氨合成催化剂(三)

氨合成催化剂（三）

2003年2月28日Nitrogen & Methanol

大厂中钌系与铁系催化剂的比较

表1（略）以一假设的2,000t/d的合成氨厂为例，针对传统的熔铁催化剂与第一段采用熔铁催化剂而其余段采用钌系催化剂的一些特征作了对比说明。

从表可看出：在转化塔进口的氢氮摩尔比不同，尽管铁系类氢氮的化学计量比例为3.0，而当内件上采用钌系催化剂时，氢氮计量比例稍低于2.1。当利用活性高的钌催化剂时，转化塔中所需的催化剂容量较少。但在节能方面并没有优越性。

当内件在90巴压力下运转时，合成压缩机可采用单套机器，这是有利的一面，但不利的是由于产品中氨分压较低，冷却困难加大，这使得冷却压缩机的负荷也加大。

从合成和冷却压缩机的轴功率上来看，钌系催化剂在节能方面并没有多少优点，同时，由于压力的差别，钌系催化剂内件的投资费用高于铁系内件。随着工业生产规模需求的不断提高，建立大厂是必要的。为了减小设备、管件的大小，在合成内件上的压力可能提高，例如需达到200巴。

新近开发的Ru-BN催化剂完全适应这些条件，且在加氢反应中完全稳定，而以石墨为载体的催化剂在较高的氢分压气氛下问题则比较严重。尽管存在这么多的优点，但居高不下的钌价格使得钌系催化剂内件所需偿还周期较长，以致于不能与铁系催化剂内件相竞争，特别是目前的趋势已显示所建的大厂一般都选择原料气来源方便的地区。尽管目前钌的价格降了一点，但仍然很高。图3（略）给出了钌在1992-2001年之间的价格变化趋势。

新的氨合成催化剂开发的可能性

在过去的两年内，研究者们利用oretical模型描述了过渡金属氨合成催化剂的催化活性，从研究来看，氮的约束能对于催化剂的性能有着决定性的影响。这种模型准确地描述了已知未促进的、促进的及双金属性催化剂的催化活性。进一步来说，通过这种模型，可很容易评价各种操作条件（温度、压力等）对催化剂活性的影响。在特定的反应条件下，可以估算出某个给定催化剂的氮约束能。举一例子来说明这个问题，图4（略）描述了在不同氨分压条件下，过渡金属催化剂的活性趋势。横坐标为氮对催化剂表面的约束能，纵坐标为催化剂的交叉频率。图中标出了一些金属催化剂，其它未标出的可根据其在元素周期表中的位置采用内插法和外插法得到它在图中的位置。从图

中可看出：氨合成中存在最大的活性点位。在特定的条件下，它的最大活性大约是促进的钌催化剂活性的2-3倍。如果优化制备工艺，生产出具备人们所希望稳定性及氮约束能的催化剂很有可能。到目前为止，促进的Cs/Co3Mo3N 催化剂已具备了所希望的活性，但还没有达到所希望的表面积。即使能达到，由于目前Co、Mo价格较高，因而是否能与传统的铁催化剂竞争也值得怀疑。

由此看来，在氨合成工艺中重要的改进还依靠新的内件结构、新的分离工艺、前置的进一步改进或由新型催化剂建立新的反应机理、或采用新的电子助剂等。在某种程度上来说，合成氨工艺将沿着目前的发展趋势进一步优化。在建设新厂时，最好选择原料来源方便、基础设施好的地区。如果建设高产量的新厂（≥2,500t/d）需要降低特定的投资时，内件尽可能在150巴以下操作以保持设备和管线大小合理布置。在这样的装置中，新近开发的Ru/BN催化剂将是最适合用来降低设备大小和减少催化剂体积的一种产品。

文章标题:氨合成催化剂（三）