合成氨条件的选择

合成氨条件的选择第1页/共26页一、合成氨工业简介1909年德国化学家哈伯成功建立了第一套合成氨的实验装置，产量80g/小时。在此基础上1913年德国化学工程专家波施建立了第一个工业规模的合成氨工厂，产量为7000吨/年，所以合成氨的方法又叫做哈伯-波施法。目前，全球氨产量约为650万吨/年。近年来，合成氨装置大型化是世界合成氨发展的主流趋势。现世界最大单系列合成氨装置为阿根廷Profertil公司的2050吨/天装置；而3000吨/天(约100万吨/年)的单系列合成氨装置将于2005年投产，4000吨/天规模的装置也已完成初步设计。第2页/共26页目前我国合成氨年产量已居世界第1位，但是，单系列装置规模较小，已经无法适应世界合成氨的发展趋势。据有关资料统计，我国合成氨平均规模为5万吨/年。而俄罗斯的平均规模为40万吨/年；美国为30万吨/年以上。第3页/共26页假如你自己就是一个合成氨工厂的厂长，你最关心的是什么？对整个生产过程会有怎样的要求？提高单位工作时间内产品的产量产品生产周期短（生产的快）产品的产率高（生产的多）好的经济效益第4页/共26页【问题】1、合成氨反应的化学方程式为：N2+3H22NH3(正反应为放热反应)，分析该反应的特点。一个正反应为放热、气体总体积缩小的可逆反应。2、针对反应特点，分别从化学反应速率和化学平衡两个方面思考，讨论并完成下表。第5页/共26页使氨生成的快（反应速率）

使氨生成的多（化学平衡）浓度压强温度催化剂高压高温使用无影响高压低温增大浓度增大反应物浓度；减小生成物浓度是一个正反应为放热、气体总体积缩小的可逆反应。合成氨反应N2+3H22NH3第6页/共26页(1)既然增大压强能提高反应速率和氨的产量，那是否工业上采用的压强越大越好？(3)催化剂对化学平衡并没有影响，那为何工业上还要使用催化剂？(2)降低温度有利于生成氨，那是否温度越低越好？【讨论题】

使用催化剂时,应考虑哪些因素?第7页/共26页二、工业合成氨的适宜条件1.压强：3.催化剂：2.温度：4.浓度：

20MPa～50MPa(受动力、材料、设备等实际条件的影响)500℃左右(温度过低,速率慢,不经济;还应考虑催化剂的活性对温度的要求)N2、H2的再循环并及时补充N2和H2——

增大反应物的浓度及时将氨冷却并从平衡气体中分离——降低生成物的浓度铁触媒(加快反应速率,大大缩短到达平衡的时间)第8页/共26页合成氨生产示意图

【小结】合成氨的方程式(补充条件)：N2+3H22NH3Fe、500℃20MPa～50MPa合成氨工厂N2+3H22NH3高温、高压催化剂

第9页/共26页3.既要注意--------上的要求，又要注意--------操作中的可能性。三、选择适宜化工生产条件的原则：1.既要考虑外界条件对

-----------------和-----------影响的-----------，又要考虑外界条件对两者影响的-----------。2.既要注意--------、---------对化学反应速率影响的一致性，又要注意温度对---------------的影响。化学反应速率化学平衡矛盾性一致性温度催化剂催化剂活性理论实际第10页/共26页催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一但制成催化剂之后，便可以永远地使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。接着催化剂在一段时间里保持稳定，然后再逐渐下降，直至不能再使用。催化剂催化活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。催化剂中毒

第11页/共26页催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中的铁触媒催化剂，氧气、二氧化碳、一氧化碳和水蒸气都能使催化剂中毒，但利用纯净的氢氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性的中毒。相反，含磷、硫、砷的化合物则可使催化剂永久失去催化活性。催化剂永久性中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氮、氢混合气体处理，活性也很难恢复。第12页/共26页催化剂中毒会严重影响生产的正常进行，工业生产中为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去有毒物质，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。第13页/共26页第14页/共26页二、硫酸的工业制法第15页/共26页思考：怎样制取硫酸？H2SO4SO3SO2SFeS2H2OO2O2O2①二氧化硫气体的制备S＋O2SO2点燃4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2

高温②二氧化硫的催化氧化催化剂③三氧化硫的吸收

SO3＋H2O→H2SO41、接触法制硫酸的主要反应过程一、硫酸的工业制法-----接触法2SO2＋O22SO3第16页/共26页①二氧化硫的制取和净化发生的反应生产设备沸腾炉2、硫酸生产过程简介4FeS2＋11O2==2Fe2O3＋8SO2

高温第17页/共26页黄铁矿空气矿渣SO2、O2、N2第18页/共26页

为什么要将黄铁矿粉碎成细小矿粒？

为什么要从炉底通入强大空气流？讨论第19页/共26页

②二氧化硫氧化成三氧化硫

生产设备：接触室发生的反应：2SO2＋O22SO3+QV2O5接触氧化的三个适宜条件：

压强用常压；温度为400℃～500℃；催化剂主要为V2O5。第20页/共26页经净化的SO2、O2SO2、O2

SO3冷气体热气体温度较低的气体温度较高的气体接触室第21页/共26页③三氧化硫跟水化合生成硫酸

发生的反应：SO3＋H2O→H2SO4

用98.3%浓硫酸吸收三氧化硫生产设备：吸收塔第22页/共26页98.3%H2SO4吸收塔尾气发烟H2SO4SO3O2、SO2、N2第23页/共26页三阶段SO2的制取和净化SO2氧化成SO3吸收SO3生成硫酸原料三方程

高温4FeS2+11O2====2Fe2O3+8SO2

催化剂2SO2+O22SO3400-500℃SO3+H2O→H2SO4三设备沸腾炉接触室吸收塔工艺要求黄铁矿(硫磺)、空气98.3%浓硫酸铁矿粉碎，炉气净化用两层催化剂用热交换器用98.3%的浓硫酸吸收SO3

-----------接触法制硫酸小结接触氧化的三个适宜条件：压强用常压；温度为400℃～500℃；催化剂主要为V2O5。第24页/共26页

【例】含二氧化硅的黄铁矿样品10g在空气中充分燃烧，最后剩余8g残渣（残渣中不含硫元素）。又知在接触法制硫酸的生产中，有2%的硫受损失混入炉渣。用上述黄铁矿150t,可制得98%的浓硫酸多少吨？

解：设10g黄铁矿中FeS2的质量为x

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO24×120g2×160gx10g–8g=2gx=

6g黄铁矿中