合成氨催化反应动力学研究报告.pptx

合成氨催化反应动力学 目录 合成氨概述 甲烷蒸汽转化反应 一氧化碳变换反应 氨合成反应 4 1 2 3 概述 空气中含有78%的游离氮，但是大多数农作物不能直接吸收空气中的氮，只有转换为化合态氮才能吸收。固氮是化学化工研究中既古老又前沿的课题。 氨可用作化学肥料的原料，还可生产染料、炸药、医药、有机合成、塑料、合成纤维、石油化工等 目前已投入工业生产的三种固氮方法： 1. 电弧法 2. 氰氨法 3. 合成氨法 目前最重要最经济的方法是合成氨法。 主要生产过程： (1) 制气 用煤或原油、天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。 (2) 净化 将原料气中的杂质：CO、CO2、S等脱除到ppm级。 (3) 压缩和合成 合成氨需要高温、高压，净化后的合成气原料气必须经过压缩到15~30MPa、450℃左右，在催化剂的作用下才能顺利地在合成塔内反应生成氨。 CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g) 原油或天然气 造气 在高温有催化剂存在的条件下可实现下述反应： CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g) CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g) 但要完成这一工业过程，必须对可能发生的主要反应及副反应进行研究。主要的副反应有： CH4(g) = C (s) + 2H2(g) 2CO(g) = CO2(g) + C(s) CO(g) + H2(g) =C(s) + H2O(g) 合成氨的生产需要高纯氢气和氮气。 氢气以天然气为原料的气态烃类转化过程经济效益最高 天然气中主要成份为甲烷，还含有乙烷、丙烷及其他少量烯烃等，其中也有极少量的S等对催化剂有害的元素。以甲烷为代表来讨论气态烃类蒸汽转化的主要反应。 气固相催化反应宏观过程 （1）气体从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面----外扩散 （2）反应物从外表面向催化剂的孔道内部扩散----内扩散 （3）反应物被催化剂吸附----吸附 （4）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 （5）产物从催化剂表面脱附----脱附 （6）产物从催化剂内表面扩散到外表面----内扩散 （7）产物从外表面扩散到气流主体----外扩散 甲烷蒸汽转化反应的动力学分析 催化剂：Ni/MgAl2O4（1） Ni活性组分（2）镁铝尖晶石载体。 镍催化剂表面机理 在镍催化剂表面，甲烷和水蒸汽解离成次甲基和原子态氧，并在催化剂表面吸附，互相作用，而生成CO2、H2和CO。机理如下： (慢) ＊表示镍表面活性中心，而上标*表示该组分被活性中心吸附。即水分子在表面镍原子催化作用下，生成吸附态的活性氧原子和氢气；而甲烷分子在催化剂的作用下离解，所形成的CH分子片与活性氧反应生成气态的CO。 上述五个反应步骤中，甲烷吸附、解离速率最慢，它控制了整个反应的速率。可以近似地导出本征动力学方程 镍催化剂表面机理 准一级本征动力学方程： θz:: 镍催化剂活性中心自由空位分率； k：本征速率常数； pCH4: 甲烷分压 宏观动力学方程： A—反应速率的总校正系数，其中包括催化剂的型号、颗粒尺寸、转化深度、年龄、压力、中毒等因素； k —反应的频率因子，kmol / (hr.K)； E —反应的（表观）活化能，kJ / kmol； R —气体常数，8.314 kJ / (kmol.K)； p—下标所示组分的分压，MPa； po —标注大气压，0.101325MPa。 一氧化碳变换 变换的作用：将原料气中的CO变成CO2和H2。H2是合成氨需要的最重要成份。CO、CO2对氨的合成有害，需除去。 1、变换过程的反应： 主反应：CO+H2O→CO2+H2 △H0298=-41.19KJ/mol 副反应：CO+H2O→C+H2O CO+3H2→CH4+H2O 2、平衡含量的计算： ya，ya’-分别为原料及变换气中一氧化碳的摩尔分率(干基) 一氧化碳变换 变换反应热力学 温度越低，水碳比越大，平衡转化率越高。 CO(g) + H2O(g) = CO2(g) +H2(g) △H0298= -41.19kJ/mol 放热反应，所以温度上升，平衡常数下降。 注意：四种物质均有初始浓度值 以干原料为基准，设转化率为x，干变换气中CO组成为y′CO 变换反应动力学 关于变换反应的机理，主要有两种： 观点1：水蒸气分子首先被Cat的活性表面吸附，分解为吸附态氢与吸附态氧，氢脱附进入气相，而被Cat活性位吸附的CO与吸附氧反