合成氨催化剂
合成氨催化剂
合成氨催化剂0707 应化杨超(41) 1．催化剂概述催化剂又叫触媒，根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAQ于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs 自由焓变化。
这种作用称为催化作用。
涉及催化剂的反应为催化反应。
催化剂( catalyst )会诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行化学反应。
催化剂在工业上也称为触媒。
我们可在波兹曼分布( Boltzmann distribution )与能量关系图( energyprofile diagram )中观察到，催化剂可使化学反应物在不改变的情形下，经由只需较少活化能( activation energy )的路径来进行化学反应。
而通常在这种能量下，分子不是无法完成化学反应，不然就是需要较长时间来完成化学反应。
但在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。
2．催化剂的分类2.1按性质分类催化剂有三种类型，它们是：均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂。
均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态 (固态、液态、或者气态)。
多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态。
酶是生物催化剂。
活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。
如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。
大约在37C的温度中(人体的温度)，酶的工作状态是最佳的。
如果温度高于50C或60C，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。
因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。
2.2按组成的组分分催化剂分均相催化剂与非均相催化剂。
非均相催化剂呈现在不同相 ( Phase) 的反应中，而均相催化剂则是呈现在同一相的反应。
一个简易的非均相催化反应包含了反应物(或zh-ch:底物;zh-tw:受质)吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。
合成氨催化剂的发展p
研究发现具有维氏体（WÜstite， Fe1-XO ， 0.04≦x≦0.10）相结构的氧 化亚铁基氨合成催化剂具有最高活性 （氧化态 XRD谱如下图1），否定了 磁铁矿（Fe3O4 ）相还原得到的催化 剂具有最高活性的经典结论。
➢大多数铁系催化剂都是用经过精选 的天然磁铁矿通过熔融法制备的， 习惯称熔铁催化剂。
铁系催化剂活性组分为金属铁。 未还原前为FeO和Fe2O3，其 中FeO质约为 0.5，一般在0.47~0.57之间， 成分可视为Fe3O4，具有尖晶
石结构。
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。
➢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,一直是合成氨工业 的追逐目标。从最初的钌基催化剂的发 明，到铁基催化剂体系的创立和三元氮 化物催化剂的问世，都说明了人们在探 索合成氨道路上所作出的不懈努力。
1.1 熔铁催化剂
长期以来，人们对氨合成催化剂作了大量 的研究，发现对氨合成有活性的一系列金 属为Os，U，Fe，Mo，Mn，W等，其中一 铁为主体的铁系催化剂，因其价廉易得、 活性良好、使用寿命长等特点，在合成氨 工艺中被广泛使用。
工艺过程是可行的。 于是他成功地设计了 原料气的循环工艺。 这就是合成氨的哈伯 法。
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。
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。
合成氨转催化剂
合成氨转催化剂合成氨转催化剂是一种非常重要的化学物质，广泛应用于合成氨的生产过程中。
它通过催化作用，将氮气和氢气转化为氨气，这是一种非常关键的化学反应，因为氨气是很多工业产品的基础原料，而且也用于制造化肥。
合成氨转催化剂的制备过程需要经过一系列的步骤，下面将对这些步骤进行详细介绍。
1. 催化剂制备催化剂是制备合成氨转催化剂的重要组成部分。
催化剂可以是一种固体物质，也可以是一种液体物质。
制备催化剂的过程涉及到一系列的化学反应和精细的材料科学。
催化剂需要具有高效率、高选择性和长寿命等特点，这样才能够在合成氨的生产过程中发挥出最大的作用。
2. 氮气和氢气的处理氮气和氢气是制备合成氨的原料，但它们需要进行一定的处理才能够在反应中有效地发挥作用。
这些处理包括：氮气的压缩、脱水、低温等处理，以及氢气的脱氧、加压等处理。
这些处理的目的是去除杂质、提高纯度和增强反应效果。
3. 反应过程控制在合成氨的生产过程中，需要对反应过程进行严格的控制。
这包括反应温度、压力、反应时间和催化剂的加入等参数的控制。
这些参数的不同组合会直接影响合成氨的产率和选择性。
4. 催化剂再生催化剂在反应过程中会因为各种原因发生损耗，催化活性会减弱或丧失。
为了保证反应的持续进行，需要对催化剂进行再生。
再生的过程包括将损耗剂除去、重新激活活性位点等步骤，这样才能够使催化活性恢复到正常水平。
总之，合成氨转催化剂的制备过程十分复杂，需要各种化学知识和技术。
只有通过科学的方法和严谨的操作，才能够制备出具有优异性能的催化剂，从而使得合成氨的生产能够保证高效、可靠和稳定。
合成氨催化剂厂家名单文档
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(2)临朐泰丰化工有限公司的TA201-2(含钴催化剂),联系人:刘学成。
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手机:133********。
(3)世德催化剂(南京)有限公司的Amax-110(即原来的A-110,磁铁基催化剂),联系人:黄有旺手机:136********
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上海国际化建工程咨询公司
瑞士卡萨利中国代表处工程部
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合成氨的生产流程
合成氨的生产流程合成氨是一种广泛应用于农业和化工领域的重要化学品，它用作肥料和原材料，在现代社会具有重要的意义。
本文将深入探讨合成氨的生产流程，帮助读者更好地理解这一过程的关键步骤和技术。
一、引言合成氨是一种通过将氮气和氢气合成而成的无色气体。
它被广泛应用于农业领域，用于制造氨水肥料，也是合成其他化学品的重要原料。
合成氨的生产流程主要由催化剂反应、气体净化和氨合成等步骤组成。
二、催化剂反应在合成氨的生产过程中，第一步是制备催化剂。
常用的催化剂是铁或铑基催化剂。
这些催化剂具有高度的活性和选择性，能够促使氮气和氢气发生反应。
2.1 清洁气体合成氨的生产过程开始之前，必须先准备清洁的氮气和氢气。
这些气体通常来自裂解炉或氢氟酸生产工艺中的副产品。
在这一步骤中，气体被送入净化系统，去除其中的杂质和不纯物质。
2.2 压力调节氮气和氢气经过净化后，需要将其压力进行调节。
调节后的压力必须与催化剂反应器的工作压力相匹配，以保证反应的正常进行。
2.3 催化剂载体合成氨的催化剂是由催化剂载体和催化剂活性组分组成。
催化剂载体通常是铝、硅和稳定剂等物质的混合物，用于支撑和固定催化剂活性组分。
2.4 催化剂的还原催化剂在装配后，必须进行还原处理。
这一步骤的目的是去除催化剂中的氧化物，提高其活性。
催化剂通常置于高温下，并与一个还原剂（如氨气）反应，还原催化剂的金属离子。
2.5 反应区域设计在合成氨的生产过程中，催化剂反应器的设计十分关键。
反应器通常是由多层催化剂床组成，以提高反应效率。
而且，反应器会在压力、温度和流量等方面进行控制，以确保最佳的反应条件。
三、气体净化在通过催化剂反应产生氨气后，我们需要对气体进行净化处理，以去除催化剂的残留物和其他杂质。
3.1 氨气冷却合成氨反应产生的气体含有大量热量。
在净化处理之前，需要通过冷却处理降低气体的温度，使其达到适合净化的温度范围。
3.2 气体压力调节与催化剂反应步骤类似，氨气也需要在净化过程中进行气压的调节。
合成氨的工艺条件
合成氨的工艺条件合成氨是一种重要的化学原料，广泛应用于制造肥料、农药、塑料、纤维和其他化学产品。
下面将详细介绍合成氨的工艺条件。
1. 反应原料：合成氨的反应原料主要包括氢气和氮气。
氢气常采用气体压缩机将氢气压缩到高压，氮气则从空气中通过分离提取出来。
合成氨的反应物是氮气和氢气的混合气体，总压力通常为100-300 atm。
2. 催化剂：合成氨反应通常需要使用催化剂来降低反应温度和提高反应速率。
最常用的催化剂是铁-钼催化剂，它通常是以氧化铁和氧化钼为主要成分。
这种催化剂能够在相对较低的温度下催化氢气和氮气的反应。
3. 反应温度：合成氨的反应温度通常为300-550。
在这个温度范围内，氢气和氮气可以与催化剂发生反应，生成氨气。
反应温度的选择需要考虑到反应速率和催化剂的稳定性。
4. 反应压力：合成氨的反应压力通常为100-300 atm。
较高的压力有助于提高反应速率和氨气的产量。
然而，过高的压力会增加设备的运行成本和维护难度，因此，需要在经济性和反应效率之间找到平衡。
5. 反应时间：合成氨的反应时间通常为2-6小时。
反应时间的选择需要考虑到反应速率和设备的运行效率。
较长的反应时间有助于提高氨气的产量，但也会增加生产周期和能源消耗。
6. 反应装置：合成氨的反应通常采用固定床反应器。
反应器通常是由催化剂床和加热器组成的容器。
氢气和氮气从反应器的上部通入，在催化剂的作用下发生反应，生成氨气，然后通过反应器的底部排出。
7. 优化工艺条件：为了提高合成氨的生产效率，可以采取一些优化措施。
例如，可以改变催化剂的配方，优化反应温度和压力的组合，改进氢气和氮气的供应方式，以及改进反应器的结构等。
这些优化措施可以提高反应速率和氨气的产量，从而降低成本和提高经济效益。
总结起来，合成氨的工艺条件包括反应原料、催化剂、反应温度、反应压力、反应时间和反应装置等。
通过优化这些条件，可以提高合成氨的产量和生产效率，实现高效、经济的合成氨生产。
合成氨催化剂
合成氨催化剂摘要：合成氨是重要的化工原料，合成氨工业是化学工业的支柱产业。
合成氨工艺主要是对催化剂的研究，文章对合成氨催化剂作研究进展概述，提出了对合成氨催化剂发展的建议。
关键词：合成氨催化剂发展合成氨是重要的化工原料。
氨主要用于制造氮肥和复合肥料，氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12%。
硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。
液氨常用作制冷剂。
合成氨工业在国民经济中占有重要地位, 合成氨是一个大吨位、高能耗、低效益的产业。
因此, 合成氨工艺和催化剂的改进将对降低能耗, 提高经济效益产生巨大的影响。
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, 一直是合成氨工业的追逐目标。
合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。
至今仍没有开发出与其低压高活性相匹配的低压合成工艺，因此，以催化剂为核心技术，通过对催化剂的深入研究，以提高合成氨工业的综合效益。
1、催化剂合成氨的反应机理热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。
当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。
目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。
接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。
上述反应途径可简单地表示为：xFe+N2→FexNFexN+[H]吸→FexNHFexNH+[H]吸→FexNH2FexNH2+[H]吸FexNH3xFe+NH3在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335kJ/mol。
加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。
第一阶段的反应活化能为126kJ/mol～167kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13kJ/mol。
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。
合成氨催化剂
为3d64s2, 钌原子的电子构型为4d75s1, 钌 原子的次外层d 电子, 不仅比铁原子上的 多, 而且离核更远, 受内层电子的屏蔽更 大, 也就是说, 钌原子上的d 电子受原子核 的束缚更小。 在CO 和金属的相互作用中, B lyhoder 设 想, 从CO 分子的5R轨道上提供部分电子 到未满的金属d 轨道, 同时, 从d 轨道上反 馈电子至CO 的2P3 (反键) 轨道, 从而导致 了CO键的削弱。N2 与CO 是等电子分子, 同样的道理, Ru 对N - N 键也有类似的作 用。
的研究，发现对氨合成有活性的一系列金 属为Os，U，Fe，Mo，Mn，W等，其中一 铁为主体的铁系催化剂，因其价廉易得、 活性良好、使用寿命长等特点，在合成氨 工艺中被广泛使用。 大多数铁系催化剂都是用经过精选 的天然磁铁矿通过熔融法制备的， 习惯称熔铁催化剂。
铁系催化剂活性组分为金属铁。
未还原前为FeO和Fe2O3，其 中FeO质量分数24%~38%，亚 铁离子与铁离子的比值约为 0.5，一般在0.47~0.57之间， 成分可视为Fe3O4，具有尖晶 石结构。
各种钌系氨合成催化剂的动力学参数
表中钌系氨合成催化剂在动力学上可分为三类:
(A ) 无载体的催化剂(Ru粉， Ru2CsOH ) ; (B)无 促进剂的负载型催化剂(Ru/Al2O3, Ru/MgO ) ;(C) 氢氧化铯促进的负载型催化剂 (Ru-CsOH/Al2O3, Ru-CsOH/MgO )。
有学者分别以氯化镍为原料,
氢氧化钠为沉淀剂和以硝酸 镍为原料,碳酸氢铵为沉淀剂, 用液相化学沉淀法制备出了 18 nm和7 nm的NiO微粒。
3.5 纳米氧化锌
ZnO是合成氨工业中烃类蒸气转 化脱硫工序和低变(防护)工序催化 剂的活性组分。
合成氨反应注意事项
合成氨反应注意事项合成氨反应是一种重要的工业化学反应，该反应的目的是通过将氮气和氢气在合适的催化剂存在下进行配对，生成氨气。
这个过程需要注意一些事项，以确保反应的进行和产品的质量。
第一，选择合适的催化剂是非常重要的。
催化剂是至关重要的，它可以提高反应速率，降低反应的活化能。
对于合成氨反应，经典的催化剂是铁-铁矿石催化剂，它具有高度的催化活性和稳定性。
此外，还有一些其他的催化剂，如镍和钼系列催化剂。
选择合适的催化剂要考虑反应条件、成本、稳定性和催化剂的再生性。
第二，反应温度和压力的选择也非常重要。
合成氨的最佳反应温度约为400-550摄氏度，而压力则通常为100-250大气压。
较高的温度和压力能够促进反应的进行。
但是，过高的温度和压力也会增加能耗和设备成本。
因此，需要综合考虑经济性和反应速率的平衡，选择适当的条件进行反应。
第三，氮气和氢气的纯度对于合成氨反应有着重要影响。
纯净的氮气和氢气可以减少反应中的杂质和副反应的发生，从而提高氨气的纯度。
通常情况下，氮气的纯度要求在99%以上，而氢气的纯度要求在99.9%以上。
第四，反应系统的密封性和安全性也是需要注意的问题。
合成氨反应是一个高温高压的反应过程，必须保证反应系统的密封性能良好，防止反应物的泄漏和产物的损失。
同时，必须采取必要的安全措施，避免反应过程中的火灾和爆炸危险。
第五，反应物的物料平衡和能量平衡是进行合成氨反应时需要重点考虑的问题。
在设计反应装置时，需要综合考虑反应物的供给、产物的收集和废物的处理。
同时，还需要重点考虑反应过程中的能量平衡，合理利用反应过程中产生的热量，提高能源利用效率。
第六，反应过程中的催化剂失活问题也需要关注。
长时间运行后，催化剂会因为受到污染、灼烧和磨损等原因而失活。
为了保持催化剂的催化活性，需要进行定期的催化剂再生和更换。
对于铁-铁矿石催化剂，通常采用再氢还原和氧化处理的方法进行再生。
总之，合成氨反应是一个复杂的工业化学反应，需要综合考虑催化剂选择、反应条件、反应物纯度、反应系统密封性和安全性、物料平衡和能量平衡等多个方面的因素。
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。
一氧化氮 合成氨 hcl
一氧化氮合成氨 hcl一氧化氮合成氨的过程中，HCl起到了重要的催化作用。
下面将详细介绍这一过程。
在工业上，一氧化氮（NO）和氢气（H2）通过催化剂的作用反应生成氨气（NH3）。
其中，HCl被用作催化剂，促进反应的进行。
一氧化氮和氢气被混合在一起，通常在高温和高压下进行。
这样可以提高反应速率和氨的产量。
接下来，混合气体通过催化剂床层，其中催化剂主要是以铁为基础的化合物。
HCl在该反应中起到了两个重要的作用。
首先，HCl通过与一氧化氮反应生成氯化亚氮（NCl），并将其转化为氯化铁（FeCl2）。
这一步骤被称为氧化剂的还原。
其次，HCl还可以与氢气反应生成氯化氢（HCl）。
这一步骤被称为还原剂的氧化。
催化剂床层中的铁化合物可以有效地催化反应的进行。
它能够吸附和分解氮气和氢气，使它们在表面上与吸附的氯化铁反应，生成氯化亚氮和氯化铁。
然后，氯化亚氮与氢气进一步反应生成氨气。
这个过程是一个多步反应，每一步都需要催化剂的参与。
HCl作为催化剂的一部分，可以提高反应速率和氨的产量。
同时，HCl还能够循环使用，使得反应可以持续进行。
通过一氧化氮合成氨，我们可以利用这一反应制备出大量的氨气。
氨气在工业上有着广泛的应用，例如作为肥料的原料、合成化学品的中间体等。
因此，一氧化氮合成氨的过程具有重要的意义。
一氧化氮合成氨的过程中，HCl作为催化剂发挥着重要的作用。
它促进了一系列反应的进行，使得氨气得以高效产生。
这一过程在工业上具有重要的应用价值，并且通过合理的催化剂设计和反应条件控制，可以实现高效的氨气合成。
铁基催化剂在合成氨中的作用
铁基催化剂在合成氨中的作用一、引言合成氨是现代化工产业的重要基础原料之一，广泛应用于农业肥料、炸药制造和化工原料等领域。
哈柏-博世法是目前工业上合成氨的主要方法，该方法通过氮气和氢气在高温高压条件下，利用催化剂加速反应生成氨气。
铁基催化剂作为哈柏-博世法中最常用的催化剂之一，其性能直接影响到合成氨的效率和成本。
二、铁基催化剂的特点铁基催化剂具有良好的催化活性、稳定性和经济性，成为工业合成氨过程中的首选催化剂。
其特点主要表现在以下几个方面：1. 催化活性：铁基催化剂能有效降低氮气分子的解离能垒，加速氮气与氢气的反应速率。
2. 热稳定性：在合成氨的高温工作环境下，铁基催化剂能够保持结构稳定，不易发生烧结或活性下降。
3. 抗中毒性：铁基催化剂对于一些常见的催化剂毒性物质如硫、磷等具有一定的耐受性。
4. 经济性：铁是地壳中丰度较高的元素，相比其他金属催化剂如铑、钌等，铁基催化剂具有更低的成本，适合大规模工业应用。
三、铁基催化剂在合成氨中的作用机理铁基催化剂在合成氨中的核心作用是加速氮气和氢气的反应过程。
具体的作用机理可以分为以下几个步骤：1. 吸附：氮气和氢气分子在铁基催化剂表面发生吸附，这是反应开始的第一步。
铁基催化剂的表面具有特定的活性位点，能够吸附气体分子。
2. 解离与活化：吸附在催化剂表面的氮气分子在铁基催化剂的作用下解离成氮原子，而氢气分子则解离成氢原子。
这一步是整个合成氨过程中最关键的步骤，因为氮气分子的N≡N三键非常稳定，需要很高的能量才能打开。
3. 形成氨分子：活化后的氮原子和氢原子在铁基催化剂表面进行组合，生成NHx（x=1,2,3）中间体，最终形成NH3分子并从催化剂表面脱附。
四、铁基催化剂的改进与优化尽管铁基催化剂在合成氨中已经得到了广泛应用，但科研人员仍然在不断探索如何提高其催化效率和稳定性。
改进和优化的方向主要包括：1. 掺杂改性：通过引入其他金属元素如钾、铝、钙等对铁基催化剂进行改性，可以调整催化剂的电子结构和表面性质，提高其催化活性和选择性。
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铁基催化剂的双峰形活性曲线
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结果表明：在7.0~7.5MPa等压合成氨工 艺条件下，A301催化剂的氨净值为10~12%， 在8.5MPa或10MPa微加压合成氨工艺条件 下，氨净 7.0~7.5MPa 可高达12~15%,可以 满足合成氨工业经济性对氨净值的要求。目 前我国生产的A301催化剂起始温度在 280~300℃，主期温度在400~480℃，使用 温度在300~520℃，使用压力在8.0~32Mpa， 氨净值为12~17%。因此采用A301催化剂实 现等压或微加压合成氨是可行的，并且可获 得显著的经济效益。
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经典火山活性曲线
关于合成氨熔铁催化剂,人们一直都认为R值 (即Fe2+/Fe3+)为0.5时其催化活性达到最佳状 态,这一经典理论沿袭了80多年,直到刘化章 等人找到了性能更佳的新的熔铁催化体 系———维氏体Fe1-XO体系才突破了这一经 典结论,标志着合成氨催化剂进入了一个新 的发展时期。
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3.6 纳米三氧化钼
MoO3是合成氨脱硫工序催化剂的活性组 分。
有学者以低品位钼精矿为原料,用热分解 法制备出了接近纳米级的MoO3微粒。
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由于纳米材料的小尺寸及特殊的表面结构， 使得纳米催化剂具有特殊性能。和传统催 化剂相比，纳米催化剂的平均选择性提高 5～10倍，活性提高2~7倍。纳米催化剂的 这些优异性必将得到更好的开发利用。
例如:以硫酸亚铁铵、草酸和丁醇为原用 液相化学沉淀法先进行沉淀反应,再进行干还 原,制备出了粒径为100~300 nm的纳Fe3O4的 微粒：以二氯化铁、三氯化铁和氨水原料,用 液相化学共沉淀法制备出了平均11.8 nm的纳 米微粒;以硝酸铁和草酸铵料,制备出纳米级的 Fe3O4微粒。
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3.2 纳米三氧化二铁
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4 钌系催化剂
钌系氨合成催化剂是一类负载型 金属催化剂，选择适当的活性前 身物， 添加某种促进剂, 用浸渍 法负载在载体上， 经一定条件还 原处理后转化成活性组分。催化 剂中存在钌与载体、钌与促进剂、 促进剂与载体三者间的相互作用。
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4.1 钌基催化剂的发展
20 世纪30 年代Zenghelis 和Stathis 首 次报道了钌的氨合成催化活性,但活 性不如铁,之后很长一段时间未见报 道。1972 年Ozaki 等发现,钌为活性 组分、金属钾为促进剂、活性炭为 载体的催化剂对氨合成有很高的活 性,在常压下的活化能为6911 kJ / mol ,打开了钌催化剂研究之先河 。
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同时，与A110—2型、A201型相比， A301型催化剂的还原温度降低了30~50℃， 出水非常快，在出水的同时有大量氨合成。 出水主期温度为400~430℃，最终还原温度 为475~480℃。对于中、小型合成氨厂，正 常还原过程在48~72h内完成。此外，A301 型催化剂的活性温度 比A110系列和A201型 降低了15~30℃，其催化活性（氨净值）也 高。图表3为主要铁基催化剂的性能比较。
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➢ 1913年，德国当时最大的化工企业——巴 登苯胺和纯碱制造公司 ，进行了多达6500 次试验，测试了2500种不同配方的催化剂 后，最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂， 将哈伯的合成氨的设想变为现实，一个日 产30吨的合成氨工厂建成并投产 。
➢鉴于合成氨工业生产的实现和它的 研究对化学理论发展的推动，1918 年，哈伯获得了诺贝尔化学奖。
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刘化章等在促进剂为Al2O3—K2O—CaO， 反应压力1.51MPa，反应温度425℃，空速 30000-1h的条件下，系统研究了合成氨铁基 催化剂活性与其母体相组成的关系，发现催 化剂的活性随母体相呈双峰形曲线变化（见 下图2）。当母体相为Fe1—XO时具有最高的 活性和极易还原的性能。刘化章等于90年代 初期研制并批量生产出A301型Fe1—XO基催 化剂。90年代中期对A301型进一步改进， 又开发出性能更加优异的ZA—5型Fe1—XO 基催化剂。
KAAP 催化剂是以石墨化的碳为载体,以 R是u氨3 (C合O成) 1催2为化母剂体发的明新八一十代年钌来基首催次化工剂业,它化 的非铁系催化剂。
在低温低压下具有高活性,据报道,在压力 619MPa 、温度437 ℃、空速10000 h-1条件 下,使用KAPP 催化剂出口氨含量为1117 % , 而同样条件下使用铁基氨合成催化剂出口 氨含量仅为610 %。另外,KAAP 催化剂氢 氮比的可操作范围 大,可以从1∶1 到3∶1 ， 因此使合成氨厂的设计灵活性增加,不必为 调整氢氮比而增加工序。
1.2 亚铁型催化剂
FeO具有化学非整比性 氧化性和亚稳 定性在常温下FeO的氧化反应和歧化反应 速度很缓慢。含多种助剂的Fe1-XO基催 化剂在动力学上是稳定的，母体中只有 一种铁氧化物（Fe1-XO ）和一种晶体结 构（Wustite），只有维氏体单独存在于 催化剂中时才具有高活性。
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研究发现具有维氏体（WÜstite， Fe1-XO ， 0.04≦x≦0.10）相结构的氧 化亚铁基氨合成催化剂具有最高活性 （氧化态 XRD谱如下图1），否定了 磁铁矿（Fe3O4 ）相还原得到的催化 剂具有最高活性的经典结论。
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含稀土元素 的合成氨催化剂 在大型化肥厂的 使用还不多，在 中型化肥厂的使 用占11. 4% 。
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3 合成氨纳米催化剂
➢ 目前合成氨纳米催化剂主要有： 1.纳米四氧化三铁 2.纳米三氧化二铁 3.纳米氧化铜 4.纳米氧化镍 5.纳米氧化锌 6.纳. 米三氧化钼等
3.1 纳米四氧化三铁
Fe3O4是合成氨工业中合成工序催化剂的 性组分,现有许多学者对纳米Fe3O4的制备进 了研究。
成催化剂,但是由于影响催化剂性能的因素的
复杂性,到目前为止仅以石墨化的炭为载体、
以Ru3 (CO) 12为母体的钌催化剂实现了工业
化。
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4.5 KAAP技术
KAAP技术就是当今世界实现工业化 的钌基催化氨合成的成熟技术。1979 年,BP 公司和Kellogg 公司联手合作, 由BP 负责开发低温低压下高活性的 钌基氨合成催化剂,由Kellogg 公司负 责开发与其配套的氨合成工艺,共同开 发新型氨合成工艺KAAP。
Fe2O3是合成氨变换工序中变催化剂的活性组分。有 学者利用金属离子在高分子配合物中独特的离子簇结 构,以高分子材料为介质,通过化学氧化和还原的方法 制备出了粒径20~200 nm 的Fe2O3微粒。我们以硝酸 铁和碳酸氢铵为原料,用沉 淀法制备出了30 nm左右的 Fe2O3微粒。
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3.3 纳米氧化铜
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氧化态催化剂XRD谱图
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多年来，人们一直认为熔铁型合成氨催化剂的活 性随母体相呈火山形曲线变化，且当母体相为Fe3O4时 活领域的研究仅局限于Fe3O4体系。而八十年代中期， 浙江工业大学的刘化章教授在系统研究了合成氨催化 剂活性与其母体相组成的关系后，发现催化剂的活性 随母体相呈双峰形曲线分布，而不是传统的火山形分 布，这一结果的发现突破了合成氨催化剂发展的80多 年中一直束缚人们的传统理论，成为合成氨催化剂历 史上的一次重大突破。
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铁系催化剂活性组分为金属铁。 未还原前为FeO和Fe2O3，其 中FeO质量分数24%~38%，亚 铁离子与铁离子的比值约为 0.5，一般在0.47~0.57之间， 成分可视为Fe3O4，具有尖晶
石结构。
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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。
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这标志着农业上所 需氮肥的来源主要 来自有 机物的副产 品，如粪类、种子 饼及绿肥 的时代已 经过去了。工业合 成氨迎来了前所未 有的发展。
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经过一个多世纪的发 展，如今合成氨的技 术已经很成熟。但是 合成氨工业仍然是一 个高耗能的产业。因 而，合成氨工艺和催 化剂的改进将对降低 能耗，提高经济效益 产生巨大的影响。
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4.3 钌基催化剂的特点和应 用
由于钌属于稀贵金属, 通常采用浸渍法制备成 负载型的催化剂。经研究发现, 载体的酸碱性、 促进剂的电子效应以及钌活性前身物和制备 方法都对钌基催化剂的性能有重要影响。
钌催化剂的主要特点是高活性,可在高氨浓度、
宽范围H2/ N2 比、低温低压下操作。
尽管国外大量研究人员在开发研究载钌氨合
➢ 有学者分别以氯化镍为原料, 氢氧化钠为沉淀剂和以硝酸 镍为原料,碳酸氢铵为沉淀剂, 用液相化学沉淀法制备出了 18 nm和氧化锌
ZnO是合成氨工业中烃类蒸气转 化脱硫工序和低变(防护)工序催化 剂的活性组分。
自1991年以来,许多学者相继 以锌盐为原料,用各种方法制备出 了粒径8~100 nm的ZnO微粒成都汇 丰化工厂、江苏常泰化工集团等企 业还投入了一定规模的生产。
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➢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,一直是合成氨工业 的追逐目标。从最初的钌基催化剂的发 明，到铁基催化剂体系的创立和三元氮 化物催化剂的问世，都说明了人们在探 索合成氨道路上所作出的不懈努力。
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1.1 熔铁催化剂
长期以来，人们对氨合成催化剂作了大量 的研究，发现对氨合成有活性的一系列金 属为Os，U，Fe，Mo，Mn，W等，其中一 铁为主体的铁系催化剂，因其价廉易得、 活性良好、使用寿命长等特点，在合成氨 工艺中被广泛使用。 ➢大多数铁系催化剂都是用经过精选 的天然磁铁矿通过熔融法制备的， 习惯称熔铁催化剂。
CuO是合成氨变换工序低变 催化剂的活性组分。
有学者以硝酸铜和碳酸 钠为原料,用沉淀法制备出了 5~9 nm的CuO微粒。我们以硝 酸铜和碳酸铵为原料,用沉淀 法也制备出了10nm左右的CuO 微粒。
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3.4 纳米NiO