河北科技大学 化学与制药工程学院
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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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
河北科技大学
化学与制药工程学院
主讲人:赵风云
化工工艺学 —— 无机部分化工工艺学 —— 无机部分
两者相辅相承,密不可分
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
化学过程
化学工程与化学工艺的区别?
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。
未反应物料循环副产物综合利用
例 1 氨的合成
CaC2 + N2 →CaCN2+C
CaCN2+3H2O →CaCO3+2NH3
(1) 氰化法
实现上述反应,工业上构建的工艺流程
化学工艺
(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
2 )碳 + 水蒸汽 + 空气 高温反应生成氢 + 氮+CO+CO2
化学工艺的内容
构建由不同单元操作连接的工艺流程
强化单元操作,提高各单元操作效率 化学工程的内容
例 2 变换反应过程
反应方程式:CO+H2O CO2+H2
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。
化学工艺的不同 化学工艺的研究内容。
(1) 中变流程
半水煤气
低变炉第一水加热器饱和热水塔油分离器冷凝塔
第二水加热器
混合器 水冷激器
水蒸汽
补充热水
冷激水
变换气
变换工段工艺流程图
热交换器调温水加热器2预腐蚀器 段间换热器
调温水加热器1
中变炉热水泵
采用中温变换催化剂,操作温度为 350-430 ℃
(2) 中串低变
( 3 )全低变流程
( 4 )化学工程开发的典范 --- 垂直筛板塔的推广应用
饱和热水塔改造,在全国上百个合成氨厂推广。
强化气液接触效果,提高塔传质效率。
正元公司集团
例 3 甲醇制烯烃
煤 合成气 甲醇 乙烯丙烯
石油 乙烯丙烯裂解
工艺的改变往往是革命性的革新
可使用 50年
可使用 200年
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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。
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
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
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
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
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
第一节 氨的发现与制取
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。
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
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
1 、氨的发现
30 年
( 一 ) 氰化法
1898 年弗兰克 (A. Frank) 等人发现
CaC2+ N2 _→CaCN2+C
CaCN2+H2O →CaCO3+2NH3
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。
1000℃
(二 ) 直接合成法
N2+3H2 →2NH3
德国物理化学家纳斯特根据化学热力学原理计算
1901 年,法国化学家吕 . 查得利进行实验,不幸混入空气 爆炸
不可能错误热力学数据
失败
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
催化剂: 锇 铁铀 2500 配方6500 次实验
高压、高温和有催化剂
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)。
一、 合成氨的原料
氨氢
氮 空气
燃料煤
石脑油焦炭
天然气石油炼厂气
块煤粉煤
水煤桨
焦炉气
重油渣油
水电解
第二节 合成氨生产技术发展
煤
水煤浆
焦炉气
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
二 合成氨生产技术发展
总 产 量: 5 万吨→ 4500 万吨
生产规模:1000 吨→ 45 万吨 (50 万吨 )
流程改进:
1 )、生
产
能
力高能耗→节能型
日 产 量: 1040吨
世界第一
45.6GJ 28.9GJ
(1)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 。
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。
理论能耗 : 20.15实际能耗: GJ
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
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。
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
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
我国小氮肥的发展和壮大
始于大跃进, 800吨 /年
文化大革命, 5000吨 / 年
八十年代, 15000吨 /年
九十年代, 40000吨 /年
目前, 15套“ 18/30” 装置, 90多套“ 8/13” 装置
200 个
三、现有合成氨装置及生产能力
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。
大型氨装置:现有 35套 30万 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。
中型氮肥装置 55套,生产能力约为 500万 t/a
下游产品主要是尿素和硝酸铵
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%。
小型合成氨装置
700多套,生产能力约为 3000万 t/a
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。
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%。
第四节 合成氨生产的典型流程
按压力划分中压 (10MPa)
高压 (30MPa)
按原料划分固体(煤)
气体(天然气)
液体(石脑油)
一、以煤为原料的制氨流程
造气 除尘 脱硫 变换
压缩 脱碳
合成
精脱
煤 空气 蒸汽
氨
C+O2+N2=CO2+N
2
2C+O2+N2=2CO+N2
C+H2O=CO+H2
3H2 +N2=2NH3
CO+H2O=CO2+H2
二、以天然气为原料的制氨流程
天然气 压缩 脱硫一段转化二段转化
脱碳
高温变换 低温变换
甲烷化压缩合成氨
蒸汽
空气 压缩
二氧化碳
CH4+H2O=CO+3H2
CO+H2O=CO2+H
2
CO+2H2=CH4
3H2 +N2=2NH3
三、以重油为原料制氨流程
空气 空分 部分氧化
炭黑清理
耐硫变换
甲 醇 洗氮 洗压 缩合 成
氧气重油
蒸汽
炭黑
H2S、 COSCO2
CO
氨
氮气
3H2 +N2=2NH3
CO+H2O=CO2+H2
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
氨在水中的溶解度 Kg氨 /kg 溶液
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; 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;
( 二 ) 化学性质
在催化剂作用下与氧反应生成 N O在催化剂作用下与氧反应生成 N O
2NH3 N2+3H2
氨与无机酸反应
与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵,然后脱水成尿素。
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。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。
( 二 ) 化学性质
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