3合成气衍生产品(化学工艺学).ppt

第3章合成气衍生产品
氨
空气中含有大量的游离氮(N2:%),但是只有极少数农作物(豆科)能够直接吸收空气中的游离氮,大多数农作物只能吸收化合态氮来供给生长所需养分。固氮是化学化工研究中既古老又前沿的课题。
空气氮
固氮
Nitrogen fixation
非生物固氮
生物固氮
人工固氮
其中,人工固氮指通过化学方法,使单质氮气转化为含氮的化合物。目前工业上最常用、也最经济的是哈伯法,即氮气(N2)与氢气(H2)在高温高压催化剂(铁)作用下发生化合反应生成氨(NH3)。
氨的性质和用途
◆氨的分子式NH3,, (-℃,(℃), MPa。易溶于水,刺激眼睛和呼吸道,使人体粘膜迅速脱水,空气中含氨超过5%将使人窒息死亡。~28%。 ◆氨是生产尿素、***铵等化学肥料的主要原料,使农业生产产量大大提高,为人类社会作出巨大贡献。
◆氨还是生产染料、炸药、医药、有机合成、塑料、合成纤维、石油化工等的重要原料。 ◆首例合成氨厂是1912年在德国建立的30t/d合成氨厂,目前合成氨厂的规模已达到1000~1500t/d。
合成氨的基本过程
CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)
氨的合成(Synthesis of Ammonia)
获得H2/N2约为3:1的原料气后,就要进行合成氨关键的最后一步反应——氨的合成。但要获得工业效益(产量),合成条件必须高温、高压、催化剂。首先分析氨合成的原理。
氨的合成
热力学基础
动力学基础
氨合成反应的热力学基础
化学平衡
氨合成反应:
氨合成为体积减小的放热反应。反应热效应与温度、压力(MPa)、气体组成有关。
可逆、放热、体积缩小的反应
加压、低温有利
氨合成平衡常数表示
反应达到平衡时的平衡常数可表示为:
式中φi为混合物组分逸度系数,Kf为逸度表示的平衡常数,可由热力学关系计算。通过严格的热力学计算,得出Kf和各组分的逸度系数φi之后,可得Kp,进一步计算出平衡各组分组成。Kp表达式如下:
上述计算必需借助计算机完成。大量的有关合成氨的研究,已经得到许多经验型的、简捷适用的关系式。
在生产条件范围内,逸度系数计算的经验式为
,其它常数如下表所示。
Ai Bi Ci /104
N2
H2
NH3
CH4
Ar
实际计算时,由于组成不知,必须用迭代法。用计算机编程计算比较方便。也有许多便于实际少量计算的逸度系数图可查。
反应平衡氨含量计算
有了平衡常数Kp,计算平衡氨含量就比较容易。设进口氢氮比为r,平衡混合气中NH3的平衡组成为yNH3,惰性气体组成为yi,则:
当进气条件已知时,T、p确定,r和yi也可以得到,解次一元二次方程即可。