文档介绍：第三篇化工工艺学Chemical Engineering Technics
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第六章合成氨工艺学
§6-1 概述
§6-2 氨合成的热力学基础
§6-3 氨合成动力学
§6-4 氨的合成和分离
§6-5 原料气的生产与净化
§6-6 氨生产全流程
§6-7 合成氨生产的发展趋势*
§6-8 尿素的合成*
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氨可生产多种氮肥,如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等;还可生产多种复合肥,如磷肥等。
氨也是重要的工业原料。基本化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮无机盐; 有机工业各种中间体,制药中磺胺药物,高分子中聚纤维、氨基塑料、丁腈橡胶、冷却剂等。
国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等
6- 合成氨工业的重要性
合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分,有十分广泛的用途。
§6-1 概述
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1784年,有学者证明氨是由氮和氢组成的。19世纪末,在热力学、动力学和催化剂等领域取得进展后,对合成氨反应的研究有了新的进展。1901年法国物理化学家吕·查得利提出氨合成的条件是高温、高压,并有适当催化剂存在。
6- 合成氨工业发展简介
1909年,德国人哈伯以锇为催化剂在17~20MPa和500~600℃温度下进行了合成氨研究,得到6%的氨。
1911年米塔希研究成功以铁为活性组分的合成催化剂,铁基催化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得。
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合成氨的原料是氢气和氮气。氮气来源于空气,可以在制氢过程中直接加入空气,或在低温下将空气液化、分离而得;氢气来源于水或含有烃的各种燃料。工业上普遍采用的是以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用的气化方法。
6- 合成氨的原料及原则流程
合成氨生产的原则流程如图所示。
合成氨过程由许多环节构成,氨合成过程是整个工艺过程的核心.
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从化学工艺的角度看其核心是反应过程工艺条件的确定,而确定反应的最佳工艺条件,需先从事反应热力学和动力学的研究。
特点:氢气和氮气合成氨是体积缩小的可逆放热反应.
+==NH3 ΔHӨ298=- kJ·mol-1
其反应热不仅与温度有关,还与压力和组成有关。
6- 氨合成反应的热效应
§6-2 氨合成的热力学基础
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下表为纯3H2-%系统反应的热效应。
应用化学平衡移动原理可知,低温、高压操作有利于氨的生成。但是温度和压力对合成氨的平衡产生影响的程度,需通过反应的化学平衡研究确定。其平衡常数为:
6- 化学平衡及平衡常数
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式中: f,γ分别为各平衡组分的逸度和逸度系数.
式中: p,pi—分别为总压和各组分平衡分压;
yi—平衡组分的摩尔分数。
高压下化学平衡常数Kp值不仅与温度有关,而且与压力和气体组成有关,用逸度表示:
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当压力很低时,Kγ值接近于 1,此时 Kp=Kf。因此Kf可看作压力很低时的 Kp。
温度越低, 压力越大,Kγ值越小;
Kf 与压力无关,温度越低Kf 越大,Kp越大。
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若总压为p的混合气体中含有N2, H2, NH3和惰性气体的的摩尔分数分别为yN2,yH2,yNH3和yi,其关系为yN2+yH2+yNH3+yi== yH2/ yN2, 则各组分的平衡分压为:
6- 影响平衡氨含量的因素
所以
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