河北科技大学 化学与制药工程学院

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

？

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