Теоретические основы синтеза аммиака

Синтез аммиака основан на реакции:

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃ + Q

Реакция экзотермическая. Тепловой эффект реакции зависит от температуры и давления. При температуре 500 ⁰С, тепловой эффект реакции зависит от температуры и давления:

p=1 атм., Q = 50 кдж/моль

P=100атм.,Q = 52 кдж/моль

P=1000атм.,Q = 69 кдж/моль

Для смещения равновесия вправо необходимо увеличивать давление и понижать температуру. Однако при низкой температуре очень мала скорость процесса.

В производственных условиях для получения требуемой скорости синтез аммиака ведут при температуре 400-500⁰С с использованием твердого катализатора. В промышленности в настоящее время получил распространение железный катализатор содержащий оксиды алюминия, кальция и магния, которые усиливают его действие. Этот катализатор показал высокую активность и стойкость к перегревам и вредным примесям. Однако серосодержащие соединения отравляют катализатор необратимо. При содержании в катализаторе 0,1 % серы его активность падает на 50%, а при содержании 1 % серы происходит полное отравление катализатора. Кислородсодержащие соединения отравляют катализатор сильно, но обратимо.

Синтез аммиака типичный гетерогенный каталитический процесс.

Основные стадии процесса:

1.Диффузия азота и водорода из ядра потока к зерну катализатора и внутрь пор зерна

2.Активированная абсорбция азота и водорода на катализаторе.

3.Взаимодействие азота и водорода на поверхности катализатора, при этом азот принимает электрон от катализатора, а водород отдает электрон катализатору, в результате чего последовательно образуются следующие поверхностные химические соединения: имид-NH, амид- NH₂, аммиак.

4. Десорбция аммиака и его диффузия в объем газовой фазы.

Лимитирующей является 2 стадия.