氨合成催化剂
氨合成催化剂简介
氨合成催化剂简介史** 309010**** 化工090*合成氨工业的巨大成功不仅解决了人类因人口增长所需要的粮食，而且带动了一系列基础理论的发展。
合成氨工业创立的本身就包含着伟大的创造性和光辉的科学思想。
Haber和Bosch提出的化学平衡与质量作用定律的应用、高压反应技术、封闭流程操作、动态反应速率概念，Mittasch提出的混合催化剂的概念以及化学家、工程师、物理学家、材料学家与各种工匠群体合作的成功先例等，推动了整个化学工业和材料工业的发展。
合成氨催化剂是多相催化领域中许多基础研究的起点。
许多多相催化科学的基本理论和概念都来自于或首先试用于催化合成氨。
合成氨工业及其催化过程的巨大成功奠定了多相催化科学的基础。
氨合成熔铁催化剂是世界上研究得最成功、最透彻的催化剂之一。
本报告主要介绍传统Fe3O4基熔铁催化剂。
氨合成催化剂的新进展也将予以简介。
熔铁催化剂的组成及特性熔铁催化剂的主要成分为Fe3O4，其含量为90%左右，助催化剂主要是Al2O3、K2O、CaO、MgO等金属氧化物以及SiO2非金属氧化物，通常用磁铁矿为原料，由熔融法制备。
在催化剂装填至反应器后，由铁氧化物还原得到的α-Fe是氨合成反应的主催化剂，但由纯铁氧化物还原得到的催化剂在合成氨过程中很快会失活。
作为助催化剂的Al2O3、K2O、CaO、MgO、SiO2等氧化物不被还原，虽然对氨合成不具有催化作用，但它们改善了α-Fe的催化活性，增强了耐热和抗毒能力，延长了使用寿命。
其中，Al2O3、Cr2O3、MgO、V2O5、ZrO2、TiO2、SiO2等高温难熔氧化物属于结构性助催化剂，它们能增加催化剂在还原和操作时的抗热能力和抗毒能力，起着增大表面积、稳定结构的作用，但却降低了每单位总表面积的比活性和还原速度。
K2O、CaO等碱金属、碱土金属和稀土金属氧化物作为电子性助催化剂，同结构性助催化剂的作用相反，它们能增加单位表面积的比活性，但却削弱了抗热和抗氧毒物的能力。
氨合成的催化剂
氨合成的催化剂一、引言氨合成是一种重要的工业化学反应，广泛应用于制造化肥等领域。
在氨合成反应中，催化剂起着至关重要的作用。
本文将详细介绍氨合成反应中常用的催化剂。
二、铁系催化剂铁系催化剂是氨合成反应最早采用的催化剂之一。
这种催化剂主要由铁、钴、锆等金属组成，其特点是具有较高的活性和选择性。
此外，铁系催化剂还具有良好的耐久性和稳定性，在工业生产中得到了广泛的应用。
三、钌系催化剂钌系催化剂是近年来被广泛研究和应用的一种新型催化剂。
这种催化剂主要由钌、锰等金属组成，其特点是具有较高的活性和选择性，并且在高温下仍能保持稳定性。
此外，钌系催化剂还具有良好的抗毒性，在氨合成反应过程中能够有效地抵御碳氢物质等有害物质对其产生的影响。
四、钼系催化剂钼系催化剂是一种常用的氨合成催化剂，主要由钼、铝等金属组成。
这种催化剂具有较高的活性和选择性，并且在高温下仍能保持稳定性。
此外，钼系催化剂还具有良好的抗毒性和耐腐蚀性，在氨合成反应中表现出色。
五、其他催化剂除了以上几种催化剂外，还有许多其他类型的氨合成催化剂。
例如，铑系催化剂、镍系催化剂、银基催化剂等都具有一定的应用前景。
这些新型催化剂在提高反应效率、降低生产成本等方面都具有重要作用。
六、结论综上所述，氨合成反应中的催化剂种类繁多，每种催化剂都具有其独特的优点和缺点。
在实际生产中，应根据不同情况选择最适合自己需求的催化剂，以达到最佳效果。
同时，未来还需要进一步研究和开发新型高效稳定的氨合成催化剂，以满足不断增长的市场需求。
合成氨的工艺流程
合成氨的工艺流程
《合成氨工艺流程》
合成氨是一种重要的化工原料，广泛应用于农业和化工领域。
合成氨的工艺流程主要包括催化剂制备、氮气和氢气的制备以及氨的合成三个主要步骤。
首先是催化剂的制备。
合成氨工艺中使用的主要催化剂是铁-
铝催化剂，它的制备需要经过一系列的化学反应和物理处理。
首先在高温下将铁酸钾和铝酸钾还原成铁铝合金，然后通过高温煅烧和还原处理，最终得到合成氨反应所需的铁-铝催化剂。
其次是氮气和氢气的制备。
氮气主要通过空气分离装置来获取，空气中的氮气含量大约为78%，通过空气分离装置可以将氮
气和氧气分离开来。
而氢气则主要通过蒸汽重整和部分氧化甲烷法制备，蒸汽重整法主要是通过将甲烷与水蒸气在催化剂的作用下反应生成一氧化碳和氢气，而部分氧化甲烷法则是通过将甲烷与氧气在高温下反应生成氢气和二氧化碳。
最后是氨的合成。
氮气和氢气经过净化后，进入合成氨反应器进行催化反应。
在高压和适当温度的条件下，铁-铝催化剂的
作用下，氮气和氢气会发生氮合成反应，生成氨。
这个反应是一个放热反应，因此需要控制反应温度及高压下的反应速率，避免能量过度损失。
综上所述，合成氨的工艺流程复杂且涉及多个步骤。
通过精确
控制每个步骤的条件和参数，可以确保生产安全高效地进行，从而满足氨的需求并为化工及农业领域提供丰富的原料。
氨合成的催化剂
氨合成的催化剂引言氨是一种重要的化工原料，广泛应用于农业、化肥制造、化工合成等领域。
而氨合成过程中最关键的环节就是催化剂的选取。
本文将会全面介绍氨合成催化剂的种类、工作原理、制备方法以及相关的工业应用，以加深我们对氨合成催化剂的了解。
催化剂种类在氨合成过程中，常用的催化剂主要包括铁系催化剂、钌系催化剂和铑系催化剂。
这些催化剂具有高效能、稳定性好的特点，被广泛应用于工业生产中。
铁系催化剂铁系催化剂是氨合成过程中最常见的催化剂之一。
传统的铁系催化剂主要是以铁为主要成分，常配以适量的铝、钾等元素。
这类催化剂具有成本低、晶体结构稳定等优点，然而其催化活性相对较低，需要高温和高压下进行反应。
近年来，随着纳米技术的发展，铁基纳米催化剂成为了新的研究热点，其催化活性和选择性得到了极大的提高。
钌系催化剂钌系催化剂是氨合成中的另一类重要催化剂。
钌具有较高的催化活性和选择性，常作为铁系催化剂的替代品使用。
研究表明，钌催化剂在较低温下即可实现氨合成反应，大大降低了能耗。
此外，钌系催化剂对反应物质的吸附性能和解离能力较强，可以促进氨合成反应的进行。
铑系催化剂铑系催化剂在氨合成领域中也有着广泛的应用。
铑是一种包括铑金属和铑氧化物等在内的化合物，具有较高的催化活性和稳定性。
铑催化剂不仅可用于氨合成反应的催化剂，还可以在其他化学反应中发挥重要作用。
然而，铑系催化剂的价格较高，限制了其在工业生产中的应用。
催化剂在氨合成反应中起到了至关重要的作用。
一方面，催化剂可以提供活性位点，吸附反应物质并降低其解离能力，从而促进反应的进行。
另一方面，催化剂还可以降低反应的活化能，提高反应的速率。
具体而言，催化剂与反应物之间会发生物理吸附和化学吸附的过程。
在物理吸附中，反应物只是通过分子间的范德瓦尔斯力与催化剂表面相互作用。
而在化学吸附中，反应物会与催化剂发生化学反应，生成中间体。
通过物理吸附和化学吸附的交替作用，反应物逐步转化为产物。
催化剂的选择需要考虑多个因素，如催化活性、化学稳定性、抗中毒性等。
合成氨催化剂的生产和技术
合成氨催化剂的生产和技术发布时间：2023-01-04T05:52:04.717Z 来源：《中国科技信息》2023年17期作者：张鹏[导读] 合成氨广泛用于工业硝酸、盐铵和化肥的生产过程，间接促进了国民经济的发展。
与此同时，有关工业对氨的需求以吨计有所增加，这是工业建设和化学发展的基本原料之一。
张鹏陕西黄陵煤化工有限责任公司陕西延安 727307摘要：合成氨广泛用于工业硝酸、盐铵和化肥的生产过程，间接促进了国民经济的发展。
与此同时，有关工业对氨的需求以吨计有所增加，这是工业建设和化学发展的基本原料之一。
但是，作为工业发展和国民经济的重要参与者，传统的合成氨往往消耗更多的能源，产生较少的效益。
因此，对合成氨催化剂的研究开发不断进行推导。
本文介绍了合成氨催化剂的研究开发，讨论了最新的合成氨研发趋势，供参考。
关键词：合成氨；催化剂；新技术；研究进展前言作为合成氨化工的重要原料，在中国工业建设和经济生产中发挥着十分重要的作用，合成氨相关催化剂的开发也是化工发展的重要组成部分。
但是，我们还必须认识到，合成氨工业在实际生产中也消耗大量能源在全球气候日益受到灾害威胁的时候，化学研究人员必须加倍努力，改进现有的催化剂，以提高合成氨工业的总体效率。
1 铁基催化剂的研究1.1铁系氨合成催化剂A-110-1催化剂是一种以铁-氨为基础的合成催化剂，主要由磁铁矿的传统熔炼形成。
为了提高催化剂活性和稳定性，结构催化剂如Al2O3、K2O、CaO、BaO等。
已添加到准备中。
其作用是利用这些高熔点折射氧化物作为活性物质的α-Fe晶体的绝缘材料，防止容易发生摩擦的微晶接触，从而提高催化剂体的热稳定性。
SiO2 _ 2通常是从磁铁矿原料引入的，其适当存在类似于Al2O3，它可以稳定铁颗粒，提高催化剂的热阻和水的毒性。
催化剂的组成和含量在熔化状态下相互作用，影响催化剂的活性和热稳定性。
尤其是还原催化剂表面化学成分对催化剂的活性和稳定性起着重要作用。
新型合成氨合成催化剂的研究和应用
新型合成氨合成催化剂的研究和应用合成氨是农业生产中必不可少的原材料，也是化肥生产的重要组成部分。
然而，传统的合成氨工艺存在着能源消耗大、催化效率低等问题，限制了其发展。
为了解决这些问题，研究人员开始探索新型的合成氨合成催化剂，并且在这方面取得了一定的进展。
一、传统的合成氨工艺存在的问题传统的合成氨工艺采用的是费托合成法和哈柏法。
其中，费托合成法是将氢气和氮气在高温高压条件下通过铁催化剂合成氨气，哈柏法则是使用钙固定床催化剂，将空气中的氮气和氢气经过多道反应合成氨气。
这两种工艺都存在一些问题。
首先是能源消耗大。
费托合成法需要高温高压的条件，而哈柏法中需要在高度压缩下才能进行反应。
这些条件需要大量的能源供应，造成了能源资源的浪费和成本的提高。
其次是催化效率低。
传统的催化剂反应速率低，需要消耗大量催化剂来完成反应，从而增加了成本和浪费。
此外，传统催化剂的反应条件非常苛刻，一旦反应温度和压力下降，反应速率就会降低，这也制约了传统合成氨工艺的进一步发展。
二、新型合成氨合成催化剂的研究为了解决传统合成氨工艺的问题，研究人员开始探索新型的合成氨合成催化剂。
在新型催化剂的研究探索中，主要包括以下两个方面。
首先是基于过渡金属催化剂的研究。
近年来，比较成功的新型催化剂是基于过渡金属的催化剂。
这些催化剂可以是采用单原子催化的方式来制备，其具有活性度高、反应条件温和、更容易控制反应过程和稳定性更高的特点。
如铁和钴催化剂，具有高的活性、选择性和稳定性成为了合成氨领域的重要成果，在钴催化剂中，过渡金属与载体之间的相互作用有利于在催化剂表面上产生更多的铵根离子，从而提高催化效率。
另外，金属-有机框架（MOF）中的金属聚合物（MOP）催化剂也备受研究者的关注，因为它们与常规的铁和钴催化剂相比，具有更大的表面积，催化效率更高。
其次是新型的非金属催化剂的研究。
与传统的金属催化剂不同，新型的非金属催化剂如氮化硼、硫化硼等都通过独特的物理化学性质提高了其催化活性，从而能够更好地促进氮气和氢气之间的反应。
氨合成催化剂及其催化反应机理进展分析
氨合成催化剂及其催化反应机理进展分析摘要：就当前社会发展的实际来说，氨合成催化剂研究项目的进步与工业实际相结合，对于社会的建设发展具有重要意义，特别是氨合成熔铁催化剂，氨合成钌催化剂的迅速进步。
与此同时，不同种类的氨合成催化剂的催化反应原理存在一定的差异。
本文主要就氨合成催化剂和催化反应机理的实际发展状况展开分析研究。
关键词：氨合成催化剂；催化反应；机理；研究进展在长期发展实际中，在氨合成催化剂的研究中获取良好成效，特别是不同种类的氨合成催化剂反应原理的实际运用，对于我国工业领域的发展具有重要意义。
从合成氨铁催化剂的有机成分而言，这类的合成氨催化剂主要利用铁的氧化物为催化的母体，以还原催化剂的活性作为化学反应的重点。
与此同时，融合多种促进剂和催化剂推动制剂物质的反应。
相关研究人员利用对氨合成催化剂的研究可以对工业生产进行优化，对整个行业发展有重要作用，所以，氨合成催化剂和催化反应机理的研究有待进一步深入。
一、氨合成催化剂的研究进展概述经过大量的研究与有关的产业实践，就目前的实践结果来看，氨合成催化剂的研究取得良好的成效。
其中，不同行业对氨合成铁催化剂，氨合成钌催化剂的发展和对氨合成催化反应机理的认识不同，主要原因是，不同行业和环节需要的催化成效有一定的共性，氨合成催化剂在工业生产实际运用比较多，同时为不同领域的发展创造更多的效益。
因为不同年代对氨合成催化剂运用的成效需求不同。
所以，科研机构对氨合成催化剂的研究处于发展之中，深入探寻满足工业产业发展的需求的成果，为实际工作提供支持。
二、合成氨铁催化剂这种合成氨催化剂主要借助铁氧化物作为母体，利用还原铁作为催化剂的重要活性物质，同时融合多类促进剂与载体催化剂。
（一）母体工业氨合成铁催化剂的母体氧化物在化学计量中与四氧化三铁存在一定的区别，通常利用铁比将催化剂中铁的价态呈现出来。
以往的实验研究可知，铁比对获得的催化剂活性有重要的影响。
就氨产率来说，合理的铁比范围是0.5-0.6。
合成氨化学反应方程式
合成氨化学反应方程式
氨化学反应，又称催化氨化，是指一种通过催化剂来分解，使物质产生氨气的反应。
它是化学反应中最重要的一类，也是生化氧化研究的基础，被广泛应用于电化学、药物的制备及无机合成等领域，合成氨化学反应的方程式如下：
一、原料与催化剂
1. 亚硝酸根（nitrite，No₂⁻）与质子（H⁺）可以形成亚硝酸（HNO₂）：
HNO₂ + H⁺ = HNO₂
2. 亚硝酸和游离碱（alkali）可以形成氨（NH₃）：
HNO₂ + OH⁻ = NH₃ + H₂O
3. 还原剂（reductant）可以将氮离子（N₃O⁴⁻）还原为氨：
N₃O⁴⁻ + RH = NH₃ + ROH
二、氨化反应的实际过程
1. 首先，水中溶解的亚硝酸根将把水分子中的质子（H⁺）取出来，形成亚硝酸：
No₂⁻ + H₂O = HNO₂ + OH⁻
2. 然后，亚硝酸将会继续反应，与碱反应，形成氨：
HNO₂ + OH⁻ = NH₃ + H₂O
3. 最后，还原剂将把氮离子（N₃O⁴⁻）反应，形成氨：
N₃O⁴⁻+ RH = NH₃ + ROH
三、总结
氨化学反应的方程式如下：
No₂⁻ + H₂O = HNO₂ + OH⁻
HNO₂ + OH⁻ = NH₃ + H₂O
N₃O⁴⁻+ RH = NH₃ + ROH。
合成氨催化剂
合成氨催化剂简述合成氨是重要的化工原料，主要用来生产化肥、硝酸、铵盐、纯碱等。
作为化学工业的支柱产业之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。
同时合成氨也是一个大吨位、高能耗、低效益的产业，因此合成氨工艺和催化剂的改进对降低能耗、提高经济效益有着巨大影响。
我国合成氨催化剂发展十分迅速，目前合成氨催化剂主要类型是铁基催化剂，同时对钌基催化剂也有所研究。
1 铁基合成氨催化剂铁基合成氨催化剂价格低、稳定性好，制备时通常采用用熔融法，主要的原料是利用磁铁矿和铁，另外添加不同类的助剂化合物，再用电阻炉将其熔炼，后冷却、破碎筛分，最终形成不同颗粒大小的铁催化剂。
早在合成氨催化剂研究的初期，研究人员就发现用天然磁铁矿还原得到的催化剂效率远优于其它铁化合物。
随后根据纯铁催化剂的活性与还原前氧化度之间的关系，通过大量实验发现铁比值与熔铁基合成氨催化剂的性能有着密切的关系。
通常认为以Fe3O4为母体的催化剂具有的活性最高。
到目前为止，世界上所有工业氨合成铁催化剂，无一例外，其主要化学组成都是Fe3O4。
2钌基合成氨催化剂钌基合成氨催化剂也被称为第二代氨合成催化剂，它是一类新型负载型催化剂。
在我国的研究较晚，目前的工业投入刚处于起步阶段。
其制备不同于传统的铁催化剂，通常选择适当的母体化合物，添加某种促进剂，采用浸渍法负载在载体上，经一定条件还原活化处理后，转化成活性组分。
催化剂中母体化合物、载体、促进剂对所制备的催化剂的活性具有很大影响。
经历了近—个世纪的研究，合成氨催化剂技术可以说已相当成熟，但是传统的熔铁催化剂不符合低能耗的发展趋势，而钌基合成氨催化剂的价格昂贵，又不容易普及。
作为世界人口最多的农业大国和世界最大产氨国，合成氨工业对于我国国民经济的发展具有重要的战略和现实意义。
虽然国内对铁基催化剂的研究方面投入了大量的人力物力，但钌基合成氨催化剂的研究方面起步较晚，对于催化剂的作用机理也未进行深入研究，与国际先进水平的差距较大，这与我国是最大的产氨大国极不相称，因此我们合成氨这种高能耗产业的节能降耗还很漫长。
氨合成铁系催化剂
氨合成熔铁催化剂氨合成熔铁催化剂，目前合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
1、组成1.1组成主要成分是Fe3O4，含量在90%左右。
助催化剂为K2O、Al2O3、CaO、MgO等，含量小于催化剂总质量的9%，低压催化剂还增加了CoO（A201等）。
其按作用不同分为两类，一类是结构型助剂，如Al2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2、MgO、CaO、SiO2等难熔氧化物。
另一类是电子型助剂，如K20。
每种类型助剂都有各自的最佳添加量，一般均在0.6%〜1.0%范围。
1.2物理结构氧化态催化剂主体是磁铁矿，其化学计量式是FeO.Fe2O3或Fe3O4。
晶体结构类似于尖晶石（MgAl2O4）的结构（90%以上是具有反尖晶石结构、不均匀复杂体系的磁铁矿）。
是四面体和八面体结构的堆积结果。
其中形成两种间隙：四面体间隙和八面体间隙。
三价的金属离子占据四面体间隙的一半和八面体间隙的一半，二价的铁离子占据八面体间隙（Fe3+（Fe2+，Fe3+））。
磁铁矿的一个单胞（晶体的最小结构单元）由32个氧离子和24个铁离子所组成，即8（Fe3O4）。
按结晶学原理，32个氧原子按照面心立方堆积的每一单胞，有64个四面体间隙和32个八面体间隙。
如上所述，除了24个被铁离子占据以外，其余大部分是空的，因此可加入助催化剂占据这些空隙形成间隙固溶体。
而且化学式相近的物质，结构类型相同且质点（离子、原子或分子）半径近于相等的物质，可以发生同晶取代，生成置换固溶体，例如三价铝即可置换部分三价铁，形成置换固溶体。
（含量小于4%时主要生成置换固溶体。
若三氧化二铝全部取代氧化铁则生成FeOAl2O3）1.3化学特点铁触媒在500 °C左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500 °C左右进行的重要原因之一。
但是，即使是在500 C和30 MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只为26.4%，即转化率仍不够大。
氨合成中催化剂的理解与应用
Ｖ ｏ１ ． ４０ Ｊｕｌ ｙ． ７
湖
南
农
机
２Ｏ１ ３ 年 ７ 月
Ｊｕｌ ｙ． ２０ １ ３
ＨＵＮＡＮ ＡＧ砌 ＣＵＬ ＴＵＦ ｌ Ｉ ＡＬ Ｍ ＡＣＨＩ ＮＥＦ Ｉ Ｙ
氨合成 中催化剂 的理解 与应用
李 红伟
（ 山东华 鲁 恒升化 工股 份有 限公 司 ， 山东 德 州 ２ ５ ３ ０ ２ ４ ）
了 国 内外 广 泛 应 用 。
铁的氧化物对氨的合成反应 没有催 化作用 ，使用前必须经过
还原 ， 使铁的氧化物转变成 ａ — Ｆ ｅ 微 晶才具 有活性。还原 反应 为吸热反应 ，还原温度一般 用塔 内电加热器或塔外加热炉维 持 。确定还原条件 的原则 ： 一方面使 Ｆ ｅ ， Ｏ 能充分还原为 ａ — Ｆ ｅ 微 晶； 另一方面所生产的 ａ — Ｆ ｅ 微 晶不 能因为再 次重结晶而变 大， 只有这样才能保持它最大 的活性和表面积 。为此 ， 生产上 应选取适宜的还原条件 。 （ １ ） 环原温度 。还原反应是一个吸热反应 。提高还原温度 有利 于平衡 向右移动 ， 且能加快还原速率 ， 缩短还原时间 。但 还原温度过高 ， 生成 ａ — Ｆ ｅ晶粒较 大 ， 从而减少催化剂表面积 ， 使其活性降低 。 如果还原 温度过低 ， 还原速率慢 ， 出水率低 ， 还 原时间长 ， 催化剂还原不彻底。 还原温度的选择 与催化剂 的组 成和制造方法有关 ，但一般最高还原温度应低于或接近氨合 成正常生产时的操作温度 。
尔比约为 １ ： １ ， 即Ｆ ｅ Ｏ： Ｆ ｅ ： ０ ３ ＝ １ ： １ ， 相 当 于 四 氧 化 三 铁 的组 成 ，
所 以成分可视为 Ｆ ｅ ０ ， 具有尖 晶石结构 。
合成氨催化剂技术进展与应用
合成氨催化剂技术进展与应用合成氨催化剂技术进展与应用摘要:综述了主要合成氨催化剂(传统熔铁催化剂、Fe1-xO基催化剂钌基合成氨催化剂)的研究和工业应用情况，并展望了其发展的趋势。
关键词:合成氨;催化技术;熔铁催化剂;Fe1-xO基催化剂;钌基催化剂;应用合成氨是重要的化工原料，主要用来生产化肥、硝酸、铵盐、纯碱等。
多年来人们一直没有停止对合成氨催化剂的研究，先后研究出了传统熔铁催化剂、Fe1 - xO 基催化剂、钌基合成氨催化剂等，对合成氨工业的发展起着推动作用。
1Fe3O4基传统熔铁催化剂二十世纪初，Harber和Mittasch等开发成功了铁基合成氨催化剂之后，人们对此进行了极其广泛和深入地研究。
这些研究曾极大地推动了多相催化科学和表面科学的发展。
1.1经典的火山形活性曲线。
Bosch等在研究合成氨催化剂的初期就已经发现，用天然磁铁矿还原得到的催化剂优于其它铁化合物。
Almquist 等研究了纯铁催化剂的活性与还原前氧化度的关系，发现Fe2+/Fe3+摩尔比(即铁比值)接近0.5、组分接近Fe3O4相的样品具有最高活性。
之后人们通过大量试验发现，铁比值与熔铁基合成氨催化剂的性能有着密切的关系，并一致认为最佳铁比值为0.5、最佳母体相为磁铁矿，铁比值与活性的关系呈火山形分布。
目前为止世界上所有工业铁基合成氨催化剂的主要成份都是Fe3O4。
1.2促进剂的研究(1)碱金属、碱土金属、主族金属传统熔铁催化剂所用的促进剂主要有:Al2O3、K2O、SiO2、CaO和MgO等。
人们通过大量试验发现，这些促进剂对于合成氨反应没有直接的催化作用。
Strongin等的研究结果表明，添加Al2O3首先在表面生成Fe2Al2O4 ，然后以这种新的表面为模板，使α2Fe 晶体的各晶面活性基本相同，从而大大提高了活性。
K2O 主要对铁晶粒的结构有一种固定作用，有利于加快合成氨反应。
SiO2等主要起间隔作用，以阻止铁晶粒出现热烧结。
氨合成催化剂的选择及相关工作
氨合成催化剂的选择及相关工作1 国内氨合成催化剂概况解放前我国没有氨合成催化剂工业，而目前我国研制和生产的氨合成催化剂在国际上已处于领先或先进的水平。
最初用于我国小氮肥厂的是南化公司开发生产的A106型氨合成催化剂，以后由南化研究院和南化公司催化剂厂研制开发了A109型催化剂，于1971年经国家鉴定，其质量水平超过了丹麦的KM-1型催化剂。
以后又开发了A110型催化剂，这是一种低温高活性易还原的催化剂，但其抗毒性和热稳定性较差。
在进一步改进后，南化公司研究院开发了A110-1，浙江工业大学研制开发了A110-2型(即ZA-1型)。
A110-1、A110-2型催化剂抗毒性和耐热性有了较大的提高，因而在氮肥行业普及很快。
到了20世纪80年代中后期和90年代初期，国内催化剂的研制开发又上了一个新的台阶。
福州大学相继研制开发成功A201、A202型含，钴催化剂，南化院研制开发了NCA型含钴催化、剂，华南理工大学研制开发A203型稀土催化剂和浙江工业大学研制开发了亚铁基的A301型氨、合成催化剂。
这些催化剂都具有低温、高活性、易还原的特点，其中A301型氨合成催化剂突破了传统的Fe3O4熔铁催化剂体系，从性能比较看是，国内最先进的氨合成催化剂之一。
2 如何选择氨合成催化剂目前在市场上流通的氨合成催化剂主要有福州大学开发的A201、A202型含钴催化剂，南化研究院开发的NCA型含钴催化剂，华南理工大学研制开发A203型稀土催化剂，郑州大学开发的HA310Q型球形催化剂，浙江工业大学开发的A301型亚铁基催化剂以及上一代的A110系列催化剂等。
A110型系列氨合成催化剂主要是由Fe3O4、Al2O3、K2O、CaO、MgO、SiO2及某些微量元素的化合物组成，它在较低温度下具有较高的催化活性，是一种较理想的氨合成催化剂，在小氮肥厂使用量很大。
A201型氨合成催化剂是铁钴双活性组分的低温高活性氨合成催化剂；它由于氧化钴的加入，导致催化剂的晶体结构、表面结构、孔结构明显变化而提高了催化剂的活性。
氨合成催化剂操作手册
氨合成催化剂操作手册中石化集团南京化学工业有限公司催化剂厂二〇〇二年感谢选用中石化集团南京化学工业有限公司催化剂厂红三角牌催化剂！南化催化剂厂愿与广大红三角牌催化剂用户携手共进，共创美好未来！目录1、引言2、物化性能及工业使用条件3、催化剂的使用3.1选型3.2装填3.3还原3.4 轻负荷期3.5停车3.6维护保养4、催化剂的微机管理1、引言中国石化集团南京化学工业有限公司催化剂厂是我国最早生产催化剂的企业，也是催化剂行业第一家通过质量体系认证（ISO9002）的专业生产厂。
目前能够生产40多个品种、90多个型号的化肥、石油化工、有机化工催化剂。
氨合成催化剂是传统的优势产品，广泛用于国内大、中、小型各类高低压或等压制氨装置，并出口多个国家和地区。
合成氨工业的最终目标是氢、氮化合生成氨。
氨的合成则是通过催化过程来实现的。
氨合成催化剂的合理正确使用是用户效益体的关键所在。
氨合成催化剂的使用，包括从催化剂的选型开始，到催化剂的装填、活化、正常操作、维护保养以及状态预测等一系列过程。
催化剂的性能只有通过工业化应用才能得以体现。
催化剂使用水平的高低影响着催化剂性能的发挥。
为了您更好的使用好催化剂，在使用氨合成催化剂前，敬请阅读本手册2、催化剂的特性南化催化剂厂现有A110-1、Ac(A201)、A202、ZA-5、NC(ICI)74-1等多个型号的氨合成催化剂及其预还原产品。
2.1物化性能2.2化学组成2.3活性指标及执行标准2.4工业使用条件3、催化剂的使用3.1选型确定了合成氨的生产工艺和合成塔内件型式以后，如何选用合适的催化剂是首要的。
催化剂选用得当，不仅其性能可以在使用条件下得以充分发挥，满足设计要求，且可以突出和证实该合成氨工艺和合成塔结构的特点。
催化剂的选用一般包括催化剂型号的确定和粒度的选择。
3.1.1型号的确定合成氨生产工艺不同，特别是合成塔内件存在差异，必然要求与之相适应、相匹配的催化剂。
合成氨工业中的催化剂和反应器设计
合成氨工业中的催化剂和反应器设计合成氨是一种重要的化学品，广泛应用于农业、医药、化工等领域。
在合成氨工业中，催化剂和反应器设计起着至关重要的作用。
本文将探讨合成氨工业中催化剂和反应器设计的相关问题。
合成氨的生产是一个复杂的过程，需要通过催化剂来促进反应的进行。
常用的合成氨催化剂是铁、钼、钴等金属催化剂。
这些催化剂能够在适当的温度和压力下，促使氮气和氢气发生反应，生成合成氨。
催化剂的选择和设计对于合成氨工业的发展具有重要意义。
首先，催化剂的选择要考虑其活性和稳定性。
活性是指催化剂对反应物的转化率和选择性的影响。
稳定性则是指催化剂在长时间使用过程中的耐久性。
合成氨反应是一个高温高压的过程，催化剂需要能够在这样的条件下保持较高的活性和稳定性。
因此，催化剂的设计需要考虑到其物理化学性质和结构特点。
其次，催化剂的形态和载体也是催化剂设计的重要方面。
形态是指催化剂的颗粒形状和尺寸分布。
合成氨反应需要大面积的接触面积，因此催化剂的形态应具有较高的表面积。
常见的催化剂形态有颗粒状、丝状、多孔状等。
载体则是指催化剂的基底材料，常用的载体有氧化铝、硅胶等。
载体的选择要考虑到其热稳定性和化学稳定性，以及与催化剂的相容性。
催化剂的还原性也是催化剂设计的关键问题。
催化剂在反应过程中需要经历氧化和还原的循环。
还原性是指催化剂在还原条件下能够恢复其活性。
合成氨反应中，催化剂的还原性对反应速率和选择性有重要影响。
因此，催化剂的设计需要考虑到其还原性，并通过调控催化剂的组成和结构来提高其还原性。
在合成氨工业中，反应器的设计也是至关重要的。
反应器的设计需要考虑到反应物的传质和传热过程。
传质是指反应物在反应器中的扩散过程，传热则是指反应过程中的热量转移。
传质和传热的效率对反应速率和选择性有重要影响。
因此，反应器的设计需要考虑到反应物的流动性、反应器的尺寸和形状等因素。
此外，反应器的操作条件也是反应器设计的重要方面。
合成氨反应需要高温高压的条件，因此反应器的设计要考虑到安全性和经济性。
为什么Fe基催化剂是最好的合成氨催化剂
为什么Fe基催化剂是最好的合成氨催化剂合成氨工业需要较低温度和压力下具有较高活性的催化剂。
90多年来，世界各国从未停止过合成氨催化剂的研究与开发。
目前，工业催化剂的催化效率在高温下已达90％以上，接近平衡氨浓度(因压力而异)．侧如，在15 MPa及475℃下，A301催化剂的催化效率接近100％。
要提高催化剂的活性，就只有降低反应温度。
另一方面，工业合成氨的单程转化率只有15％～25％，大部分气体需要循环，从而增加了动力消耗。
为了提高单程转化率，也只有降低反应温度才有可能。
因此，合成氨催化剂研究总的发展趋势，就是开发低温高活性的新型催化剂，降低反应温度，提高氨的平衡转化率和单程转化率或实现低压合成氨。
近20多年来，随着英国BP公司钌基催化剂的发明和我国Fe1-x O基催化剂体系的创立，标志着合成氨催化剂进人了一个新的发展时期。
在合成氨反应中，速度控制步骤是N2的解离吸附；而解离N2的强键需要“敞开锅”式结构。
体心立方的Fe(111)面正构成这种表面结构，而其它两种晶面(100)和(110)则偏离此花样。
含有原子的类似于Fe(111)晶面的结构被认为是合成氨反应的活性中心．因此，合成氨反应被认为是结构敏感反应。
Al2O3的表面重构作用可以改变a-Fe的晶面结构．Bare等的研究结果表明，添加Al2O3并在水蒸气和O2中迅速退火之后，活性最低的Fe(110)面的活性几乎与Fe(111)面相同Strongin等的研究结果表明，Al2O3表面重构作用的机理是，Al2O3首先在表面生成FeAl2O4，然后以这种新的表面为模板，使a-Fe晶体生长向(111)或(211)面定向暴露在反应混合物中．经Al2O3表面重构后，(111)，(100)和(110)面的活性基本相同，从而大大提高了活性。
通常认为，催化剂表面的碱中心有利于碱性NH3的脱附。
同样，氮原子具有孤对电子，是一种典型的Lewis碱；显然，催化剂表面的酸中心有利于N2的吸附，NH3 的脱附，特别是N2的吸附，有利于加速合成氨反应。
氨合成催化剂及设备
由于内冷管中气体与环隙中气体换热，使进入环隙中的 气体的温度提高，减小了与催化床层的传热温差。致使反 应初期冷却段上部排热量与放热量不适应。床层温度持续 上升，热点位置下移。到反应后期，由于反应速率降低， 放热量相应减小，而环隙中的气体温度较高，传热温差减 小，放热量与排热量相适应，较接近最适宜温度曲线。
冷却效果，使反应前期冷管的排热量与反应放热量基本适 应；反应后期放热量减少，但传热温差减小，床层温度缓 慢下降。
对 比
单管式并流
结构
• 单管并流式与并流三套管式相比。简化了催化床的结构， 取消了分气盒，用几根较大的升气管取代了三套管中的几 十根内冷管，升气管将气体导入分布环管，进入直径较小 的单管冷却管中，并流通过冷却段床层，汇集到中心管翻 入催化床中进行反应。
催化剂的中毒
能使氨合成催化剂中毒的物质有：水蒸气、一氧化碳、二 氧化碳、氧、硫及硫化物、砷及砷化物、磷及磷化物等。 水蒸气、一氧化碳、二氧化碳和氧等物质使催化剂暂时中 毒。硫、磷、砷和它们的化合物使催化剂中毒以后，不能 在恢复活性，故称为永久中毒。 进塔气体中夹带的油物，对催化剂也有毒害作用。
国内外氨合成催化剂的组成和主要性能
催化剂的作用
Al2O3为结构型助催化剂。它均匀地分散在α-Fe晶格内和 晶格间。 Al2O3的作用有两个，一是增加α -Fe的表面积，并保持 多孔结构；二是防止还原后的铁微晶长大，从而提高催化 剂的活性和稳定性。 K2O和CaO是电子型助催化剂，K2O能促进电子的转移过程， 有利于氮分子的吸附和活化，也促进生物氨的脱附。 CaO能降低固溶体的熔点和粘度，有利于Al2O3和Fe3O4固 溶体的形成，提高催化剂的热稳定性和抗毒害能力。 SiO2往往被视为催化剂制备原料磁铁矿的杂质而带入催化 剂中。由于它作为一种酸性组分在制备催化剂熔融过程中 具有中和K2O、CaO等一些碱性促进剂，从而减弱了这些促 进剂的作用。但是它又类似Al2O3，可以起到稳定α -Fe晶 粒的作用。从而可以增强催化剂的抗水毒害和耐热性。 CoO作为促进剂，添加后催化剂晶粒减小了100.比表面增 大了3m2/g，活性约提高10％。
氨合成反应的特点
氨合成反应的特点1.高温高压条件下进行：氨合成反应通常在300-550摄氏度和80-250大气压下进行。
这些条件有助于提高反应速率和氨的产率。
然而，高温和高压也导致了反应系统的复杂性和安全性的考虑。
2.镍催化剂：氨合成反应通常使用镍作为催化剂。
镍催化剂具有高催化活性和稳定性，能够促进氨的合成反应。
镍催化剂还可以通过添加适量的铝、钾、铷等助催化剂来提高反应效果。
3.反应逆向性：氨合成反应是一个反向反应，根据勒夏特利压力原理，在高温和高压条件下，反应系统中达到一定浓度的氨会降低反应的继续进行。
因此，为了提高氨的产率，反应体系通常会采取一些措施，如使用过量的氮气、氢气和优化反应温度和压力等。
4.反应动力学复杂：氨合成反应是一个多步反应，其中包括氮气和氢气的吸附、氮气的氧化、生成反应中间体等多个步骤。
这些步骤的速率极大地影响了反应进程和产物的选择性。
研究反应动力学和催化剂设计等因素对于优化氨合成反应至关重要。
5.热力学考虑：氨合成反应的热力学因素也是需要考虑的重要因素。
由于氮气和氢气的供应条件以及反应产能的限制，反应体系中生成的一些副产物和不稳定产物也会影响反应的产率和选择性。
因此，在实际的氨合成反应过程中，需要充分考虑热力学和动力学因素的综合影响。
6.原料气体的纯度要求高：氨合成反应对原料气体的纯度要求极高。
氮气和氢气作为反应原料，需要减少其中的杂质气体的含量，如氧、水蒸气、二氧化碳等。
这些杂质气体对催化剂有毒性，会导致催化剂中毒，降低反应效率。
因此，在氨合成反应过程中对原料气体的预处理是非常重要的。
7.氨合成工艺的发展：随着科学技术的进步和氨合成反应的深入研究，目前已经有多种氨合成工艺被广泛应用于工业生产中。
传统的氨合成工艺采用哈伯-博希法，而现在也有新兴的工艺，如自然气体催化合成氨工艺，采用煤为原料的合成氨工艺等。
这些新工艺在节约能源、提高氨合成效率和减少环境污染等方面具有巨大潜力。
总结起来，氨合成反应是一种复杂的工业化学反应，具有高温高压条件、反向性、动力学和热力学因素的考虑，以及对原料气体纯度的要求。
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与经典的以四氧化三铁为主相的催化剂对比
预还原态
评价条件：粒度0.35-0.84mm,SV=1.5×104h-1,P=15Mpa 评价时间：2003年06月
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氨合成催化剂
对比数据
样品型号 耐热后425℃氨净值 变化率% 耐热后400℃氨净值 变化率%
评价时间：2003年05月
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氨合成催化剂
Amomax-10/Amomax-10H催化剂测试结果
2．测试条件 T=425℃ 空速：1.5*104 h-1
评价时间：2003年05月
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氨合成催化剂
催化剂经济分析
•节省压缩机功耗是长期的效益 •同等压缩机功耗条件下增产是长期的效益 •开工相对少的稀氨水排放有利环保并节省开工成本增加效益 •相对短期的开工时间可迅速建立正常生产,节省开工成本增加 效益
Structural and electronic promotors: Ca, Al, K, rare earth elements 结构和电子助剂： Ca, Al, K, 及稀土氧化物
Leading to（达到）: –High activity at low temperature and pressure（低温低压 高活性） –Fast reduction rate（还原速度快） –High mechanical strength（高机械强度）
其它亚铁基产品
组分分布不均匀、富集
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氨合成催化剂
催化剂的助剂分布对比- K2O线分布
AMOMAX-10
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其它亚铁基产品
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氨合成催化剂
Amomax-10/Amomax-10H催化剂测试结果
１．测试条件 Ｐ：15MPa 空速：1.5*104 h-1
Amomax-10 Amomax-10H
亚铁基
-0.70% -0.75%
-4.57%
Fe3O4基
-1.00% -0.41%
-4.20% -1.12% -0.25%
国内样品-1 国内样品-2 国外 预还原
-0.68% -0.31%
评价时间：2003年06月
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氨合成 催化剂
Amomax-10
FeO
不规则
330~500
氧化型
氨合成 催化剂
Amomax10H
α-Fe
不规则
330~500
预还原 型
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氨合成催化剂
Chemical and Physical Properties 物化性能特征
不规则颗粒 2.4-2.6
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氨合成催化剂
Amomax-10 main phase is non-stoichiometric ferrous oxide: Amomax-10的主相与传统的氧化铁催化剂不同： Fe1-xO, Wustite crystal structure（维氏体晶相结构） (x = 0.03 – 0.15)
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氨合成催化剂
催化剂还原性能
•Amomax-10H出水量在25-30Kg/1000Kg
•Amomax-10 出水量在250Kg/1000Kg
还原后比传统磁铁基剩余催化剂量要多
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氨合成催化剂
Amomax-10H预还原产品
经过2004年的生产钝化工艺的改进使钝化膜很薄 致密，有利产品的运输。
2004年配方改进提高了耐热和抗毒性能,突破传统 磁铁基催化剂出口出水小于3000ppm的限制,这是 Amomax-10H生产过程中的重大工艺改进。
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氨合成催化剂
催化剂晶相对比-枝晶网大小和单质铁
单质铁
AMOMAX-10
枝晶网大小相对均匀，不含单质铁
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其它亚铁基产品
枝晶网大剂的助剂分布对比- Al2O3线分布
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氨合成催化剂
与国内外催化剂对比（耐热前后）
亚铁基
亚铁基
含Co 亚铁基
评价条件：粒度0.35-0.84mm,SV=1.5×104h-1,P=15Mpa 评价时间：2003年06月
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氨合成催化剂
氨合成催化剂
氨合成催化剂 Amomax-10/10H
• 低温低压高活性 • 热稳定性能好 • 活性温区宽
• 易还原，起活快，出水少
• 采用磨角工艺，降低使用时床层阻力降
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氨合成催化剂
氨合成催化剂 Amomax-10/-10H
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氨合成催化剂
评价时间：2003年07月-11月
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氨合成催化剂
Amomax-10H与国内使用产品对比
出 口 氨 浓 度
温度
AMOMAX-10H评价结果
评价时间：2002年06月
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氨合成催化剂
催化剂操作性能
•催化剂低温高活性能降低合成塔压缩机功耗(川化/湖北/洞氮), 达到节能效果. •在传统磁铁基塔内件结构模式下,在同样氨净值条件下, 合成 气循环量相对要比使用磁铁基高一些从而多产氨(黑化化肥厂).
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氨合成催化剂
Mineral Wustite (维氏体结构)
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氨合成催化剂
Amomax-10 与其他亚铁基催化剂对比
氨合成催化剂
技术参数
名称 型号 活性组 分 形状 尺寸（mm） 1.5~3.0mm、 2.2~3.3mm、 3.3~4.7mm、 4.7~6.7mm、 6.7~9.4mm、 9.4~13.0mm 3~6 mm、4.5~8 mm、 6~10 mm、8~12 mm 1.5~3.0mm、 2.2~3.3mm、 3.3~4.7mm、 4.7~6.7mm、 6.7~9.4mm、 9.4~13.0mm 3~6 mm、4.5~8 mm、 6~10 mm、8~12 mm 运行温度 （℃） 备注
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氨合成催化剂
催化剂操作性能
•短期停车,Amomax-10H/ Amomax-10在床层260-280 ℃即可迅 速建立合成反应而不用点开工加热炉. •Amomax-10H/ Amomax-10可耐热到520 ℃活性无衰减,还原过 程中顶部超过500 ℃对催化剂无损伤.
•Amomax-10H/ Amomax-10对ppm级别水蒸汽和CO/CO2的吸 附很弱,见澳大利亚昆士兰大学的检测报告.
氨合成催化剂
Amomax-10/Amomax-10H催化剂测试结果
3、测试条件 Ｐ：22MPa 空速：1.0*104h-1 温度：410℃
氨净值（%）=29.29
A103在同等条件下的氨净值(%)=21.56
评价时间：2003年05月
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Amomax-10 1. 化学组份 （标准值） 成份 Fe Fe2O3 + FeO FeO / Fe2O3 促进剂: Al, K, Ca 等八种 2. 物理特征（典型值） 催化剂形状 催化剂尺寸 堆密度, kg/l wt.% Nil 91-92 5~6 Amomax-10H wt.% ≥84
不规则颗粒 各种尺寸都有 3.0-3.3
♣ 研制开发
A110系列 A301 电弧炉 ZA-5 Amomax-10
♣ ♣
生产工艺
电阻炉
200 ℃
助剂添加及分布
Al K Ca + 其它五种助剂 分布均匀
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氨合成催化剂
催化剂还原性能
•Amomax-10具有低温高活性，极易还原的性能 还原出水快,出水少比磁铁基催化剂出水少 还原速度：ICI74-1的1.6倍， A110-2的3.3倍 还原温度: 比A110-2低50℃ ， 比ICI74-1低30 ℃ •Amomax-10 主还原出水期温度 380-430 ℃