氨合成催化剂(三)
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。
合成氨的合成工段工艺要点
合成氨的合成工段工艺要点
合成氨的合成工艺有以下几个要点：
1. 催化剂选择：合成氨的催化剂通常采用铁、钼和钾的化合物。
常见的催化剂有铁钼催化剂和铁钾催化剂。
催化剂的选择要考虑到催化剂的活性、稳定性和寿命等因素。
2. 反应条件：合成氨的合成反应是在高温高压下进行的。
典型的反应条件为350-450摄氏度和100-250大气压。
高温高压有利于提高反应速率和提高氨的产率。
3. 进料气体配比：合成氨的进料气体通常是氢气和氮气。
为了提高氨的产率，进料气体的氢气和氮气的摩尔比要控制在3:1到3.2:1之间。
4. 反应器设计：合成氨的反应器通常采用垂直管式反应器。
反应器内部通常有多层催化剂床。
反应器的设计要考虑到反应器的温度和压力控制，以及催化剂的补给和废物处理等因素。
5. 中间产品的处理：合成氨反应过程中会生成一些副产物和杂质，如水、氨基酸和硫化物等。
这些中间产品需要进行处理和去除，以保证合成氨的纯度和质量。
6. 能源利用：合成氨的合成过程需要大量的能源。
为了提高能源利用效率，可
以采用废热回收和氨合成废气回收等技术手段。
综上所述，合成氨的合成工艺要点包括催化剂选择、反应条件控制、进料气体配比、反应器设计、中间产品的处理和能源利用等方面。
这些要点的合理选择和控制对于提高氨的产率和质量非常重要。
氨合成的催化剂
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。
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。
第二章(3)：氨的合成
3 H2 2 NH 3
p k2 p
2 NH 3 3 H2
1
式中k1、k2分别为正逆反应的速率常数， rNH3为过程的瞬 时速率；为实验常数，视催化剂性质及反应条件而异， 工业条件下对工业铁催化剂一般 0.5。
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1.4.2.2 反应机理与动力学方程
p1.5 H2 r k1 pN 2 pNH 3 pNH 3 k2 p1.5 H2
(1.4.12)
上式只适用于压力较低的的接近平衡的情况，压力较高时，
要用实验得出的速率常数与压力的关系加以校正。另外，当 反应远离平衡时上式不成立，例如pNH30时r 。捷姆金 还推出了远离平衡时的动力学方程：
16
1.4.2.2 反应机理与动力学方程
1939年捷姆金和佩热夫根据上述机理，提出几点假设： ①氮的活性吸附是反应速率的控制步骤；②催化剂表面很 不均匀；③吸附态主要是氮，吸附遮盖度中等；④气体为 理想气体，反应距平衡不很远。由此推导出本征动力学方 程式为：由此机理导出的动力学方程为
p r k1 pN 2 p
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 2000030000h-1 15MPa 10000h-1
第八节 氨的合成
一、基本原理 二、氨合成催化剂 三、工艺条件选择 四、氨的分离 五、氨合成塔 六、生产总流程 七、我国合成氨生产装臵现状
1
一、基本原理
1.4.1 氨合成反应的热力学基础 1.4.1.1 化学平衡 氨合成反应如下： 1.5H2(g) + 0.5 N2(g) = NH3(g) +46.22kJ/mol 该反应为放热反应，其平衡常数为
合成氨催化剂的生产和技术
合成氨催化剂的生产和技术发布时间：2023-01-04T05:52:04.717Z 来源：《中国科技信息》2023年17期作者：张鹏[导读] 合成氨广泛用于工业硝酸、盐铵和化肥的生产过程，间接促进了国民经济的发展。
与此同时，有关工业对氨的需求以吨计有所增加，这是工业建设和化学发展的基本原料之一。
张鹏陕西黄陵煤化工有限责任公司陕西延安 727307摘要：合成氨广泛用于工业硝酸、盐铵和化肥的生产过程，间接促进了国民经济的发展。
与此同时，有关工业对氨的需求以吨计有所增加，这是工业建设和化学发展的基本原料之一。
但是，作为工业发展和国民经济的重要参与者，传统的合成氨往往消耗更多的能源，产生较少的效益。
因此，对合成氨催化剂的研究开发不断进行推导。
本文介绍了合成氨催化剂的研究开发，讨论了最新的合成氨研发趋势，供参考。
关键词：合成氨；催化剂；新技术；研究进展前言作为合成氨化工的重要原料，在中国工业建设和经济生产中发挥着十分重要的作用，合成氨相关催化剂的开发也是化工发展的重要组成部分。
但是，我们还必须认识到，合成氨工业在实际生产中也消耗大量能源在全球气候日益受到灾害威胁的时候，化学研究人员必须加倍努力，改进现有的催化剂，以提高合成氨工业的总体效率。
1 铁基催化剂的研究1.1铁系氨合成催化剂A-110-1催化剂是一种以铁-氨为基础的合成催化剂，主要由磁铁矿的传统熔炼形成。
为了提高催化剂活性和稳定性，结构催化剂如Al2O3、K2O、CaO、BaO等。
已添加到准备中。
其作用是利用这些高熔点折射氧化物作为活性物质的α-Fe晶体的绝缘材料，防止容易发生摩擦的微晶接触，从而提高催化剂体的热稳定性。
SiO2 _ 2通常是从磁铁矿原料引入的，其适当存在类似于Al2O3，它可以稳定铁颗粒，提高催化剂的热阻和水的毒性。
催化剂的组成和含量在熔化状态下相互作用，影响催化剂的活性和热稳定性。
尤其是还原催化剂表面化学成分对催化剂的活性和稳定性起着重要作用。
氨合成催化剂
与经典的以四氧化三铁为主相的催化剂对比
预还原态
评价条件：粒度0.35-0.84mm,SV=1.5×104h-1,P=15Mpa 评价时间：2003年06月
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氨合成催化剂
对比数据
样品型号 耐热后425℃氨净值 变化率% 耐热后400℃氨净值 变化率%
评价时间：2003年05月
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氨合成催化剂
Amomax-10/Amomax-10H催化剂测试结果
2．测试条件 T=425℃ 空速：1.5*104 h-1
评价时间：2003年05月
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Panjin Süd-Chemie Liaohe Catalyst Co.,Ltd.
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氨合成催化剂
催化剂经济分析
•节省压缩机功耗是长期的效益 •同等压缩机功耗条件下增产是长期的效益 •开工相对少的稀氨水排放有利环保并节省开工成本增加效益 •相对短期的开工时间可迅速建立正常生产,节省开工成本增加 效益
Structural and electronic promotors: Ca, Al, K, rare earth elements 结构和电子助剂： Ca, Al, K, 及稀土氧化物
Leading to（达到）: –High activity at low temperature and pressure（低温低压 高活性） –Fast reduction rate（还原速度快） –High mechanical strength（高机械强度）
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氨合成催化剂（三）
2003年2月28日Nitrogen & Methanol
大厂中钌系与铁系催化剂的比较
表1（略）以一假设的2,000t/d的合成氨厂为例，针对传统的熔铁催化剂与第一段采用熔铁催化剂而其余段采用钌系催化剂的一些特征作了对比说明。
从表可看出：在转化塔进口的氢氮摩尔比不同，尽管铁系类氢氮的化学计量比例为3.0，而当内件上采用钌系催化剂时，氢氮计量比例稍低于2.1。
当利用活性高的钌催化剂时，转化塔中所需的催化剂容量较少。
但在节能方面并没有优越性。
当内件在90巴压力下运转时，合成压缩机可采用单套机器，这是有利的一面，但不利的是由于产品中氨分压较低，冷却困难加大，这使得冷却压缩机的负荷也加大。
从合成和冷却压缩机的轴功率上来看，钌系催化剂在节能方面并没有多少优点，同时，由于压力的差别，钌系催化剂内件的投资费用高于铁系内件。
随着工业生产规模需求的不断提高，建立大厂是必要的。
为了减小设备、管件的大小，在合成内件上的压力可能提高，例如需达到200巴。
新近开发的Ru-BN催化剂完全适应这些条件，且在加氢反应中完全稳定，而以石墨为载体的催化剂在较高的氢分压气氛下问题则比较严重。
尽管存在这么多的优点，但居高不下的钌价格使得钌系催化剂内件所需偿还周期较长，以致于不能与铁系催化剂内件相竞争，特别是目前的趋势已显示所建的大厂一般都选择原料气来源方便的地区。
尽管目前钌的价格降了一点，但仍然很高。
图3（略）给出了钌在1992-2001年之间的价格变化趋势。
新的氨合成催化剂开发的可能性
在过去的两年内，研究者们利用oretical模型描述了过渡金属氨合成催化剂的催化活性，从研究来看，氮的约束能对于催化剂的性能有着决定性的影响。
这种模型准确地描述了已知未促进的、促进的及双金属性催化剂的催化活性。
进一步来说，通过这种模型，可很容易评价各种操作条件（温度、压力等）对催化剂活性的影响。
在特定的反应条件下，可以估算出某个给定催化剂的氮约束能。
举一例子来说明这个问题，图4（略）描述了在不同氨分压条件下，过渡金属催化剂的活性趋势。
横坐标为氮对催化剂表面的约束能，纵坐标为催化剂的交叉频率。
图中标出了一些金属催化剂，其它未标出的可根据其在元素周期表中的位置采用内插法和外插法得到它在图中的位置。
从图
中可看出：氨合成中存在最大的活性点位。
在特定的条件下，它的最大活性大约是促进的钌催化剂活性的2-3倍。
如果优化制备工艺，生产出具备人们所希望稳定性及氮约束能的催化剂很有可能。
到目前为止，促进的Cs/Co3Mo3N 催化剂已具备了所希望的活性，但还没有达到所希望的表面积。
即使能达到，由于目前Co、Mo价格较高，因而是否能与传统的铁催化剂竞争也值得怀疑。
由此看来，在氨合成工艺中重要的改进还依靠新的内件结构、新的分离工艺、前置的进一步改进或由新型催化剂建立新的反应机理、或采用新的电子助剂等。
在某种程度上来说，合成氨工艺将沿着目前的发展趋势进一步优化。
在建设新厂时，最好选择原料来源方便、基础设施好的地区。
如果建设高产量的新厂（≥2,500t/d）需要降低特定的投资时，内件尽可能在150巴以下操作以保持设备和管线大小合理布置。
在这样的装置中，新近开发的Ru/BN催化剂将是最适合用来降低设备大小和减少催化剂体积的一种产品。
文章标题:氨合成催化剂（三）。