合成氨工作原理

1.氨合成的基本原理 氨是由气态氢和氮在氨触媒的作用下反应生成的，其反应式为： 3H2+N2=2NH3+热量 这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，对其反应机理存在着不同的观点， 一般认为：氮在铁催化剂上被活性吸附，离解为氮原子，然后逐步加氢，连 续生成 NH、NH2 和 NH3。即： N2（扩散）→2N（吸附）→2NH(吸附）→2NH２（吸附）→ 2NH３（脱附） →2NH３（扩散到气相） 由质量作用定律和平衡移动原理可知： 1.温度升高，不利于反应平衡而有利于反应速度。 2.压力愈高愈有利于反应平衡和速度。 3.氢氮气（比例 3:1）含量越高越有利于反应和速度。 4.触媒不影响反应平衡，但可以加快反应速度。 2、温度对氨合成反应的影响 氨合成反应是一个可逆放热反应。 当反应温度升高时， 平衡向着氨的分 解方向移动； 温度降低反应向着氨的生成方向移动。因此，从平衡观点来看，要使氨的平 衡产率高，应该采取较低的反应温度。 但是从化学反应速度的观点来看， 提高温度总能使反应的速度加快， 这 是因为温度升高分子的运动加快，分子间碰撞的机率增加，同时又使化合时 分子克服阻力的能力加大，从而增加分子有效结合的机率。 总之，温度低时，反应有利于向合成氨的方向进行，但是氨合成的反应 速度较低；提高温度不利于向氨的合成方向移动，但反应速度可以增加。在 实际生产中反应温度的选择主要决定于氨合成催化剂的性能。 3.压力对氨合成反应的影响 氨的合成反应是一个分子的氮与三个分子的氢结合生成两个分子的氨， 即 氨合成反应是分子数目减少、体积缩小的反应，提高压力，可使反应向着生 成氨的方向进行。 对于氨合成反应来说， 提高压力就是提高反应气体的浓度， 从而增加反应分子间碰撞的机会，加快了反应的速率。 总之，增加压力对氨的合成反应是有利的，既能增大平衡转化率，又能 加快反应速率。但压力也不宜过高，否则，不仅增加动力的消耗，而且对设 备和材料的要求也较高。根据我国具体情况，目前在小型合成氨厂，设计压 力一般为 31.4MPa。 4.空速对氨合成反应的影响 气体与催化剂接触时间的长短，通常用空速来表示。它的物理意义是：在 标准状况下，单位时间内在 1m3 的催化剂上所通过的气体体积。其单位为 m3(标)气体/（m3 催化剂•h）,或简写为 h-1。 在一定的合成条件下，空速增加，气体与催化剂接触时间减少，出合成 塔气体氨含量降低。增加空间速度可以提高氨的产量。但由于空间速度的增 加，每生产一吨氨所需的循环气量，输送气体所需克服的阻力等都要增大，
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因而消耗的能量也随之加大。尤其是空间速度过大，从合成塔出来的气体带 出的热量增多， 会使催化剂床层的温度难以控制， 并使循环气中氨不易冷凝。 5、氢氮比对氨合成反应的影响 根据平衡移动原理，如果改变平衡体系的浓度，平衡就向减弱这个改变 的方向移动。氨合成反应的进行，是按 H2/N2=3：1 的比例消耗的，因此提 高氢气、氮气的分压，维持 H2/N2=3：1 可以提高平衡氨含量。 从氨合成反应速度可知， 在非平衡的状态下， 适当增加氮的分压对催化剂 吸附氮的速度有利，因为氮的活性吸附是氨合成反应过程的控制步骤。在一 般的生产条件下，氨产率只能达到平衡值的 50%～70%，因此，在生产中应 适当提高氮的比例，一般控制循环气中氢氮比在 2.2～2.8 之间较为适宜。