Question

氨合成的工艺条件温度和压力应该如何确定?分别从热力学和动力学上进行分析。

Answer 1

氨合成反应是放热、缩小体积的可逆反应，温度、压力对此反应的化学平衡有影响。当混合气中氢氮摩尔比为3时，氨平衡浓度随着温度降低、压力增加而提高。但在较低温度下，氨合成的反应速度十分缓慢，需采用催化剂来加快反应。由于受到所用催化剂活性的限制，温度不能过低，因此为提高反应后气体中的氨含量，氨合成宜在高压下进行。当工业上用铁催化剂时，压力大多选用15.2～30.4MPa(150～300atm)，即使在这样压力条件下操作，每次也只有一部分氮气和氢气反应为氨，因此氨合成塔出口气体中氨浓度通常为10%～20%（体积）。决定反应的主要因素是铁催化剂的活性，反应所产生的氨与氮气、氢气的分离以及氮、氢气的循环使用。
反应催化剂
铁催化剂的活性 氨合成采用添加有助催化剂的铁催化剂。助催化剂的成分有氧化钾、 氧化铝、 氧化镁、氧化钙、氧化钴等。开工前铁催化剂的主要成分为四氧化三铁(见金属氧化物催化剂)，它对氨合成反应没有催化作用，投用前需用氢气将其还原成金属铁才有活性。不同还原条件下得到的催化活性有很大差异。正常生产时，铁催化剂常因氮氢混合气中含有少量硫化合物、碳的氧化物等气体而降低活性，通常规定一氧化碳和二氧化碳不超过10ppm（体积）。铁催化剂的寿命(见催化剂寿命)与其制造质量、使用条件有密切关系，短的1～2年，长的可达8～9年。
氨的分离
氨合成的单程转化率不高，为了获得产品氨，需将氨气从氨合成反应器出口气体中分离出来。工业上通常用两种方法[1]：
①冷凝法 利用氨的临界温度比氮、氢高的特点，只需把含氨混合气冷却，其中的氨即可从气态冷凝成液态。温度越低，冷凝的氨越多。工业生产都采用产品液氨作制冷剂。为了节省制冷剂用量，混合气先用水冷却。
②吸收法 利用氨气在水中的溶解度比氮、氢气大的性质，在高压下用水吸收，制成浓氨水。从浓氨水制取液氨尚需经过氨水精馏、氨气冷凝等步骤，消耗热能较多，工业上已很少采用。