氨合成反应动力学.

氨合成反应动力学 演讲人：刘清演讲人：刘清 合成氨反应的动力学 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。 了解 A （g） B（g ） A B cA g cA S 气固相催化反应宏观过程 n氮氢气体从气流主体扩散到催化 剂颗粒的外表面-外扩散 n反应物从外表面向催化剂的孔道 内部扩散-内扩散 n反应物被催化剂吸附-吸附 n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 n产物从催化剂表面脱附-脱附 n产物从催化剂内表面扩散到外表 面-内扩散 n产物从外表面扩散到气流主体- -外扩散 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。 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) 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。 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，在接近平衡时： 捷姆金本征 动力学方程 式中:rNH3氨合成反应的净速率： k1，k2正、逆反应速率常数； pN2, pH2, pNH3N2, 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 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) 影响反应速度的因素 再将上式中的流量换成空速，得出生产能力的公式 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 再将上式中的流量换成空速，得出生产能力的公式 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 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。 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. (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. 谢谢欣赏 制作人：刘清制作人：刘清, ,李建伟李建伟