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河北科技大学 化学与制药工程学院

化工工艺学 —— 无机部分. 河北科技大学 化学与制药工程学院. 主讲人：赵风云. 化学工程与化学工艺的区别？. 化学过程. 化学工艺. 化学工程. 以生产产品为目的. 以强化过程为目的. 工艺路线、流程. 单元操作. 两者相辅相承，密不可分. 未反应物料循环. 副产物综 合利用. 两者是密不可分，它们相配合，可解决化工过程中的各种问题。. 例 1 氨的合成. (1) 氰化法. CaC 2 ＋ N 2 → CaCN 2 +C CaCN 2 +3H 2 O → CaCO 3 +2NH 3. 化学工艺. 实现上述反应，工业上构建的工艺流程.

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Presentation Transcript

  1. 化工工艺学 ——无机部分 河北科技大学 化学与制药工程学院 主讲人：赵风云

  2. 化学工程与化学工艺的区别？ 化学过程 化学工艺 化学工程 以生产产品为目的 以强化过程为目的 工艺路线、流程 单元操作 两者相辅相承，密不可分

  3. 未反应物料循环 副产物综 合利用 两者是密不可分，它们相配合，可解决化工过程中的各种问题。

  4. 例1 氨的合成 (1) 氰化法 CaC2＋N2 →CaCN2+C CaCN2+3H2O →CaCO3+2NH3 化学工艺 实现上述反应，工业上构建的工艺流程

  5. (2)直接合成法 N2+3H2→2NH3 根据氢气和氮气来源的不同，构成不同的工艺 1）电解水+空气分离 构建由不同单元操作连接的工艺流程 2）碳+水蒸汽+空气 高温反应生成氢+氮+CO+CO2 化学工艺的内容 强化单元操作，提高各单元操作效率 化学工程的内容

  6. CO+H2O CO2+H2 例2 变换反应过程 反应方程式： 高温：280-400 ℃ 半水煤气首先升温，在高温反应，然后降温。 根据采用的催化剂不同，反应器操作温度不同，工艺流程也有所不同。 化学工艺的研究内容。 化学工艺的不同

  7. (1) 中变流程 采用中温变换催化剂，操作温度为350-430 ℃

  8. (2) 中串低变

  9. （3）全低变流程

  10. （4）化学工程开发的典范---垂直筛板塔的推广应用（4）化学工程开发的典范---垂直筛板塔的推广应用 强化气液接触效果，提高塔传质效率。 饱和热水塔改造，在全国上百个合成氨厂推广。 正元公司集团

  11. 例3 甲醇制烯烃 裂解 石油 乙烯丙烯 可使用50年 煤 合成气 甲醇 ？ 乙烯丙烯 可使用200年 工艺的改变往往是革命性的革新

  12. 无机化工工艺学 • 无机化工工艺学是大学化工专业的一门专业课，研究无机物生产工艺的学科，知识面宽，是化学基础理论知识在实际生产中的应用。 • 涉及到的学科：无机化学、物理化学、分析化学、化工原理、化工设计概论、化工设备。 • 主要产品：硫酸、硝酸、盐酸、纯碱、烧碱、合成氨、化学肥料。 • 涉及到的设备：换热装置、分离装置、反应装置、流体输送设备。 • 无机化工特点：生产量大、原料易得、设备庞大、附加价值低、用途广泛。

  13. 课程的基本内容 第一章 绪论 第二章 粗原料气的制取 第三章 一氧化碳变换 第四章 硫化物的脱除 第五章 二氧化碳的脱除 第六章 原料气的精制 第七章 氨合成 第八章 尿素生产简介

  14. 第一章 绪 论 第一节 氨的发现与制取 第二节 合成氨生产技术发展 第三节 我国氨合成工业的发展方向 第四节 合成氨生产的典型流程 第五节 氨的性质和用途

  15. 本章节的重点 了解合成氨的原料种类 氨生产的工艺种类 合成氨所需要的理论能耗 掌握氨的物理和化学性质 氨的用途

  16. 第一节 氨的发现与制取 1、氨的发现 1754年 普里斯特利(J．Priestley) 在加热氯化铵和石灰混合物时发现了氨 30年 1784年 伯托利(CLBenhdle) 确定氨的组成：氮和氢 19世纪中叶，炼焦工业兴起 焦炉气除氢、甲烷等外。含氨8-11g/m3。 但因回收的氨量不能满足需要，促使人们研究从空气中将游离态氮转变成氨的方法。

  17. (一)氰化法 1898年弗兰克(A．Frank)等人发现 CaC2＋N2 _→CaCN2+C CaCN2+H2O →CaCO3+2NH3 1000℃ 1905年在德国建成世界第一座氰氨化钙的工业装置。氨主要用于炸药。

  18. (二)直接合成法 N2+3H2→2NH3 高压、高温和有催化剂 1901年，法国化学家吕.查得利进行实验，不幸混入空气 失败 爆炸 德国物理化学家纳斯特根据化学热力学原理计算 错误热力学数据 不可能 1905年，德国化学家哈伯计算不同压力温度下氨的平衡含量，从理论上证明此反应可行 循环法 2500配方 催化剂： 锇 铀 铁 6500次实验

  19. 1918年诺贝尔化学奖 哈伯,F. Fritz Haber 1868～1934 德国物理化学家 1909年7月2日,哈伯在实验室内在17.5～20MPa和500 ～ 600℃下进行合成氨的实验，得到6％氨。其后,在博施的协助下,成功地解决了工业生产中的技术问题（如氢对钢材的腐蚀、高压反应器的结构、制取氢氮原料气的方法）。

  20. 氮 空气 块煤 粉煤 氨 煤 水煤桨 氢 燃料 焦炭 重油 石脑油 电解 渣油 水 天然气 石油炼厂气 焦炉气 一、 合成氨的原料 第二节 合成氨生产技术发展

  21. 焦炉气 煤 水煤浆

  22. 二 合成氨生产技术发展 1 传统型蒸汽转化制氨工艺阶段 2 低能耗制氨工艺阶段 3 部分氧化的重油或煤气化 4 传统型制氨装置的节能增产改造 5 装置单系列产量最大化阶段

  23. 世界第一 总 产 量： 5万吨→4500万吨 1）、生 产 能 力 生产规模： 1000吨→45万吨(50万吨) 日 产 量： 1040吨 流程改进： 高能耗→节能型 45.6GJ 28.9GJ

  24. 2）、热能综合利用：能耗降低 制气1000℃→常温脱硫→ 450℃变换→常温（低温）脱碳→490 ℃氨合成。 实际能耗： 理论能耗 ：20.15 GJ • 天然气为原料的大型氨厂： • 日产1000t的合成氨装置吨氨能耗已从40.19GJ 29.31GJ。 (2)天然气为原料的中型氨厂： 日产450t氨的LCA工艺，实际吨氨能耗为29.31GJ。 (3)煤为原料的小型氨厂： 生产规模为年产25kt氨尽量减少蒸汽消耗、充分回收和合理利用工艺余热，已经做到合成氨生产蒸汽自给。每吨氨耗原料煤1000kg、耗电1000kwh，总能耗42.28GJ。

  25. 3）、自动化程度提高 微机控制 连锁装置 报警装置 自动分析仪器 4）、 操作环境的改善 5）、 新技术的应用

  26. 第三节 我国氨合成工业的发展及方向------从建设中型氮肥厂开始 1956年，化工部化工设计院自行设计年产7.5万吨合成氨装置以及建设了四川化工厂。 1958年，原化工部氮肥设计院编制了年产5万吨合成氨的定型设计，相继建成了衢州化工厂合成氨分厂、吴泾化工厂和广州氮肥厂。 1964～1966年，我国建设了四川泸州天然气化工厂。其合成氨装置从英国引进，采用天然气加压蒸汽转化法制合成氨原料气，年产合成氨10万吨；其尿素装置从荷兰引进，采用水溶液全循环法，年产尿素16万吨。 1965年，陕西兴平化肥厂开始建设从意大利引进的年产5万吨合成氨重油加压部分氧化法装置，国内配套合成氨、硝酸、硝铵部分，于1970年建成投产。与此同时，还采用加压碳化法合成氨流程制碳酸氢铵工艺，之后又相继建成了宝鸡等8个厂。

  27. 我国第一套自主设计自主建设的年产2.5万吨合成氨装置 1963年9月投产时的上海吴泾化工厂，因厂区及环保问题已于2007年9月拆除

  28. 我国小氮肥的发展和壮大 目前，15套“18/30”装置，90多套“8/13”装置 九十年代，40000吨/年 八十年代，15000吨/年 文化大革命，5000吨/年 始于大跃进，800吨/年 200个

  29. 三、现有合成氨装置及生产能力 大型氨装置：现有35套30万t/a • 天然气(油田气) 17套 • 轻油6套 • 重油9套 • 煤3套。 上海吴泾化工厂和华鲁恒升化工有限公司为国产化装置，其他国外引进。

  30. 中型氮肥装置 55套，生产能力约为500万t/a • 以煤、焦为原料的装置有34套 • 以渣油为原料的装置有9套 • 以气为原料的装置有12套。 • 下游产品主要是尿素和硝酸铵

  31. 小型合成氨装置 • 其下游产品原来主要是碳酸氢铵，现有112套经过改造生产尿素。 经4改6或1830工程 • 以煤、焦为原料的占96%，以气为原料的仅占4%。 700多套，生产能力约为3000万t/a

  32. 小氮肥企业协会寿终正寝 • 2007年11月27日，全国小氮肥第13次技术经验交流会是以小氮肥名义召开的最后一次会议——此后小氮肥协会将载入史册。

  33. 目前： • 以煤为原料的合成氨产量约占其总产量的64％。 • 以油为原料的合成氨产量约占14％， • 以天然气为原料的合成氨产量约占22％。

  34. 第四节 合成氨生产的典型流程 中压 (10MPa) 按压力划分 高压 (30MPa) 固体（煤） 按原料划分 气体（天然气） 液体（石脑油）

  35. 一、以煤为原料的制氨流程 空气 蒸汽 煤 CO+H2O=CO2+H2 除尘 造气 脱硫 变换 精脱 压缩 脱碳 C+O2+N2=CO2+N2 2C+O2+N2=2CO+N2 C+H2O=CO+H2 合成 3H2 +N2=2NH3 氨

  36. 二、以天然气为原料的制氨流程 天然气 压缩 脱硫 蒸汽 一段转化 CH4+H2O=CO+3H2 空气 二段转化 压缩 高温变换 低温变换 CO+H2O=CO2+H2 二氧化碳 脱碳 氨 合成 压缩 甲烷化 • 3H2 +N2=2NH3 CO+2H2=CH4

  37. 重油 氧气 空分 部分氧化 蒸汽 炭黑清理 炭黑 耐硫变换 H2S、COS 甲　醇　洗 CO2 氮气 CO 氮　洗 压　缩 氨 合　成 三、以重油为原料制氨流程 空气 CO+H2O=CO2+H2 3H2 +N2=2NH3

  38. 第五节 氨的性质和用途 • 无色气体，密度比空气小，刺激性气味。 • 有毒：空气含氨浓度＞100ppm的环境中，每天接触8小时会引起人慢性中毒；5000～10000ppm时，只要接触几分钟就会有致命作用；会灼伤皮肤、眼睛，刺激呼吸器官粘膜。 • 液氨挥发性很强，气化热较大. • 易溶于水生成氨水（放出热量）. (一)氨的物理性质

  39. 氨在水中的溶解度 Kg氨/kg溶液

  40. 2NH3 N2+3H2 (二)化学性质 氨在常温时相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氢和氮； 在催化剂作用下与氧反应生成 N O

  41. (二)化学性质 与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，然后脱水成尿素。 氨与无机酸反应 工业上利用这些反应制取尿素、硝酸铵和磷酸铵等主要氮肥。

  42. 氨的用途 • 制造化学肥料：尿素、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵等。 • 其他化工产品的原料：如硝酸、硝酸盐、铵盐、氰化物等无机物。 • 制造胺、磺胺、腈等有机物。 • 高科技原料如生产甘油等。 • 制冷剂

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