合成氨催化剂ppt课件
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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PPT课件
合成氨催化剂的发展
1
1 合成氨的历史回顾
1908年7月，德国化 学家弗里茨·哈伯在实 验室用N2和H2在 600℃、200个大气压， 以锇为催化剂的条件 下下合 成了氨，虽然 产率仅 有8%，却 也是一项重 大突 破。
2
➢ 哈伯认为若能使反应 气体在高压下循环加 工，并从这个循环中 不断地把反应生成的 氨分离出来，则这 个 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。
28
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。
29
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。
11
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。
12
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。
16
铁基催化剂的双峰形活性曲线
17
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。
1
1 合成氨的历史回顾
1908年7月，德国化 学家弗里茨·哈伯在实 验室用N2和H2在 600℃、200个大气压， 以锇为催化剂的条件 下下合 成了氨，虽然 产率仅 有8%，却 也是一项重 大突 破。
2
➢ 哈伯认为若能使反应 气体在高压下循环加 工，并从这个循环中 不断地把反应生成的 氨分离出来，则这 个 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。
28
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。
29
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。
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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。
12
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。
16
铁基催化剂的双峰形活性曲线
17
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。
合成氨催化剂的发展p
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。
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。
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。
工业合成氨课件
提__高_很__少__，__但__需_要__的__动__力__更_大__，__对__设__备_的__要__求__更__高_。
5、在合成氨反应中，入口气体体 积比 N2:H2:NH3 为6:18:1，出口 气体体积比为9:27:8，则H2的转
化率为___2_5_%___。
起始
N2+3H2 6 18
2NH3 1
施来提高反应速率？
2、压强的选择
①合成氨反应是气态物质系数减小的气体 反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使 平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩 H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合 实际科学技术。
综合以上两点:根据反应器钢材质量 及综合指标，一般选择中压生产。
弗里茨·哈伯：
给人类带来丰收和 喜悦的天使，用空 气制造面包的圣人。
合成氨反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
假如你是一个合成氨工厂的老板，对工业生 产你会考虑哪些问题？
反应的可能性要强 原料的利用率要高 单位时间内产率高
化学反应的方向性
增大化学反应限度 加快化学反应速率
另外还要考虑生产中的能源消耗、原料 来源、设备条件、环境保护等因素。
(D)合成氨工业采用20 MPa ---- 50MPa ，是因该条 件下催化剂的活性最好
4.已知2SO2(g)+O2(g)
2SO3 (g) △H＜0。
催化剂的温度是_4_5_0_℃__。 (2)应采用的压强是__常__压__，理由是__因__为_常__压__下__SO2 __的__转__化_率__已__经__很__高_，__若__采__用__较_大__压__强__，__S_O_2_的__转__化_率_
5、在合成氨反应中，入口气体体 积比 N2:H2:NH3 为6:18:1，出口 气体体积比为9:27:8，则H2的转
化率为___2_5_%___。
起始
N2+3H2 6 18
2NH3 1
施来提高反应速率？
2、压强的选择
①合成氨反应是气态物质系数减小的气体 反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使 平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩 H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合 实际科学技术。
综合以上两点:根据反应器钢材质量 及综合指标，一般选择中压生产。
弗里茨·哈伯：
给人类带来丰收和 喜悦的天使，用空 气制造面包的圣人。
合成氨反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
假如你是一个合成氨工厂的老板，对工业生 产你会考虑哪些问题？
反应的可能性要强 原料的利用率要高 单位时间内产率高
化学反应的方向性
增大化学反应限度 加快化学反应速率
另外还要考虑生产中的能源消耗、原料 来源、设备条件、环境保护等因素。
(D)合成氨工业采用20 MPa ---- 50MPa ，是因该条 件下催化剂的活性最好
4.已知2SO2(g)+O2(g)
2SO3 (g) △H＜0。
催化剂的温度是_4_5_0_℃__。 (2)应采用的压强是__常__压__，理由是__因__为_常__压__下__SO2 __的__转__化_率__已__经__很__高_，__若__采__用__较_大__压__强__，__S_O_2_的__转__化_率_
《合成氨生产》课件(13)
铁系催化剂为黑色不规则颗粒，有金属光 泽。还原后的催化剂一般为多孔的海绵状结构， 孔呈不规则的树枝状，内表面为4～16 m2/g。 注意事项：避免催化剂受潮及还原后的催 化剂暴露在空气中。
（2）催化剂的还原和使用 氨合成催化剂中的Fe3O4，必须经还原为 α—Fe后才具有催化活性。还原反应： Fe3O4＋4H2≒3Fe＋4H2O（g） △H﹥0 确定还原条件的原则：一方面是使Fe3O4充 分还原为α-Fe，另一方面是还原生成的铁结晶 不因重结晶而长大，以保证有最大的比表面积 和更多的活性中心。为此，生产上宜选取合适 的还原温度、压力、空速及还原气组成。
2、温度 合成氨反应存在最适宜温度。在最适宜温 度下，氨合成反应速率最快，氨合成率最高。 氨合成反应温度，一般控制在400～500℃， 工业生产中，应严格控制两点温度，即催化剂 床层入口温度及热点温度。催化剂床层入口温 度应等于或略高于催化剂活性温度的下限，热 点温度应小于或等于催化剂活性温度的上限。 到生产后期，由于催化剂活性下降，应适当提 高操作温度。
b、水吸收法 水吸收法是利用气态氨在水中的溶解度很 大，与溶液呈平衡的气相中氨分压很低的特点 进行的，可使气相中氨含量降至0.5％以下。 但气相被水蒸汽饱和，为防止催化剂中毒，循 环气需严格脱水后才能进氨合成塔。 水吸收法得到的产品是浓氨水。由浓氨水制 取液氨须经氨水蒸馏和气氨冷凝等பைடு நூலகம்骤。
（4）未反应氢氮气的处理 未反应氢氮气经循环压缩机加压，与新鲜 氢氮原料气混合，重新进入氨合成塔进行反应。 （5）惰性气体的排放 惰性气体为甲烷和氩气。小部分惰性气体 溶解于液氨中被带出，大部分在循环气中积累 下来。惰性气体进行放空处理，排放位置应选 择在惰性气体含量最大而氨含量最小的地方。 放空气中的氨可用水吸收或冷凝回收。
氨的工业合成(共53张PPT)
课 时 作 业
菜
单
LK ·化学 选修 化学与技术
教 学 目 标 分 析 课 堂 互 动 探 究
1.合成氨反应的化学方程式：N2＋3H2
教 学 方 案 设 计
2NH3 。
当 堂 双 基 达 标
2．合成氨反应的特点： (1)可逆反应；(2) 放 热反应；(3)气体总体积 缩小 的反 应。
课 前 自 主 导 学 菜 单
课 时 作 业
LK ·化学 选修 化学与技术
教 学 目 标 分 析 课 堂 互 动 探 究
教 学 方 案 设 计
当 堂 双 基 达 标
课 前 自 主 导 学 菜 单
课 时 作 业
LK ·化学 选修 化学与技术
教 学 目 标 分 析 课 堂 互 动 探 究
教 学 方 案 设 计
当 堂 双 基 达 标
1.合成氨反应的特点： (1)可逆反应；(2)放热 反应；(3)气体体积缩小 的反应。(重点) 2.合成氨适宜条件的选 择：(1)高压；(2)适当 温度；(3)催化剂。(重 点) 3.勒夏特列原理在合成 氨反应中的应用。(重 难点) 4.合成氨工艺流程。(重 点)
课 堂 互 动 探 究
当 堂 双 基 达 标
课 前 自 主 导 学
②影响化学平衡移动的外界因素有哪些？ 【提示】 温度、浓度、压强。
课 时 作 业
菜
单
LK ·化学 选修 化学与技术
教 学 目 标 分 析 课 堂 互 动 探 究
③合成氨实际生产中采用高温、高压、催化剂，其中有 利于提高平衡混合物中NH3的百分含量的因素有哪些？
【提示】 高温不利于平衡正向移动；催化剂对化学平
教 学 方 案 设 计
升温、增加N2或H2浓度，使用催化剂均能加快反应速率； 加压、降温、及时分离出NH3、增加c(N2)和c(H2)均有利于 平衡正向移动，增大氨的产率。
合成氨PPT课件
反应特点 ：
主要副反应
主反应总体上是吸热，体积增大的反应
C4 ＝ H 2 H 2 C 7.9 4 k.m J 1ol 2 C O C2 O C 1.7 4 k2 .m J 1ol C H O 2 ＝ H 2 O C 1.3 3 k 6 1 .m J 1o
16
1.2.1 甲烷蒸汽转化反应的热力学分析
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。
哈伯及其实验装置
合成氨发展的三个典型特点： 1. 生产规模大型化。 1000~1500T/日 2. 能量的合理利用。 用过程余热自产蒸汽推动蒸汽机供动力，基本不用电能。 3. 高度自动化。 自动操作、自动控制的典型现代化工厂。
第1章 合 成 氨 Synthesis of Ammonia
授课教师：蔡永伟
1
主要内容
1 1.1 概 述 2 1.2 原料气的制取 3 1.3 原料气的净化 4 1.4 氨的合成
2
1.1 概述 (Preface)
• 空气中含有游离氮(N2：78.03%)，但是只有豆科等能 够直接吸收空气中的游离氮。
1908年7月，德国化学家弗里茨·哈伯在实验 室用N2和H2在600℃、200个大气压，以锇 为催化剂的条件下合成了氨，虽然产率仅有 8%，却也是一项重大突破。并成功地设计了 原料气的循环工艺，这就是合成氨的哈伯法。
1913年，德国当时最大的化工企业——巴登 苯胺和纯碱制造公司，组织了以化工专家波施 为首的工程技术人员将哈伯的设计付诸实施， 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，将哈伯的合成氨设想变为现实， 一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产。
工业催化原理》第四章 合成氨工业催化基础和过程幻灯片PPT
② 真实吸附模型的等温方程：
因为真实吸附与Langmuir吸附模型并不完全一致，与真实吸附模型的速率方程相对 应，下面介绍两种等温方程：
（1）Temkin等温方程
从Elovich速率方程，吸附平衡时：
kap e /R Tkde / RT
两边取对数得 ： RTlnka p kd
或
1
lnCo
p
（2）Freundlich等温方程
工业催化原理》第四章 合 成氨工业催化基础和过程
幻灯片PPT
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第一节 吸附作用与催化反应
化工资源有效利用国家重点实验室
第一节 吸附作用与催化反应
物理吸附与化学吸附的主要特征
作用力 吸附热 吸附速度 吸附温度 吸附层数 选择性 可逆性
物理吸附
化学吸附
范德华力
化学键力
< 40 kJ/mol 吸附速率快，不需活化
≥ 40 kJ/mol 吸附速率慢，一般需活化
接近气体的液化点
通常在高温下，高于气体的液化点
EaEa oln
EdEd oln
从理论上可推导出吸附和脱附速率方程分别为：
rakap/RT
rd kd /RT
化工资源有效利用国家重点实验室
第一节 吸附作用与催化反应
（三）吸附平衡
当吸附速率与脱附速率相等时，催化剂表面上吸附的气体量维持不变，这种状态即为 吸附平衡。吸附平衡与压力、温度、吸附剂的性质、吸附质的性质等因素有关。 通常物理吸附很快就能达到平衡，而化学吸附则很慢，这与化学吸附往往需要活 化能有关。
因为真实吸附与Langmuir吸附模型并不完全一致，与真实吸附模型的速率方程相对 应，下面介绍两种等温方程：
（1）Temkin等温方程
从Elovich速率方程，吸附平衡时：
kap e /R Tkde / RT
两边取对数得 ： RTlnka p kd
或
1
lnCo
p
（2）Freundlich等温方程
工业催化原理》第四章 合 成氨工业催化基础和过程
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第一节 吸附作用与催化反应
化工资源有效利用国家重点实验室
第一节 吸附作用与催化反应
物理吸附与化学吸附的主要特征
作用力 吸附热 吸附速度 吸附温度 吸附层数 选择性 可逆性
物理吸附
化学吸附
范德华力
化学键力
< 40 kJ/mol 吸附速率快，不需活化
≥ 40 kJ/mol 吸附速率慢，一般需活化
接近气体的液化点
通常在高温下，高于气体的液化点
EaEa oln
EdEd oln
从理论上可推导出吸附和脱附速率方程分别为：
rakap/RT
rd kd /RT
化工资源有效利用国家重点实验室
第一节 吸附作用与催化反应
（三）吸附平衡
当吸附速率与脱附速率相等时，催化剂表面上吸附的气体量维持不变，这种状态即为 吸附平衡。吸附平衡与压力、温度、吸附剂的性质、吸附质的性质等因素有关。 通常物理吸附很快就能达到平衡，而化学吸附则很慢，这与化学吸附往往需要活 化能有关。
合成氨PPT教学课件
• 干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干 扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干 扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然 产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干 扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存 在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发 现，β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、 31位和141位），推测可能是有一个或几个半胱 氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位 的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸， 结果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性 提高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存 稳定性高很多。
2．生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体 的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还 可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发 其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人 的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少 与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合 区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造 加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需 要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需 锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸 侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位 Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开 发作为临床用药还有大量的工作要做。
例如：
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
改造干扰素（丝氨酸） Nhomakorabea体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶
改造
（352位的苏氨酸）
玉米中赖氨酸含量可提高数倍 天冬氨酸激酶（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 （104位的天冬酰胺）
合成氨生产工艺讲义ppt课件
接下去的中温变换和低温变换（简称中变 和低变），各自在不同的温度下使气体中的 CO与水蒸气反应，生成等量的CO2和H2,从 而提供了更多的作为合成氨原料的氢气。这 个反应叫做变换反应。
以上转化工序和变换工序构成了合成氨装 置的造气系统，制出了合成氨所用的粗原料 气，主要成分是H2和CO2
粗原料气进入脱碳工序，在这里用一种 MDEA溶液把气体中的CO2吸收掉，随后又使溶 液加热并减压，把CO2释放出作为副产品。溶液 循环使用。 来自脱碳的工艺气，首先按氢氮比约为3：1 配入来自空分的氮气，然后进入甲烷化工序，把 工艺气中残余的少量CO2和CO经甲烷化反应变 成水蒸气和CH4。水蒸气经过冷凝排出，而CH4 对后续工序是无害的惰性气体。 脱碳和甲烷化合称净化，即把粗原料气净化 为合成氨所需要的纯净的氢氮混合气。
156
300
500
500
1500
五、本装置生产规模（设计值）
合成氨产能 年操作时间 年操作时数 12万吨/年 333天 8000小时 （小时产量15吨）
（日产量360.36吨）
第二节
本装置合成氨工艺全流程、装置特点和催化 剂知识简介 一、本装置合成氨工艺全流程方块示意图如 下：
说明： 来自焦化装置的焦炉气送入合成氨装置界区后， 首先经过电捕焦油器和脱硫工序，脱除焦炉气中 的焦油、尘及硫化物后，送至转化工序。在这过 程中，焦炉气用焦炉气压缩机压缩3.75Mp（G）。 压力3.75Mpa（G）焦炉气送入转化工序，先进 入饱和塔被工艺水饱和增湿，然后经加热炉，再 进入转化炉，在此引入来自空分的氧气。氧气在 炉内燃烧掉一部分CH4，放出热量供转化反应。 出转化炉的焦炉气中残余的CH4已经很少了。
氨的合成中小学PPT教学课件
②
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解析 (1)对合成氨的反应，催化剂只能提高反 应速率，不能使化学平衡发生移动；高压能提 高化学反应速率，也能使化学平衡向生成氨的 方向移动。(3)电解水制氢气，电能消耗大，成 本高；煤作原料，能源消耗大，污染大。天然 气作为洁净燃料，便于管道运输，有投资省、 能耗低的优点。(4)合成氨的反应是一可逆反应， 所以从合成塔出口出来的含氨混合气中有相当 一部分是未反应的氮气和氢气的混合气。采用 循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合 气中分离出来，余下未反应的氮气和氢气的混 合气体用循环压缩机重新送入合成塔进行反应。
提示 要提高合成氨经济效益，一要考虑反 应快慢
二要考虑N2与H2的转化率，所以合适的条件 为温度为500～700 ℃，选择中压、适宜的催 化剂，N 与H 的投料比为1∶2.8时，生成的
1．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、 流程和意义，知道催化剂的研制对促进化工 发展的重大意义，认识实际化工生产技术问 题的复杂性，增强技术意识。
有利
不利于 提高平 衡混合 物中氨 的含量
升高温度，化学反 应速率增大，但不 利于提高平衡混合 物中氨的含量，因 此，合成氨时温度 要适宜，工业上一 般采用400～500 ℃左右的温度，在 这个温度时，铁触 媒的活性也最大
【例1】化学反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)的正反应是放热反 应，在一定的条件下达到了化学平衡。要再提高化学反应
溶液吸收：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。 (4)精制原料气：原料气通过用醋酸、铜和氨配酸制成的溶
液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体，进行精制 处理。
3．氨的合成与分离
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解析 (1)对合成氨的反应，催化剂只能提高反 应速率，不能使化学平衡发生移动；高压能提 高化学反应速率，也能使化学平衡向生成氨的 方向移动。(3)电解水制氢气，电能消耗大，成 本高；煤作原料，能源消耗大，污染大。天然 气作为洁净燃料，便于管道运输，有投资省、 能耗低的优点。(4)合成氨的反应是一可逆反应， 所以从合成塔出口出来的含氨混合气中有相当 一部分是未反应的氮气和氢气的混合气。采用 循环法，先通过冷凝把氨从合成塔出来的混合 气中分离出来，余下未反应的氮气和氢气的混 合气体用循环压缩机重新送入合成塔进行反应。
提示 要提高合成氨经济效益，一要考虑反 应快慢
二要考虑N2与H2的转化率，所以合适的条件 为温度为500～700 ℃，选择中压、适宜的催 化剂，N 与H 的投料比为1∶2.8时，生成的
1．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、 流程和意义，知道催化剂的研制对促进化工 发展的重大意义，认识实际化工生产技术问 题的复杂性，增强技术意识。
有利
不利于 提高平 衡混合 物中氨 的含量
升高温度，化学反 应速率增大，但不 利于提高平衡混合 物中氨的含量，因 此，合成氨时温度 要适宜，工业上一 般采用400～500 ℃左右的温度，在 这个温度时，铁触 媒的活性也最大
【例1】化学反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)的正反应是放热反 应，在一定的条件下达到了化学平衡。要再提高化学反应
溶液吸收：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。 (4)精制原料气：原料气通过用醋酸、铜和氨配酸制成的溶
液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体，进行精制 处理。
3．氨的合成与分离
工业合成氨ppt课件演示文稿
ν =κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)
请根据关系式分析：各物质的浓度对反应 速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提 高反应速率？
增大反应物浓度，减小生成物浓度
3、请你根据下表所给的数据分析催化 剂对合成氨反应速率的影响：
条件 Ea /KJ· mol-1 k(催)/k(无)
无催化剂
使用Fe催化剂
综合以上因素:实际生产中温度一般选 择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。
3、用不用催化剂？
分析: 经济效益和社会效益要求化学反应速 率要快,原料的利用率要高，单位时间内 的产量要高。
实际生产中选用铁为主体的多成 分催化剂（铁触媒），它在700K时 活性最高。
4、浓度怎么定？ N2 和 H2的比例怎么定？
练一练
1、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应 制得，其中一步反应为： CO(g)+H2O（g） CO2(g)+H2(g)（正反应放 热），下列措施中，能提高CO转化率的 是（ BC ）
A、增大压强 B、降低温度
C、增大水蒸气浓度
D、增大CO浓度
2.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g)
2SO3 (g)
b、选择合适的温度：该温度是催化剂活 性最大的温度； c、选择合适的压强：既要考虑化学反应 速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设 备等。
高考链接
1.(2007宁夏）一定条件下，合成氨反应达到平 衡时，测得混合气体中氨气的体积分数为 20. 0%，与反应前的体积相比，反应后气 体体积缩小的百分率是 ( ) A A 16.7% B 20.0% C 80.0% D 83.3%
自发
分析合成氨反应的特点：
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) △H ＝-9Fra bibliotek.2kJ/mol
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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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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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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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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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合成氨催化剂的发展
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1 合成氨的历史回顾
1908年7月，德国化学 家弗里茨·哈伯在实验 室用N2和H2在600℃、 200个大气压，以锇为 催化剂的条件下下合 成了氨，虽然产率仅 有8%，却也是一项重 大突破。
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➢ 哈伯认为若能使反应 气体在高压下循环加 工，并从这个循环中 不断地把反应生成的 氨分离出来，则这 个 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。
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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。
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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。
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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。
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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1.3 稀土做助剂的催化剂
铁基合成氨催化剂添加稀土金属后， 如 CeO2， 它富集于催化剂表面， 经 还原后与Fe形成Ce2Fe金属化物，能促 进附F，e大向大N2 提输高出了电催子化，剂加的速活氮性的；活C性e 吸由 界面向基体迁移速度比K缓慢，使得Ce 比K 能更长时间保留在界面，继续发 挥其促进活性的作用，保证催化剂具 有更长的使用寿命。
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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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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。