氨合成反应动力学

当内扩散控制时，动力学方程为
rNH3=kP
式中:rNH3为反应速率,k为扩散系数,p为反应物的总压。
当化学动力学控制时，在来自百度文库近平衡时：
rNH3
k1 pN2
3 pH 2 2 pNH3
k2
2 pNH 3 3 pH 2

1a
捷姆金本征 动力学方程
产氨速率 a n2 y2, NH 3 n1 y1, NH 3 n0 y NH 3 (1 y1, NH 3 )(1 y2, NH 3 ) n0 y2, NH 3 1 y2, NH 3 n0 y1, NH 3 1 y1, NH 3
n1y NH 3 1 y2, NH 3
• 2. 温度
• 正如在变换反应所讨论的那样，氨合成反应也存在一个最佳温度。
图 1.30
• 3. 压力
• 从速度方程可看出，提高压力可使正反应速度增加大于 逆反应速度增加，所以一般选择较高压力。同时必须在 较高压力下才有可观的速度。但现代设计并不盲目高压 力，而是综合考虑全厂经济效益，选择压力比以前有所 降低。
式中:rNH3——氨合成反应的净速率： k1，k2——正、逆反应速率常数； pN2, pH2, pNH3——N2, H2, NH3的分压. a为常数，与催化剂性质及反应条件有关，由实验测定
影响反应速度的因素
• 1. 空间速度
• 空速增加，生产强度提高。 • 生产强度：单位时间单位体积催化剂的产氨量。 • 氨分解基流量：将含氨混合气折算成不含氨的氢 氮气的流量。 • n0=n(1-yNH3+2yNH3)=n(1+yNH3)
谢谢欣赏
制作人：刘清,李建伟
20000-30000h-1
15MPa
10000h-1
• 再将上式中的流量换成空速，得出生产能力的公式
G 17V0 s y NH 3 22.4(1 y1, NH 3 )(1 y2, NH 3 ) 17Vs1y NH 3 22.4(1 y2, NH 3 ) 17Vs 2 y NH 3 22.4(1 y1, NH 3 )
氨合成反应动力学
演讲人：刘清
合成氨反应的动力学
了解
①动力学过程 氨合成为气固相催 化反应，它的宏观动力学过程包 括以下几个步骤。
气固相催化反应宏观过程





氮氢气体从气流主体扩散到催化 剂颗粒的外表面----外扩散 反应物从外表面向催化剂的孔道 内部扩散----内扩散 反应物被催化剂吸附----吸附 在催化剂内部孔道内组成的内表 面上进行催化反应----化学反应 产物从催化剂表面脱附----脱附 产物从催化剂内表面扩散到外表 面----内扩散 产物从外表面扩散到气流主体---外扩散
(二）当气流速度相当大;催化剂力度足够小时. 氨合成的反应速度主要受吸附氮的步骤所控制 .而 扩散因素对反应的影响很小. 实际生产中.为了防止合成塔阻力过打.催化剂 力度不能过小.所以内扩散对氨合成的影响是不能 忽视的.在合成塔结构和催化层阻力允许的情况下. 应当采用粒度较小的催化剂.以减小内扩散的影响. 提高内表面利用率.加快氨的生成速度.
• 再将上式中的流量换成空速，得出生产能力的公式
G 17V0 s y NH 3 22.4(1 y1, NH 3 )(1 y2, NH 3 ) 17Vs1y NH 3 22.4(1 y2, NH 3 ) 17Vs 2 y NH 3 22.4(1 y1, NH 3 )
• 实际生产不可能无限增加空速，空速大系统阻力大，功 耗增大。另外，新鲜气量一定时，空速增大只能通过增 加循环气量来实现，循环气量过大，除了上述功耗原因 外，还使单位循环气产氨量下降，从而使气体温升下降， 产生不能维持“自热”的问题。一般空速值为：30MPa
⑴
⑵ ⑶ ⑷ ⑸ cA
S
A
cA
g
⑹ ⑺
B
A （g） B（g）
氮、氢气在催化剂表面反应过程的机理，可表示为： N2(g)+Cate —→2N(Cate)
H2(g)+Cate —→2H(Cate)
N(Cate) + H(Cate) —→NH(Cate) NH(Cate) + H(Cate) —→NH2(Cate) NH2(Cate) + H(Cate) —→NH3(Cate)
NH3(Cate)—→NH3(g) + (Cate)
实验结果证明,N2活性吸附是最慢的一步，即为表面 反应过程的控制步骤。
• 对整个气固相催化反应过程，是表面反应控制还
是扩散控制，取决于实际操作条件。低温时可能
是动力学控制，高温时可能是内扩散控制； • 大颗粒的催化剂内扩散路径长，小颗粒的路径 短，所以在同样温度下大颗粒可能是内扩散控制， 小颗粒可能是化学动力学控制。
• 实际生产不可能无限增加空速，空速大系统阻力大，功 耗增大。另外，新鲜气量一定时，空速增大只能通过增 加循环气量来实现，循环气量过大，除了上述功耗原因 外，还使单位循环气产氨量下降，从而使气体温升下降， 产生不能维持“自热”的问题。一般空速值为：30MPa
20000-30000h-1
15MPa
10000h-1
• 4. 氢氮比
• 这一因素在化学平衡中已经讨论过，考虑动力学等其它 因素时，氮含量可略提高，但基本无大变化，仍为2.9-3.0 的范围。
5 内扩散对氨合成反应速度的影响
(一)采用小颗粒催化剂可提高内表面利用 率。但颗粒过小压力降增大，且小颗粒催化剂 易中毒而失活。因此．要根据实际情况，在兼 顾其他工艺参数的情况下，综合考虑选择催化 剂粒度.