合成氨第4章 氨合成.ppt

化工工艺学Chemical engineering technics
化学工程与工艺专业
第4章氨合成
氨合成热力学基础
氨合成催化剂
氨合成动力学
工艺参数选择
工艺流程
合成塔
氨合成的工艺计算
氨合成反应热力学基础
氨合成特点:
可逆放热,体积缩小
高温高压,T=400~500 ℃ P= 10~24MPa(大厂);20~32 MPa(小厂)
o转化率低,y氨=10~20%
化学平衡
氨合成反应如下:
(g) + N2(g) = NH3(g)
该反应为放热反应,其平衡常数为
Kf为真正的平衡常数,它由热力学关系

决定。
在生产条件范围内,逸度系数计算的经验式为
,其它常数如下表所示。
Ai Bi Ci /104
N2
H2
NH3
CH4
Ar
实际计算时,由于组成不知,必须用迭代法。用计算机编程计算比较方便。也有许多便于实际少量计算的逸度系数图可查。
一些平衡常数Kp的值如表1-4-1所示。
影响平衡氨含量的因素
y*NH3 = F (P、T、yi、r)
1. 氢氮比的影响
若氢氮比不为3,则平衡常数表达式为:
其它条件不变,改变氢氮比使平衡氨含量最大时,可对上式求导,并令其为零得
解得 r=,平衡氨含量最大。但实际考虑到其它因素,平衡氨含量不为3。实际上在压力为10~100MPa,~。
2. 惰性气体含量的影响
惰性气体含量的影响可用书中方法得出近似公式分析,也可简单地从提高压力对氨合成反应有利来分析。增加惰性气体含量相当于降低了反应物的分压,对平衡不利。理论上是惰性气体越少越好,但实际上这是不现实的。要确定一个合理的惰性气体含量范围,还需大量计算,综合各种操作因素作图比较分析得出。
氨合成反应热效应
氨合成反应是放热反应,热效应可用以下经验公式计算:
式中温度单位为K,压力单位为MPa,计算所得反应热单位是kJ/kmol。实际的热效应还应考虑在给定组成条件下混合热的影响等,情况也较复杂,此处不详细讨论。
氨合成催化剂
氨合成反应必须有适当的催化剂才有可观的反应速度,常用的催化剂主要是铁催化剂。其组成主要有: Fe3O4(Fe2+/Fe3+)
促进剂为: K2O, CaO, MgO, Al2O3, SiO2
Al2O3的加入可生成合金FeO· Al2O3,其结构与FeO· Fe2O3相似,使Fe3O4分布均匀,催化剂还原后,使催化剂表面积增大,活性增加。
MgO的作用与Al2O3类似,它还有增强催化剂抗毒能力、保护催化剂、延长催化剂寿命等作用。
CaO的作用是降低熔融物的熔点和粘度,提高催化剂的热稳定性。
K2O可使催化剂的金属电子逸出功降低,虽然减少了催化剂的表面积,但活性却增大。
反应的活性组成是金属铁,所以使用前要将催化剂还原。通常用氢气作还原剂:
Fe3O4(s) + 4H2(g) = 3Fe(s) + 4H2O(g)
kJ/kmol
选择的反应条件应使铁充分被还原,还原后保证比表面积最大。还原温度一般选500-520°C,根据反应式可确定H2/H2O之比要尽可能高。