51. Синтез аммиака. Физико-химические основы пpоцесса.

Синтез аммиака осуществляется из азота и водорода по реакции:

N₂ + 3Н₂ ⇔ 2 NН₃ + Q,

Реакция обратимая, экзотермическая и характеризуется большим тепловым эффектном.

Согласно принципу Ле-Шателье равновесие ее смещается вправо с повышением давления и понижением температуры. Зависимость константы равновесия К_Р от температуры и давления имеется в справочной литературе.

Однако без использования катализаторов скорость реакции даже при температуре равной 1000 °С практически равна нулю. Это объясняется очень высокой энергией активации этой реакции.

Поэтому процесс проводят в присутствии твердых катализаторов. Как известно, гетерогенно-каталитические реакции имеют несколько стадий, в том числе:

А) диффузия молекул азота и водорода к поверхности зерен катализатора;

Б) хемосорбция этих молекул на поверхности катализатора;

В) поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними;

Г) десорбция продукта - аммиака с поверхности катализатора;

Д) диффузия молекул аммиака от поверхности катализатора в газовую фазу.

Исследования показали, что наиболее медленной (лимитирующей) этого сложного процесса является стадия хемосорбции молекул азота, так как он имеет наибольшую молекулярную массу.

На основании этого вывода можно описать механизм синтеза аммиака упрощенной схемой:

N₂ + К ⇔ N₂^.К;

N₂^.К + 3Н₂ ⇔ 2NН₃ + К;

где К - свободный активный центр поверхности катализатора;

N₂^.К - хемосорбированный активный комплекс на поверхности катализатора.

Скорость обратимой реакции синтеза аммиака из водорода и азота на большинстве известных катализаторов можно описать уравнением Темкина- Пыжова:

W = k₁^.P_N2(P³_Н2/ Р²_NН3)^а - k₂(Р²_NН3/Р³_Н2)^1-а,

где k₁ и k₂ - константы скоростей образования и разложения аммиака;

(Рис. а). Зависимость содержания аммиака в АВС от температуры при различных объемных скоростях АВС.

Давление 30 МПа

(Рис. б). Зависимость содержания аммиака в АВС от температуры при различных давлениях.

Объемная скорость АВС 30000 час^-1

(Рис. в). Зависимость содержания аммиака в АВС от давления при различных температурах.

Объемная скорость АВС 30000 час^-1

Так как реакция синтеза аммиака обратима, то возможная степень превращения исходного сырья на железных катализаторах не превышает 20-40%. Поэтому все современные схемы производства являются циркуляционными, то есть подается в колонну синтеза многократно с постоянным выделением образовавшегося аммиака путем его конденсации при низких температурах. Достичь полной конденсации также не удается Зависимость остаточной концентрации аммиака в газовой фазе после его конденсации при давлении 30 МПа следующая:

Температура, град. С	- 20	- 10	0	+5	+10	+15	+20	+25
Остаточная концентрация аммиака в газовой фазе, % об.	1,5	2,15	3,2	4,0	4,75	5,5	6,2	7,3