Физико-химические основы синтеза аммиака

Уравнение химической реакции и его анализ

N2 + 3H2 ↔ 2NH3;   ∆Н = – 92 кДж

При температуре 500 ºС и давлении 30 МПа ∆H = – 112 кДж.

Стандартная энтальпия образования аммиака равна
∆Hºобр. = – 46 кДж.

Реакция – обратимая, протекает с уменьшением объёма газообразных веществ, идёт с выделением тепла (экзотермическая).

Выражение для константы равновесия через равновесные парциальные давления (kр) и равновесные концентрации (kC)

Выбор оптимальных условий синтеза аммиака

Поскольку реакция обратима, необходимо определить условия, способствующие выходу аммиака.

Смещение равновесия в сторону образования аммиака по принципу Ле-Шателье происходит при следующих условиях:

  • увеличение концентрации исходных веществ;
  • увеличение давления;
  • уменьшение температуры;
  • уменьшение концентрации продуктов реакции.

Следовательно, процесс необходимо проводить при высоких концентрациях азота и водорода в газовой смеси, поступающей на синтез, при повышенном давлении и при постоянном понижении температуры. Равновесие сместится вправо также при отводе продуктов реакции.

В соответствии с ПРАВИЛОМ, касающегося любого обратимого экзотермического процесса, синтез аммиака начинают при оптимальной температуре, обеспечивающей необходимую скорость, а затем ведут процесс по линии оптимальных температур (ЛОТ), постоянно отводя тепло из системы.

Для того чтобы выбрать оптимальные условия протекания процесса синтеза аммиака, исследуется различные характеристики процесса, например, зависимость выхода аммиака от давления в системе и от температуры.

Зависимость выхода аммиака от давления представлена на рисунке (Рис.1).

Зависимость равновесного выхода аммиака от температуры  при различных давлениях представлена на рисунке (Рис.2).

Рис. 1. Зависимость выхода аммиака от давления (объёмная скорость 30 000 ч-1; t = 500°C; катализатор железный).

Зависимость выхода аммиака от давления
Зависимость выхода аммиака от давления

Рис.2. Зависимость равновесного выхода аммиака от температуры для различных давлений.

Зависимость равновесного выхода аммиака от температуры
Зависимость равновесного выхода аммиака от температуры

Выводы. Исследование зависимости равновесного выхода аммиака от давления и температуры показывает, что:

  • с увеличением давления содержание аммиака в газе повышается и происходит это по затухающей кривой (Рис.1.);
  • с увеличением температуры равновесный выход аммиака уменьшается (Рис. 2);
  • при одной и той же температуре с увеличением давления выход аммиака увеличивается (Рис.2).

Все промышленные установки работают при повышенном давлении. Различают установки:

  • низкого давления – (10 – 15) МПа;
  • среднего давления – (25 – 60) МПа;
  • высокого давления – (60 – 100) МПа.

Но применять слишком высокие давления экономически невыгодно.

Наиболее эффективным является агрегат синтеза аммиака под средним  давлением (Р = 32МПа) мощностью 450000т/год  (или 1360т/сутки).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector