Теоретические основы процесса производства аммиака

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению:

.

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим тепловым эффектом и при высоких температурах становится еще более экзотермической . Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае тоже отрицательно  и не благоприятствует протеканию реакции. При отрицательном значении ∆S повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции, так как ∆S определяет характер зависимости ∆G от температуры согласно уравнению:

.

(6.14)

Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема.   

Основываясь на принципе Ле Шателье, можно сделать вывод о том, что в условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком. Использование константы равновесия позволяет количественно оценить степень предсказываемых изменений по уравнению:

.

(6.15)

Однако синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализаторов в качестве которых обычно применяют Fe, Ru, Re и др. В промышленности нашли применение железные катализаторы, полученные сплавлением оксида железа с промоторами и последующим восстановлением оксида железа. В качестве промоторов применяют оксиды кислотного и аморфного характера – Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ и др., а также K₂O, Na₂O, CaO и др.

Исследование процесса синтеза аммиака позволило сделать вывод о том, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота на поверхности катализатора. Скорость обратимой реакции получения аммиака на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина-Пыжова:

,

(6.16)

где k₁ и k₂ – константы скоростей образования и разложения аммиака; - парциальные давления азота, водорода, аммиака; α – постоянная удовлетворяющая равенству 0<α<1.

При проведении процесса при атмосферном давлении величина α для промышленных катализаторов в интервале температур 400-500°С равна 0,5.

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и состава реакционной смеси. Из уравнения Темкина-Пыжова видно, что скорость прямой реакции синтеза пропорциональна р^1,5, а скорость обратной реакции пропорциональна р^0,5. Отсюда очевидно, что с ростом давления наблюдаемая скорость процесса увеличивается. И термодинамические, и кинетические факторы свидетельствуют в пользу проведения процесса при высоких давлениях (увеличивается равновесный выход, повышается скорость синтеза). Вместе с тем, повышение давления увеличивает расход электроэнергии на компрессию, повышает требования к машинам и аппарата. При пониженном давлении упрощается аппаратурное оформление процесса, снижается расход энергии, но при этом растут габариты аппаратов, увеличиваются энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака, повышаются требования к чистоте синтез-газа.