氨合成的催化剂
氨合成催化剂简介
氨合成催化剂简介史** 309010**** 化工090*合成氨工业的巨大成功不仅解决了人类因人口增长所需要的粮食，而且带动了一系列基础理论的发展。
合成氨工业创立的本身就包含着伟大的创造性和光辉的科学思想。
Haber和Bosch提出的化学平衡与质量作用定律的应用、高压反应技术、封闭流程操作、动态反应速率概念，Mittasch提出的混合催化剂的概念以及化学家、工程师、物理学家、材料学家与各种工匠群体合作的成功先例等，推动了整个化学工业和材料工业的发展。
合成氨催化剂是多相催化领域中许多基础研究的起点。
许多多相催化科学的基本理论和概念都来自于或首先试用于催化合成氨。
合成氨工业及其催化过程的巨大成功奠定了多相催化科学的基础。
氨合成熔铁催化剂是世界上研究得最成功、最透彻的催化剂之一。
本报告主要介绍传统Fe3O4基熔铁催化剂。
氨合成催化剂的新进展也将予以简介。
熔铁催化剂的组成及特性熔铁催化剂的主要成分为Fe3O4，其含量为90%左右，助催化剂主要是Al2O3、K2O、CaO、MgO等金属氧化物以及SiO2非金属氧化物，通常用磁铁矿为原料，由熔融法制备。
在催化剂装填至反应器后，由铁氧化物还原得到的α-Fe是氨合成反应的主催化剂，但由纯铁氧化物还原得到的催化剂在合成氨过程中很快会失活。
作为助催化剂的Al2O3、K2O、CaO、MgO、SiO2等氧化物不被还原，虽然对氨合成不具有催化作用，但它们改善了α-Fe的催化活性，增强了耐热和抗毒能力，延长了使用寿命。
其中，Al2O3、Cr2O3、MgO、V2O5、ZrO2、TiO2、SiO2等高温难熔氧化物属于结构性助催化剂，它们能增加催化剂在还原和操作时的抗热能力和抗毒能力，起着增大表面积、稳定结构的作用，但却降低了每单位总表面积的比活性和还原速度。
K2O、CaO等碱金属、碱土金属和稀土金属氧化物作为电子性助催化剂，同结构性助催化剂的作用相反，它们能增加单位表面积的比活性，但却削弱了抗热和抗氧毒物的能力。
多种合成氨催化剂比较分析论文
合成氨催化研究进展单位：08化工1班摘要：Fe3O4和Fe1-x O 是铁系氨合成催化剂的两种母体相，本文简要介绍了Fe3O4基传统催化剂研究成果，着重介绍Fe1-x O基熔铁催化剂在合成氨反应中高活性机理方面的研究成果。
关键词：Fe3O4Fe1-x O 催化剂引言Harber 和Mittasch等开发成功合成氨铁催化剂以来，世界上的工业合成氨催化剂，其母体相的主要化学成分都是Fe3O4，随着时代的发展，合成氨工业需要更低温度和压力下具有更高活性的催化剂，科学家对此进行了极其广泛和深入的研究。
1986年，刘化章等首次采用具有维氏体相结构的Fe1-x O作为熔铁氨合成催化剂的母体相成分，发明了具有高氨合成催化活性和易还原的Fe1-x O基氨合成催化剂。
由于母体相 Fe1-x O 的晶体结构不同于Fe3O4，助催化剂Al2O3,CaO和K2O等与它们之间的相互作用方式也发生了明显变化，且由不同母体相催化剂还原得到α-Fe的氨合成催化活性也有很大的差异。
1 Fe3O4基传统熔铁催化剂1.1经典的火山形活性曲线Bosch 等在研究合成氨催化剂的初期就已经发现，用天然磁铁矿还原得到的催化于其它铁化合物。
Almquist等研究了纯铁催化剂的活性与还原前氧化度的关系，发现Fe2+/Fe3+摩尔比（即铁比值）接近0.5、组分接近Fe3O4相的样品具有最高活性。
之后人们通过试验发现，铁比值与熔铁基合成氨催化剂的性能着的关系，并一致认为最佳铁比值为0.5、最母体为磁铁矿，铁比值与活性的关系呈火山形分布，如图 1。
1.2活性中心模型及反应机理活性中心本质和催化反应机理及其动力学是多相催化研究的2个核心问题。
1936 年Kobozer将活性中心说进一步发展为活性集团理论，活性中心概念被普接受。
发生在 Fe表面的合成氨反应，人们曾提出过各种活性中心模型，有3Fe原子、6F和 ,7Fe原子模型等，但没有一致的结论。
Somorjai等借助现代分析工具研究立方结构的Fe的 3 种晶面上高压合成氨，发现（111 面的催化活性比紧密堆积的（110面高约43倍，（100）面的活性亦比（110 面高约 32 倍，这一结果果受到了普遍的重视与认可。
氨合成的催化剂
氨合成的催化剂引言氨是一种重要的化工原料，广泛应用于农业、化肥制造、化工合成等领域。
而氨合成过程中最关键的环节就是催化剂的选取。
本文将会全面介绍氨合成催化剂的种类、工作原理、制备方法以及相关的工业应用，以加深我们对氨合成催化剂的了解。
催化剂种类在氨合成过程中，常用的催化剂主要包括铁系催化剂、钌系催化剂和铑系催化剂。
这些催化剂具有高效能、稳定性好的特点，被广泛应用于工业生产中。
铁系催化剂铁系催化剂是氨合成过程中最常见的催化剂之一。
传统的铁系催化剂主要是以铁为主要成分，常配以适量的铝、钾等元素。
这类催化剂具有成本低、晶体结构稳定等优点，然而其催化活性相对较低，需要高温和高压下进行反应。
近年来，随着纳米技术的发展，铁基纳米催化剂成为了新的研究热点，其催化活性和选择性得到了极大的提高。
钌系催化剂钌系催化剂是氨合成中的另一类重要催化剂。
钌具有较高的催化活性和选择性，常作为铁系催化剂的替代品使用。
研究表明，钌催化剂在较低温下即可实现氨合成反应，大大降低了能耗。
此外，钌系催化剂对反应物质的吸附性能和解离能力较强，可以促进氨合成反应的进行。
铑系催化剂铑系催化剂在氨合成领域中也有着广泛的应用。
铑是一种包括铑金属和铑氧化物等在内的化合物，具有较高的催化活性和稳定性。
铑催化剂不仅可用于氨合成反应的催化剂，还可以在其他化学反应中发挥重要作用。
然而，铑系催化剂的价格较高，限制了其在工业生产中的应用。
催化剂在氨合成反应中起到了至关重要的作用。
一方面，催化剂可以提供活性位点，吸附反应物质并降低其解离能力，从而促进反应的进行。
另一方面，催化剂还可以降低反应的活化能，提高反应的速率。
具体而言，催化剂与反应物之间会发生物理吸附和化学吸附的过程。
在物理吸附中，反应物只是通过分子间的范德瓦尔斯力与催化剂表面相互作用。
而在化学吸附中，反应物会与催化剂发生化学反应，生成中间体。
通过物理吸附和化学吸附的交替作用，反应物逐步转化为产物。
催化剂的选择需要考虑多个因素，如催化活性、化学稳定性、抗中毒性等。
氨合成催化剂(一)
氨合成催化剂（一）2003年2月28日Nitrogen & Methanol在上一世纪初期，巴斯夫的Haber、Bosch 等人开始研究利用催化剂把气态的H2和N2合成为氨，其中铂石棉研究是一显著的起点；尽管后来证明并没有多大的效果。
其后，人们对数千种其它具有潜在催化活性的组分如第Ⅷ族金属钴、锇以及其它的过渡金属如钨、钼及锰、稀土金属如铈甚至铀等进行了研究。
正如早期专利中所揭示的那样，巴斯夫的研究者首次形成了“助剂”（他们的术语）的概念，他们也能鉴别得出毒性物质如硫、磷，较重的第Ⅴ、Ⅵ族元素以及易熔化可还原的金属如铅、锡、锌等对催化剂性能造成的影响，。
在1913年，Mittasch提出了第一个高活性钌系氨合成催化剂生产的专利申请，即采用以钌为助剂、用钾和钌的碱性溶液来浸渍载体。
这种催化剂最终应用在两个商业化的工厂，它们分别于1913-1915年建立在Oppau和Leipzig两个地区。
后来，这些工厂进行了装置扩大和改造，这种改良工艺使得巴斯夫在多年以后一直维持着世界第一氨生产商的地位。
尽管在早期年代，巴斯夫的竞争者一直致力于可替代的其它的催化剂的开发，目的在于寻求真正地改进或避开已有专利保护的范围。
就其成本而言，没有一种催化剂能取代熔铁催化剂。
例如，在1918年，美国的第一个利用以钠为助剂的钴催化剂工厂，开车时并没有取得成功。
这样，Mittasch型熔铁催化剂很快维持了它的工业地位。
与那些竞争对手相比，它的成分比较便宜，如果使用正确将维持较长的使用寿命。
事实上，在合成氨厂，它是使用寿命最长的催化剂。
很多年以来，尽管在催化剂的物理性能和生产技术方面也有一些改进，但是在合成气体部分，从改进催化剂、工艺技术及操作实践中得到的收获要比改变氨合成催化剂的化学特性的收获多得多。
改变化学特性的动机在于最近时期日益增长的技术-经济方面的因素，促使研究者们希望能设计规模更大、能量利用更充分的合成氨厂，而并不是由于铁系催化剂的可靠性存在缺陷。
DNCA型氨合成催化剂
DNCA型氨合成催化剂DNCA型氨合成催化剂是南化（集团）公司研究院和临朐大祥精细化工有限公司共同研制开发和生产的一种新型低温低压高活性的氨合成催化剂，其性能已达到并部分超过英国ICI公司的ICI-74-1型氨合成催化剂。
该催化剂还原性能佳，低温易还原，还原温区约比A110系列催化剂低30℃左右，比A201型催化剂低20℃左右；活性高，在同样测定条件下，氨净值约比A110系列催化剂高10%-15%，比A201型高5%-10%，其耐热和抗毒性能与A110系列催化剂相当；同时对惰性气体和氢氮比变化适应性强，它不仅用于低压氨合成，而且适用于中高压合成，是目前国内理想的氨合成催化剂。
一、主要组成及物化性能本产品执行企业标准Q/LYHG001-2002。
1、DNCA型氨合成催化剂的主要成分为四氧化三铁，并含有适量的钴、氧化铝、氧化钾和氧化钙等助剂。
2、DNCA型氨合成催化剂是一种黑色带磁性的不规则颗粒，具有金属光泽，堆密度约2.8~3.0kg/l。
3、催化剂粒度系列为：1.5~2.2mm（8~10目），2.2~3.3mm（6~8目），3.3~4.7mm（4~6目），4.7~6.7mm（3~4目），6.7~9.4mm（2~3目），9.4~13.0mm （1~2目），若用户需要特殊粒度，本厂可按要求进行加工。
4、DNCA型催化剂暴露在空气中时，易受潮而引起可溶性钾盐析出，造成活性下降，尤其是低温活性下降。
5、该催化剂需经纯净的氢氮混合气还原后才具有活性，还原温度自300~330℃开始，380~430℃大量出水，最高还原温度为475~490℃，还原后的催化剂暴露在空气中会自燃，从而完全失去活性。
6、该催化剂正常操作温区为350~500℃，初期热点温度为440~460℃。
7、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、硫化物、磷化物、氯化物、油类等均为催化剂毒物，可引起催化剂暂时性或永久性中毒。
二、产品质量指标1、耐热后活性在实验室条件下，当催化剂粒度为1.0~1.4mm，装量2ml，压力15.0Mpa，空速3×104hr-1，温度425℃（在500℃耐热20h后）时，出口氨不小于14.2%。
合成氨的生产流程
合成氨的生产流程合成氨是一种广泛应用于农业和化工领域的重要化学品，它用作肥料和原材料，在现代社会具有重要的意义。
本文将深入探讨合成氨的生产流程，帮助读者更好地理解这一过程的关键步骤和技术。
一、引言合成氨是一种通过将氮气和氢气合成而成的无色气体。
它被广泛应用于农业领域，用于制造氨水肥料，也是合成其他化学品的重要原料。
合成氨的生产流程主要由催化剂反应、气体净化和氨合成等步骤组成。
二、催化剂反应在合成氨的生产过程中，第一步是制备催化剂。
常用的催化剂是铁或铑基催化剂。
这些催化剂具有高度的活性和选择性，能够促使氮气和氢气发生反应。
2.1 清洁气体合成氨的生产过程开始之前，必须先准备清洁的氮气和氢气。
这些气体通常来自裂解炉或氢氟酸生产工艺中的副产品。
在这一步骤中，气体被送入净化系统，去除其中的杂质和不纯物质。
2.2 压力调节氮气和氢气经过净化后，需要将其压力进行调节。
调节后的压力必须与催化剂反应器的工作压力相匹配，以保证反应的正常进行。
2.3 催化剂载体合成氨的催化剂是由催化剂载体和催化剂活性组分组成。
催化剂载体通常是铝、硅和稳定剂等物质的混合物，用于支撑和固定催化剂活性组分。
2.4 催化剂的还原催化剂在装配后，必须进行还原处理。
这一步骤的目的是去除催化剂中的氧化物，提高其活性。
催化剂通常置于高温下，并与一个还原剂（如氨气）反应，还原催化剂的金属离子。
2.5 反应区域设计在合成氨的生产过程中，催化剂反应器的设计十分关键。
反应器通常是由多层催化剂床组成，以提高反应效率。
而且，反应器会在压力、温度和流量等方面进行控制，以确保最佳的反应条件。
三、气体净化在通过催化剂反应产生氨气后，我们需要对气体进行净化处理，以去除催化剂的残留物和其他杂质。
3.1 氨气冷却合成氨反应产生的气体含有大量热量。
在净化处理之前，需要通过冷却处理降低气体的温度，使其达到适合净化的温度范围。
3.2 气体压力调节与催化剂反应步骤类似，氨气也需要在净化过程中进行气压的调节。
氨合成铁系催化剂
氨合成熔铁催化剂氨合成熔铁催化剂，目前合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。
1、组成1.1组成主要成分是Fe3O4，含量在90%左右。
助催化剂为K2O、Al2O3、CaO、MgO等，含量小于催化剂总质量的9%，低压催化剂还增加了CoO(A201等)。
其按作用不同分为两类，一类是结构型助剂，如Al2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2、MgO、CaO、SiO2等难熔氧化物。
另一类是电子型助剂，如K20。
每种类型助剂都有各自的最佳添加量，一般均在0.6%~1.0%范围。
1.2 物理结构氧化态催化剂主体是磁铁矿，其化学计量式是FeO.Fe2O3或Fe3O4。
晶体结构类似于尖晶石（MgAl2O4）的结构(90%以上是具有反尖晶石结构、不均匀复杂体系的磁铁矿)。
是四面体和八面体结构的堆积结果。
其中形成两种间隙：四面体间隙和八面体间隙。
三价的金属离子占据四面体间隙的一半和八面体间隙的一半，二价的铁离子占据八面体间隙（Fe3+（Fe2+，Fe3+））。
磁铁矿的一个单胞（晶体的最小结构单元）由32个氧离子和24个铁离子所组成，即8（Fe3O4）。
按结晶学原理，32个氧原子按照面心立方堆积的每一单胞，有64个四面体间隙和32个八面体间隙。
如上所述，除了24个被铁离子占据以外，其余大部分是空的，因此可加入助催化剂占据这些空隙形成间隙固溶体。
而且化学式相近的物质，结构类型相同且质点（离子、原子或分子）半径近于相等的物质，可以发生同晶取代，生成置换固溶体，例如三价铝即可置换部分三价铁，形成置换固溶体。
（含量小于4%时主要生成置换固溶体。
若三氧化二铝全部取代氧化铁则生成FeOAl2O3）1.3 化学特点铁触媒在500 ℃左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500 ℃左右进行的重要原因之一。
但是，即使是在500 ℃和30 MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只为26.4%，即转化率仍不够大。
氨的合成方法
氨的合成方法
1.氨气与氢气的直接合成：常见的直接合成氨的方法是通过气态氮气和氢气在高温高压条件下催化反应制得。
这种方法需要使用特殊的催化剂，如铁钾催化剂或铁锆催化剂，反应温度通常在400500摄氏度，压力在100200大气压。
这个方法广泛应用于工业生产中。
2.氧化铵法：氧化铵法是一种将铵盐经过催化剂催化氧化产生氨的方法。
具体步骤为首先将铵盐（如尿素或氨盐）与气态空气或氧气在高温下催化燃烧，生成一氧化氮和水蒸气，然后将一氧化氮与过量的氢气在催化剂的作用下反应生成氨。
这种方法的优点是反应条件较为温和，使用方便，但产氨量一般较低。
3.超临界氮气合成法：超临界氮气合成法是一种新的氨合成方法，可以在常压下实现氮气与氢气的合成。
该方法利用氢气和氮气在超临界条件下（如高温高压或低温低压）直接反应，产生氨。
这种方法具有操作简单、环境友好、能源消耗低等优点，但目前仍处于实验研究阶段。
4.微生物发酵法：微生物发酵法是通过利用氮固定菌，如植物根际中的根瘤菌或土壤中的氮固定细菌，将大气中的氮气固定成氨。
这种方法需要种植植物或在土壤中添加适当的菌种，通过微生物代谢过程产生氨。
这种方法在农业中广泛应用，可提供植物生长所需的氮源，促进作物生长。
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氨合成的催化剂
一、引言
氨合成是一种重要的工业化学反应，广泛应用于制造化肥等领域。
在
氨合成反应中，催化剂起着至关重要的作用。
本文将详细介绍氨合成
反应中常用的催化剂。
二、铁系催化剂
铁系催化剂是氨合成反应最早采用的催化剂之一。
这种催化剂主要由铁、钴、锆等金属组成，其特点是具有较高的活性和选择性。
此外，
铁系催化剂还具有良好的耐久性和稳定性，在工业生产中得到了广泛
的应用。
三、钌系催化剂
钌系催化剂是近年来被广泛研究和应用的一种新型催化剂。
这种催化
剂主要由钌、锰等金属组成，其特点是具有较高的活性和选择性，并
且在高温下仍能保持稳定性。
此外，钌系催化剂还具有良好的抗毒性，在氨合成反应过程中能够有效地抵御碳氢物质等有害物质对其产生的
影响。
四、钼系催化剂
钼系催化剂是一种常用的氨合成催化剂，主要由钼、铝等金属组成。
这种催化剂具有较高的活性和选择性，并且在高温下仍能保持稳定性。
此外，钼系催化剂还具有良好的抗毒性和耐腐蚀性，在氨合成反应中
表现出色。
五、其他催化剂
除了以上几种催化剂外，还有许多其他类型的氨合成催化剂。
例如，
铑系催化剂、镍系催化剂、银基催化剂等都具有一定的应用前景。
这
些新型催化剂在提高反应效率、降低生产成本等方面都具有重要作用。
六、结论
综上所述，氨合成反应中的催化剂种类繁多，每种催化剂都具有其独
特的优点和缺点。
在实际生产中，应根据不同情况选择最适合自己需
求的催化剂，以达到最佳效果。
同时，未来还需要进一步研究和开发
新型高效稳定的氨合成催化剂，以满足不断增长的市场需求。