一类是化学吸收法,如热钾碱法,低热耗本菲尔法,活化MDEA法,MEA法等.4

③ 气体精制过程

经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2.为了防止对氨合成催化剂的毒害,规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数).因此,原料气在进入合成工序前,必须进行原料气的最终净化,即精制过程.

目前在工业生产中,最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法.深冷分离法主要是液氮洗法,是在深度冷冻(

例3： 合成氨反应的平衡常数很小,所以在工业上采取气体循环的流程.即反应后通过把混合气体的温度降低到_...合成氨反应的平衡常数很小,所以在工业上采取气体循环的流程.即反应后通过把混合[化学练习题]

反应后通过把混合气体的温度降低到氨的熔点以下使氨分离出来；继续循环的气体是H2 N2.

例4： (4)工业上合成氨,合成后采用加压降温液化方法从混合气体中分离氨,能用上述方法的原因是?额、回答具体一点!是一个推断题的最后一问.如果你们有人做过,把答案打上来吧.自己能阐述理由更[化学练习题]

工业上合成氨是一个可逆反应,反应的化学方程式为：

N2+3H2﹤=﹥2NH3,增大压强使化学平衡向气体体积缩小的方向移动,而正反应是气体缩小的方向,所以增大压强有利于氨的合成；

氨气易液化,而氢气、氮气不易液化,所以降温氨气液化,易分离出氨,减少了生成物的浓度,化学平衡向正反应方向移动,有利于氨的合成.

相关思考练习题：

题1：合成氨的生产过程是怎样的？

点拨：反应原理 N2+3H2===高温高压，催化剂==2NH3 分离液态空气得到N2， 从石油化工产品 如 CH4等与水反应得到H2 ，然后把气体通入合成塔，在一定条件下--主要是铁为主题的多成分催化剂， 500度左右，20~~50MPa,充分反应， 采取冷却的方法，使气态NH3...

题2：工业合成氨的化学方程式是什么？

点拨：N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) 1、生产能力和产量 合成氨是化学工业中产量很大的化工产品合成氨工业，1982年，世界合成氨的生产能力为125Mt氨,但因原料供应、市场需求的变化，合成氨的产量远比生产能力要低。合成氨产量以俄罗斯、中国、美国、印度等十国...

题3：合成氨工业中分离氨气的方法

点拨：合成氨工业中分离氨气的方法——降低温度使氨气液化储存在钢瓶中。 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。现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。合成氨工业在20世纪初期形成，开始用...

题4：利用天然气合成氨和生产甲醇的化学方程式

点拨：转化反应:CH4+H2O=CO+3H2 CH4+2H2O=CO2+4H2 CH4+CO2=2CO+2H2 CO+H2O=CO2+H2 合成反应:CO+2H2=CH3OH CO2+3H2=CH3OH+H2O

题5：合成氨的工艺流程是什么？

点拨：合成氨的主要工艺过程有哪些？各过程的作用是什么？ 第一步是原料气的制备。采用合成法生产氨，首先必须制备含氢和氮的原料气。它可以由分别制得的氢气和氮气混合而成，也可同时制得氢氮混合气。 第二步是原料气的净化。制取的氢氮原料气中都含...