化學(xué)工藝學(xué)作業(yè)(3)解答

1、化學(xué)工藝學(xué)作業(yè)（3）解答1. 氨合成反應(yīng)的機(jī)理是什么？影響反應(yīng)速率的因素有哪些？如何提高平衡氨含量？ 答：反應(yīng)機(jī)理：在催化劑的作用下，氫與氮生成氨的反應(yīng)是一氣固相催化反應(yīng)。由以下幾個(gè)步驟所組成： (1)氣體反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑外表面； (2)反應(yīng)物自催化劑外表面擴(kuò)散到毛細(xì)孔內(nèi)表面； (3)氣體被催化劑表面(主要是內(nèi)表面)活性吸附(與普通吸附的區(qū)別在于有化學(xué)力參與在內(nèi)，并放出熱量)； (4)吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物；(5)產(chǎn)物自催化劑表面解吸； (6)解吸后的產(chǎn)物從催化劑毛細(xì)孔向外表面擴(kuò)散； (7)產(chǎn)物由催化劑外表面擴(kuò)散至氣相主流。 影響反應(yīng)速率的因素有：壓力、氫氮比、惰性

2、氣體、溫度、內(nèi)擴(kuò)散。 影響平衡氨含量的因素：溫度、壓力、氫氮比、惰性氣體含量，提高平衡氨含量方法：提高壓力、降低溫度和減少惰性氣體含量。2. 氨合成催化劑的活性組分是什么？各種促進(jìn)劑的作用是什么？簡(jiǎn)述氨合成催化劑在使用過程中活性不斷下降的原因？ 答：常用的催化劑主要是鐵催化劑。催化劑組成Fe3O4,活性組分是金屬鐵。促進(jìn)劑為：K2O, CaO, Al2O3，SiO2 Al2O3：增加催化劑比表面積，防止還原后鐵微晶長(zhǎng)大聚集，提高催化劑活性和穩(wěn)定性。K2O：可使催化劑的金屬電子逸出功降低，利于N分子的吸附和活化，加快氨的脫附。提高了催化劑活性。 CaO：有利于Al2O3和Fe3O4固熔體的形成，

3、降低固熔體的熔點(diǎn)和黏度，另外還能提高催化劑的熱穩(wěn)定性和抗毒能力。 SiO2：磁鐵礦的雜質(zhì)，類似于Al2O3，可穩(wěn)定-Fe晶粒，增強(qiáng)催化劑的耐熱性和抗水能力。催化劑在使用過程中活性不斷下降的原因：催化劑的中毒 ：進(jìn)入合成塔的新鮮混合氣，雖然經(jīng)過了凈化，但仍然含有微量的有毒氣體，使催化劑緩慢中毒，活性降低。催化劑的衰老 ：催化劑經(jīng)長(zhǎng)期使用后，活性會(huì)逐漸下降，生產(chǎn)能力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為催化劑的衰老。3. 如何選擇氨合成的工藝條件？氨合成工藝流程需要哪幾個(gè)步驟？為什么？ 答：工藝條件的選擇：（1）壓力：從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的角度看，提高操作壓力有利，選擇操作壓力的主要依據(jù)：能量消耗、生產(chǎn)能力、

4、設(shè)備投資、催化劑使用壽命。一般認(rèn)為20-30MPa是比較合適的合成壓力。（2）溫度：合成氨為可逆放熱反應(yīng)，溫度對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速度都有影響，存在著最適宜溫度Tm(或稱最佳反應(yīng)溫度)，它取決于反應(yīng)氣體的組成、壓力以及所用催化劑的活性。主要考慮床層入口溫度和熱點(diǎn)溫度，一般控制在400-450。（3）空間速度：提高空速氨合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度增大，但反應(yīng)后氣體中凈氨值有所降低。凈氨值降低，增加氨的分離難度，使冷凍功耗增加。空速過高，循環(huán)氣量增加，循環(huán)功耗大；空速過高氣體帶出的反應(yīng)熱較多，導(dǎo)致催化劑床層溫度下降不能維持正常生產(chǎn)。 參照合成壓力選擇空速。（4）合成塔進(jìn)口氣體組：成包括氫氮比、情性氣體含量與初始

5、氨含量。為 防止原料氣中氫氮比失調(diào)，新鮮原料氣中氫氮比為3，惰性氣體的存在，從化學(xué)平衡和動(dòng)力學(xué)角度對(duì)合成氨都不利。當(dāng)其它條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。 氨合成工藝流程雖然不盡相同，但都包括以下幾個(gè)步驟：氨的合成、氨的分離、新鮮氫氮?dú)獾难a(bǔ)入，未反應(yīng)氣體的壓縮與循環(huán)，反應(yīng)熱的回收與惰性氣體排放等。氨合成工藝流程的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于合理組合上述幾個(gè)步驟，其中主要是合理確定循環(huán)機(jī)、新鮮氣補(bǔ)入及惰性氣體放空的位置以及氨分離的冷凝級(jí)數(shù)和熱能的回收方式。4. 氨合成塔為什么要設(shè)置外筒和內(nèi)件？ 答：氨合成是在高溫高壓條件下進(jìn)行的，氫氮?dú)鈱?duì)碳鋼設(shè)備有

6、明顯的腐蝕作用。氫對(duì)氨合成塔腐蝕有氫脆和氫腐蝕；在高溫高壓下，氮與鋼中的鐵及其他很多合金元素生成硬而脆的氮化物，導(dǎo)致金屬機(jī)械性能降低。為合理解決上述問題，滿足高溫、高壓的雙重要求，合成塔由內(nèi)件（催化劑框、熱交換器、電加熱器）和外筒兩部分組成。5. 分別計(jì)算： （1）壓力為30MPa，氫氮比為3，惰性氣體含量為0，溫度分別為400、450的平衡氨含量； （2）溫度400，氫氮比為3，惰性氣體含量為0，壓力分別為15 MPa、20 MPa、30 MPa的平衡氨含量；（3）壓力為30 MPa，氫氮比為3，溫度為400，惰性氣體含量分別為12%、25%、18% 時(shí)的平衡氨含量。通過以上計(jì)算總結(jié)溫度、壓力、惰性氣體含量如何影響平衡氨含量。6. 某合成氨廠的合成塔氨產(chǎn)量為5787kg/h，進(jìn)塔氣體組成為H2 62%、N2 20.4%、CH4 8.4%、Ar 6.5%、NH3 2.7%，出塔氣體中氨含量為12.6%，合成