工業制氨如何控制溫度

⑴ 工業合成氨時使用催化劑條件為500攝氏度而不選擇其他溫度的原因是什麼

N2 + 3H2 =高溫高壓= 2NH3

合成氨反應是可逆放熱反應；

溫度的選擇受所使用的催化劑決定；

催化劑鐵觸媒在500攝氏度時的活性最大；

所以合成氨反應一般選擇在此溫度下進行。

負號表示放熱。升溫平衡向減弱這種趨勢的方向移動，即升溫向吸熱方向進行。也就是說，工業合成氨溫度過高反而氮氣氫氣轉化率降低，但為什麼要升溫至500℃呢?因為500℃才能達到反應的最低活化能標准。

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合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質油和煤等。1981年，世界以天然氣制氨的比例約佔71%，蘇聯為92.2%、美國為96%、荷蘭為100%；中國仍以煤、焦炭為主要原料制氨,天然氣制氨僅佔20%。70年代原油漲價後，一些採用石腦油為原料的合成氨老廠改用天然氣，新建廠絕大部分採用天然氣作原料。

生產合成氨的方法主要區別在原料氣的製造，其中最廣泛採用的為蒸汽轉化法和部分氧化法（見合成氨原料氣）。

⑵ 合成氨過程如何選擇和控制工藝條件

氨合成的生產工藝條件必須滿足產量高，消耗定額低，工藝流程及設備結構簡單，操作方便及安全可靠等要求。決定生產條件的因素是壓力、溫度、空間速度、氣體組成和催化劑等。
一、壓力
提高壓力，對氨合成反應的平衡和反應速率都是有利的，在一定的空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產能力也越大。氨產率是隨著壓力的升高而上升的。
氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產中能量消耗的主要因素。氨合成系統的能量消耗主要包括原料氣壓縮功，循環氣壓縮功和氨分離的冷凍功。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加。但合成壓力提高時由於氨凈值增高，單位氨產品所需的循環氣量減少，因而循環氣壓縮功減少。同時壓力高也有利於氨的分離，在較高溫度下氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。實踐證明，操作壓力在 20~35MPa時總能量消耗較低。
二、溫度
氨合成反應必須在催化劑的存在下才能進行，而催化劑必須在一定的溫度范圍內才具有催化活性，所以氨合成反應溫度必須維持在催化劑的活性溫度范圍內。
通常，將某種催化劑在一定生產條件下具有最高氨生成速率的溫度稱為最適宜溫度，不同的催化劑具有不同的最適宜溫度，而同一催化劑在不同的使用時期，其最適宜溫度也會改變。例如，催化劑在使用初期活性較強，反應溫度可以低些；使用中期活性減弱，操作溫度要提高；使用後期活性衰退，操作溫度要比使用中期更提高一些。此外，最適宜溫度還和空間速度，壓力等有關。
空間速度對最適宜溫度的影響。在一定空速下，開始時氨產率隨著溫度的升高而增加；達到最高點後，溫度再升高，氨產率反而降低，不同的空間速度都有一個最高點，也就是最適宜溫度。所以為了獲得最大的氨產率，合成氨的反應隨空間速度的增加而相應的提高，在最適宜溫度以外，無論是升高或降低溫度，氨產率都會下降。
催化劑層內溫度分布的理想狀況應該是降溫狀態，即進催化劑層的溫度高，出催化劑層的溫度比較低，這是一個高速反應（催化劑層上部）與最大平衡（催化劑層下部）相結合的方法，因為剛進入催化劑層的氣體中含氨量低，距離平衡又遠，需要迅速地進行合成反應以提高含氨量，因此催化劑層上部溫度高就能加快反應速率。當氣體進入催化劑層下部，氣體中含氨量已增高了，催化劑溫度低就可以降低逆反應速率，從而提高了氣體中平衡氨含量。
催化劑層中溫度分布是不均勻的，其中溫度最高的點稱為熱點。
三、空間速度
當操作壓力、溫度及進塔氣組成一定時，對於既定結構的合成塔，增加空間速度也就是增快氣體通過催化劑床層的速度，氣體與催化劑接觸時間縮短，使出塔氣中氨含量降低，即氨凈值降低。但由於氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數要少，所以當空速增加時，氨合成的生產強度有所提高，氨產量有所增加。在其他條件一定時，增加空間速度能提高催化劑生產強度。但空速增大，將使系統阻力增大，壓縮循環氣功耗增加，冷凍功也增大。同時，單位循環氣量的產氨量減少，所獲得的反應熱也相應減少。當單位循環氣的反應熱降到一定程度時，合成塔就難以維持「自熱」。
一般中壓法合成氨，空速在20000～40000h－1之間。
四、合成塔進塔氣體組成
合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。當氫氮比為3時，可獲得最大的平衡氨濃度，但從氨的反應機理可知，氮的活性吸附是氨合成反應過程中控制步驟，因此適當提高氮氣濃度，對氨合成反應速率是有利的。在實際生產中，進塔循環氣的氫氮比控制在2.5～2.9比較合適。由於氨合成時氫氮比是按3:1而消耗的，因此補充的新鮮氣的氫氮比應控制在3，否則循環系統中多餘的氫或氮就會積累起來，造成循環氣中氫氮失調。
惰性氣體（CH4、Ar）不參加反應，但由於它的存在會降低氫氮氣的分壓，對化學平衡和反應速率都是不利的，導致氨的生成率下降。同時，由於惰性氣體不參與反應，當通過合成塔時，會將塔中的熱量帶走，造成催化劑層溫度下降，而且，還會使壓縮機作虛功。
惰性氣體來自新鮮氣。隨著合成反應的進行，惰性氣體留在循環氣中，新鮮氣又不斷補充在循環氣中，這樣循環氣中的惰性氣體會越來越多，因此必須將惰性氣體排出。生產中採用不斷排放少量循環氣的辦法來降低系統惰性氣體含量。放空量增加，可使循環氣中惰性氣體含量降低，提高合成率，但是氫和氮也隨之被排出，從而造成氫氮氣的損失增大。因此，控制循環氣中的惰性氣體含量過高或過低都是不利的。
循環氣中惰性氣體含量的控制，還與操作壓力和催化劑活性有關。操作壓力較高及催化劑活性較好時，惰性氣體含量高一些，也能獲得較高的合成率。相反，循環氣中惰性氣體含量就應該低一些。一般循環氣中惰性氣體含量控制在12%～18％較為合適。
目前一般採用冷凝法分離反應後氣體中的氨，由於不可能把循環氣中的氨完全冷凝下來，所以返回合成塔進口的氣體多少還含有一些氨。進塔氣中的氨含量，主要決定於進行氨分離時冷凝溫度和分離效率。冷凝溫度愈低，分離效果愈好，進塔氣中氨含量也就愈低。降低進塔氣中氨含量，可以加快反應速率，提高氨凈值和催化劑的生產能力。但將進口氨含量降得過低。勢必將循環氣冷至很低的溫度，使冷凍功耗增大。
合成塔進口氨含量的控制也與合成壓力有關。壓力高，氨合成反應速率快，進口氨含量可控制高些，壓力低，為保持一定的反應速率，進口氨含量應控製得低些。當採用中壓時，進塔氣中氨含量控制在3.2%～3.8％。