在氨的工业合成中,有三个关键的技术问题,请结合所学知识解决它们:
(1)合成氨的化学原理是N2+3H2 2NH3,在工业上选择20―50MPa的较高压强和 500的温度来进行反应,请结合有关的化学原理解释。
(2)在生产过程中需要大量氢气,现有以下几种获得氢气的方法,请你选出最适宜的,并说明理由。
A.电解水制取氢气;B.由煤或焦碳来制取氢气:煤或焦碳经加热,炽热的炭与水蒸气反应生成氢气;C.由天然气或重油制取氢气:天然气的主要成分甲烷在高温、催化剂的作用下与水蒸气反应生成氢气和一氧化碳,一氧化碳在催化剂存在的条件下与水蒸气反应得到氢气和二氧化碳。
(3)合成氨的生产工艺流程:首先用适当的方法生产出合成氨的原料气一一氮气和氢气。
氮气和氢气的混合气体在合成塔一定条件下,通过催化扭l的作用产生氨气,再通过氮分离器不断地把生成的氨分离出来,同时未转化的反应气体再进入合成塔循环加工。这就是合成氨的工艺流程。请根据这一描述过程画出流程方框图。
(1)温度选择500℃是因为温度太高时,平衡混合物中氨的含量太低;温度太低,则化学反应速率太小。而且500℃时,催化剂活性最大。选择20―50MPa的较高压强是因为增大压强,平衡混合物中氨的含量增加,但对设备的材料质量和制造水平要求更高,能量消耗也更大。
(2)C,天然气作为洁净燃料,便于管道输送,用做合成氨的原料具有投资省,能耗低的优点。
(3)
人工固氮技术——合成氨:
1.生产原理
2.合成氨的基本生产过程
(1)原料气的制备要实现合成氨的工业化生产,首先要解决氢气和氮气的来源问题。
①氮气的制备合成氨所需要的氮气都取自空气。从空气中制取氮气通常有两种方法:一是将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气;二是将空气中的氧气与碳作用生成二氧化碳,再除去二氧化碳得到氮气。
②氢气的制备氢气主要来源于水和碳氢化合物。氢气的制取有下表中的几条途径。
(2)原料气的净化
原料气的净化就是除去原料气中的杂质。在制取原料气的过程中,常混有一些杂质,其中的某些杂质会使合成氨所用的催化剂“中毒”(所谓“中毒”即是催化剂失去催化活性),所以必须除去。原料气净化的主要目的是防止催化剂“中毒”。
(3)氨的合成与分离
①氨的合成工业合成氨的主要设备是合成塔。将净化后的原料气经过压缩机压缩后输人合成塔,经过下列化学反应合成氨:
②氨的分离从合成塔出来的混合气体,通常约含15%(体积分数)的氨。为了使氨从未反应的氮气和氢气里分离出来,要把混合气体通过冷凝器使氨液化,然后在气体分离器里把液态氨分离出来导入液氨贮罐。南气体分离器出来的气体,经过循环压缩机,再送到合成塔中进行反应。
3.合成氨适宜条件的选择
外加条件要尽可能加快反应速率,提高反应物的转化率.
4.合成氨的环境保护
随着环境保护意识的增强,以及相关的法律、法规的严格实施,合成氨生产中可能产生的“三废”的处理越来越成为技术改造的重要问题。
(1)废渣
主要来自造气阶段,特别是以煤为原料而产生的煤渣,用重油为原料产生的炭黑等,现在大都将它们用作建材和肥料的原料。
(2)废气
主要是H2S和CO2等气体。对H2S气体的处理,先后采用了直接氧化法(选择性催化氧化)、循环法(使用溶剂将其吸收浓缩)等回收技术。对CO2 的处理,正在不断研究和改进将其作为尿素和碳铵生产原料的途径。
(3)废液
主要是含氰化物和含氨的污水。目前,处理含氰化物污水主要有生化、加压水解、氧化分解、化学沉淀、反吹回炉等方法;处理含氨废水多以蒸馏的方法回收氨达到综合利用的目的,对浓度过低的含氨废水,可用离子交换法治理。
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