合成氨生产煤气化原理.ppt

第一篇合成氨,第一章合成氨原料气的生产,【第一课时】,【教学目标】1、掌握三个步骤。2、了解典型流程。,第一章合成氨,原料气的制取原料气的净化氨的合成,合成氨生产除电解法外，其他方法制得的原料气中都含有硫化物、一氧化碳、二氧化碳，这些物质是合成催化剂的毒物，在进行合成之前，需将其彻底清除。合成氨的生产过程包括三个主要步骤：,图1三催化剂净化的合成氨流程,造气,除尘、脱硫,合成,CO变换,压缩,碳化,空气、煤、水蒸汽,软水,气氨,水蒸气,图2生产碳酸氢铵流程,铜洗,碳酸氢铵,软水,合成氨生产的三个主要步骤,原料气的制取制备含有氢气、一氧化碳、氮气的粗原料气。原料气的净化除去原料气中氢气、氮气以外的杂质，一般由原料气的脱硫、一氧化碳的变换，二氧化碳的脱除，原料气的精制等组成。原料气压缩与合成将符合要求的氢氮混合气压缩到一定的压力，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。,合成氨生产常用的原料包括：焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油。各种原料制氨的典型流程：以煤为原料的合成氨流程以天然气为原料的合成氨流程以重油为原料的合成氨流程,二、合成氨生产工艺的特点,1、能量消耗高合成氨工业是能耗较高的行业，由于原料品种、生产规模和技术先进程度的差异，吨氨能耗在2866GJ（billionjoule十亿焦耳）。因此，当原料路线确定后，生产规模和所采用的先进技术应以总体生产节能为目标，即能耗是评价合成氨工艺先进性的重要指标之一。2、技术要求高合成氨的反应式很简单，但实现工业化生产过程却非常复杂。一方面由于制取粗原料气比较困难，另一方面粗原料气净化过程比较长，而且高温高压操作条件对氨合成设备要求也比较高。因此，合成氨工业是技术要求很高的系统工程。,3、高度连续化合成氨工业还具有高度连续化大生产的特点，它要求原料供应充足连续，有比较高的自动控制水平和科学管理水平，确保长周期运行，以获得较高的生产效率和经济效益。4、生产工艺典型合成氨生产中既有气固相、气液相非催化反应，又有气固相、气液相催化反应过程，同时工艺中还包括了流体输送、传热、传质、分离、冷冻等化工单元操作，是比较典型的化学工艺过程。,二、合成氨生产工艺的特点,第一节煤气化,第二课时,【教学目标】1、掌握煤气化、空气煤气、水煤气和半水煤气的概念。2、掌握以空气为气化剂时煤气炉内碳与氧的反应。,1、基本概念,煤气化：用气化剂对煤或焦炭等固体燃料进行热加工，使其转变成可燃性气体的过程，简称造气。气化剂：用来与固体燃料进行气化反应的气体。常用的气化剂有：空气、富氧空气、氧和水蒸气。煤气：固体燃料气化后得到的可燃性气体。进行气化反应的设备称煤气发生炉。,半水煤气,以适量空气或富氧空气与水蒸气作为气化剂，所得气体组成符合（H2+CO）/N2=3.13.2的混合煤气，即合成氨原料气。生产上也可用水煤气与吹风气混和配制。,一、气化原理,煤在煤气发生炉中由于受热分解放出低分子量的碳氢化合物，而煤本身逐渐焦化，此时可将煤近似看作碳。碳与气化剂空气或水蒸气发生一系列的化学反应，生成气体产物。,1、化学平衡,（1）以空气为气化剂以空气为气化剂，碳与氧发生下列反应：,独立反应数的确定,系统是同时存在多个反应的平衡系统，应首先确定系统的独立反应数。系统的独立反应数=系统中所有的物质数-构成这些物质的元素数。考虑惰性气体氮，则系统中含有O2、C、CO、CO2、和N2五种物质，由C、O和N三种元素构成，故系统的独立反应数为5-3=2。一般可选式(1-1)和式(1-3)计算平衡组成。,为简化起见仅用式(1-3)即可。反应式（1-3）的平衡常数见表1-1所示。随温度升高，平衡常数增加。假设O2首先全部生成CO2，然后按式(1-3）部分转化成CO，其平衡转化率为，空气中（摩尔比），反应前后各组分间的数量关系见表1-2所示。,平衡组成的计算,将不同温度下的及总压代入上式可解出，从而求出系统的平衡组成。看下表总压为0.1013MPa时空气煤气的平衡组成%。,计算出就可计算出平衡组成,平衡组成分析,随着温度升高，CO的平衡含量增加，CO2的平衡含量下降。当温度高于900时，气体中CO2的平衡含量甚少。,练习,思考：压力对空气煤气组成有何影响？据式（1-5），或直接用化学平衡原理解释。随着压力的提高，平衡向气体体积减小的方向移动，因此空气煤气中CO含量降低。,【作业】,1、合成氨生产分为哪三个主要步骤？各步骤的任务是什么？2、名词解释：半水煤气。3、写出以空气为气化剂时，碳与氧之间的化学反应。,4、已知足量碳与1mol氧反应，O2首先全部与碳生成CO2，CO2再与碳反应生成CO。当反应达到平衡时，CO2平衡转化率为，计算所生成煤气的平衡组成。,解：反应前各组分的物质的量为1mol氧与碳完全反应可以得到1molCO2，被碳还原是可逆反应，平衡时有molCO2被还原掉。,反应后各组分的物质的量为,【第三课时】,【教学目标】掌握以水蒸气为气化剂时的化学反应。,（2）以水蒸气为气化剂,以水蒸气为气化剂，碳与水蒸气发生下列反应：,独立反应数=？,物质数6，元素数3，独立反应数为3.,独立反应数,一般可选式（1-6）（1-8）和（1-9）。,书写这些反应的平衡常数表达式,【思考】平衡常数随温度的变化与放热、吸热反应有关系吗？,吸热,放热,放热,随温度的升高，放热反应的平衡常数减小-温度升高对放热反应不利。吸热反应随温度的升高，平衡常数增加，-温度升高对吸热反应有利。,温度升高有利于生成哪些气体？,升温有利于生成CO和H2，不利于生成CH4和CO2。,减压有利于生成CO和H2，不利于生成CH4和CO2。,减压有利于生成哪些气体？,读图1-1：H2O(g)%、CH4%随温度升高而下降；CO%、H2%随温度升高而上升，至1000各接近50%，总量达到100%；读图1-2：随温度变化规律与1-1相同；但压力为2.026MPa时，同样在1000时，平衡产物中CO42%、H244%，与50%有相当差距。,思考答题,如何控制反应条件，有利于制得高质量的煤气？答：采用“高温低压”有利于获得CO和H2含量高的煤气。,练习,1、在制造水煤气的过程中，提高炉温有利于生成下列气体（）。(A)CO和H2(B)CO和CO2(C)H2和CH4(D)CO2和CH4,A,【第四课时】,【教学目标】理解气化反应反应速率的影响因素。,2、反应速率,气化剂与碳在煤气炉中的反应属于气-固相非催化反应，随着反应地进行，碳的粒度逐渐减小，不断生成气体产物。其反应过程一般由气化剂的外扩散、吸附、与碳的化学反应及产物的脱附、外扩散等步骤组成。若其中某一步骤的阻止作用最大，则总的反应速率取决于这个步骤的速率，此步骤称为控制步骤，如何提高控制步骤的速率是提高总反应速率的关键。,气固催化反应的步骤,外扩散,吸附,与碳的化学反应,产物的脱附,外扩散,（1）的反应速率,当温度在775以下时，其反应速率大致可以表示为：,反应速率常数与温度、氧含量及活化能的关系符合阿雷尼乌斯方程：,K反应速率常数，代表反应速率快慢的数值；A碰撞因子，它反映了反应物分子的热运动情况，温度越高其数值越大，但是由于本身数量级在1069以上，所以温度对其影响甚微。E活化能，单位是J/mol；它是反应发生所需要的最低能量。,阿累尼乌斯方程,高温下的反应,在高温900以上时，k值相当大，气化过程为扩散控制，总的反应速率取决于氧气的传递速率。一般而言，提高空气流速是强化以扩散为主反应的行之有效的措施。如图1-3，提高空气流速，可加快反应速度。,提高碳与氧的反应速率,在低温下进行反应（化学反应控制），提高煤气炉温度，可加快反应速度。,在高温下进行反应（扩散控制），提高空气流速，可加快反应速度。,（2）的反应速率,此反应的反应速率比碳的燃烧速率慢得多，在2000以下属于化学反应控制，反应速率大致是CO2的一级反应。反应的快慢取决于温度、燃料和二氧化碳的浓度。加快措施：升温。,（3）的反应速率,碳与水蒸气之间的反应，在4001000的温度范围内，速率仍较慢，因此是动力学控制；在此范围内，提高温度是提高反应速率的有效措施。如图1-4为水蒸汽分解率与温度、反应时间和燃料性质的关系。,蒸汽分解速率,读图1-4可见：对焦炭而言，温度越高，蒸汽分解速率越快。结论木炭的活性比焦炭高。升温可以提高蒸汽分解率。,练习,1、名词解释：水蒸汽分解率。2、说明加快下列反应速率的主要方法。,选择题,1、在高温进行碳与氧的反应，为加快反应速率应采取的措施是（）。(A)提高炉温(B)降低炉温(C)提高空气流速(D)降低空气流速,C,2、碳与水蒸气反应，为加快反应速率应采取的措施是（）。(A)提高炉温(B)降低炉温(C)选用活性高的燃料(D)减少水蒸气用量,A、C,