合成氨催化反应动力学课件.pptx

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1、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4123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

2、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)=

3、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、（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A（g）B（g）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

5、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

6、.K)；E—反应的（表观）活化能，kJ/kmol；R—气体常数，8.314kJ/(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+H2OCO+3H2→CH4+H2O2、平衡含量的计算：ya，ya’-分别为原料及变换气

7、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。平衡常数转化率注意：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与吸附氧反应形成CO2

8、并脱附观点2：CO与水先吸附在Cat表面，二者在表面反应生成CO2并脱附。例举三种不同催化剂的动力学方程（1）铁铬系B110中（温）变换催化剂的本征动力学方程例举三种不同催化剂的动力学方程（2）铜基低温变换催化剂的本征动力学方程式例举三种不同催化剂的动力学方程（3）钴钼系宽温耐硫催化剂的宏观动力学方程式（包括扩散因素）变换过程工艺条件1、温度变换反应是放热反应，存在反应最佳温度。从热力学上看，T↑，Kp↓；但从动力学因素看，T↑，Kp↑。使变换率最大的温度为最佳温度，从热力学和动力学关系求极值可