18. Физико-химические основы синтеза nh3. Равновесие и кинетика процесса. Виды катализаторов.

N₂ + 3H₂ = 2NH₃ + 89,02 кДж

Реакция синтеза обратима и экзотермична, идет с уменьшением объема.

Экспериментально найдено:

характеризуют зависимость .

Достичь полного превращения АВС в аммиак невозможно. Без катализатора процесс неосуществим. В реальных условиях степень превращения не превышает 18%. В промышленных условиях синтез NH₃ осуществляют по циркуляционной схеме. В реальной АВС содержится метан (0,3…0,5%об), аргон (0,2…0,3%об). Эти газы не оказывают никакого воздействия на катализатор, однако способны накапливаться в системе, что понижает выход NH₃. Необходимо выводить инерты из газовой смеси. Для этого часть прореагировавшей АВС выводят из цикла (кол-во инертов, поступающих со свежей АВС, должно равняться кол-ву выводимых инертов). Объем продувочных газов:

Для снижения объема продувочных газов необходимо снижать содержание инертов в свежей АВС ( ), совершенствовать методы очистки АВС (к примеру, промывка жидким N₂) и повышать концентрацию инертов в циркуляционном потоке ( ).

Используется железный катализатор (Т_заж=400⁰С). Оптимальное кол-во AL₂O₃ в составе катализатора не менее 4%масс. Это объясняется тем, что AL₂O₃ имеет высокую адсорбционную емкость к NH₃. Чтобы увеличить скорость десорбции NH₃ вводят модифицирующие добавки (K₂O и др.). Кол-во K₂O в 2..3 раза меньше, чем AL₂O₃. Дальнейшие исследования показали, что промотирующими св-вами обладают оксиды Ca, Mg и Si. В конце 60-х был разработан четырежды промотированный катализатор СА-1 (производство осуществлялось из чистого магнетита или катализаторного железа). Была разработана модификация – восстановленный катализатор СА-1В.

Существуют низкотемпературные катализаторы (Т_заж=350⁰С). Рабочий интервал температур 350…475⁰С. Это дает возможность либо увеличить выход NH₃ при том же давлении, либо снизить давление при том же выходе NH₃. После распада СССР вперед вырвались следующие фирмы по производству катализаторов:

1. Tokse – KM-1(P=12МПа);

2. ICI – AR-16(P=8…10МПа).

Процесс синтеза NH₃ состоит из следующих стадий:

1. перенос газообразных реагирующих веществ к поверх­ности катализатора,

2. активированная адсорбция

3. перегруппировка атомов

4. десорбция про­дукта реакции с поверхности и перенос продукта реакции от поверхности в объем газовой фазы.

Лимитирующей стадией является активированная адсорбция.

1. N₂ = 2N

2. Fe_xN + H = Fe_xNH

3. Fe_xNH + H = Fe_xNH₂

4. Fe_xNH₂ + H = Fe_xNH₃

Время контактирования измеряется секундами (5…10с). В промышленных условиях время контактирования регулируют объемной скоростью.

Чем выше объемная скорость ( ), тем больше температура. Следует процесс начинать при самой большой Т(500), а затем, по мере продвижения смеси, температуру необходимо снижать по ЛОТ, которая определяется активностью катализатора.

Концентрацию NH₃ можно рассчитать по следующему эмпирическому уравнению:

– константа, зависящая от Р,Т.

С увеличением повышается удельная производительность катализатора, но падает и растет объем рециркулирующего газа. Также с увел. затраты холода на сжижение NH₃ будут расти. Синтез NH₃ необходимо вести автотермично. Поэтому при высоких (из-за низкой ) температура понизится до Т<Т_заж.