合成氨工藝中的化學熱力學及動力學

合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。熱力學計算表明，低溫、高壓對合成氨反應是有利的，但無催化劑時，反應的活化能很高，反應幾乎不發(fā)生。

當采用鐵催化劑時，由于改變了反應歷程，降低了反應的活化能，使反應以顯著的速率進行。

目前認為，合成氨反應的一種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學吸附，使氮原子間的化學鍵減弱。

接著是化學吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。

工業(yè)合成氨反應的熱化學方程式

人工固氮最有效的方法是合成氨。

化學方程式:

N2+3H2=2NH3(可逆反應,條件高溫高壓催化劑)

工業(yè)上利用合成氨實現(xiàn)人工固氮，最常用的是哈伯法，也就是氮氣與氫氣在高溫高壓催化劑（鐵）作用下發(fā)生化合生成氨，然后再經一系列的反應轉化為其他有價值的化合物，如硝酸、氮肥、含氮炸藥等等。

地球上固氮作用有三種途徑，即生 物固氮、非生物固氮和工業(yè)固氮。

1。 生物固氮

生物固氮是指固氮微生物將大氣中 的氮氣還原成氨的過程。固氮生物可以 在特定條件下把氮氣還原為氨，而且都 屬于個體微小的原核生物。

根據(jù)固氮生 物的固氮特點以及與植物的關系，可以 將它們分為自生固氮生物、共生固氮生 物和聯(lián)合固氮生物三類。 大氣中的氮， 必須通過以生物固氮為主的固氮作用， 才能被植物吸收利用。

因此，生物固氮 也是最重要的固氮途徑。

2。 非生物固氮

非生物固氮是指通過閃電、宇宙射 線和火山活動等高能固氮。非生物固氮 的結果是形成氨或硝酸鹽，隨著雨水降臨到地球表面，以這種方式固定的氮每年 約為1 800萬噸。

3。 工業(yè)固氮

工業(yè)固氮就是用高溫、高壓和化學 催化的方法，將氮轉化成氨。工業(yè)固氮 現(xiàn)在已經達到了1億噸的年產量。

合成氨熱力學分析

合成氨工藝學很復雜系統(tǒng)的學科，包含化工原理、計算、物化、化工工藝等方面的綜合。是典型的無機化工專業(yè)的一部分。細分的話合成氨工藝學包括：

1.原料氣的合成：煤氣化﹑烴類蒸汽轉化制氣方法主要化學反應，工藝流程，工藝條件，主要設備。

2.原料氣的凈化：脫硫，變換，脫除CO2﹑少量CO和CO2的脫除，其基本原理﹑流程及工藝條件選擇。

3.氨的合成：氨合成動力學及熱力學，物料衡算，平衡氨含量，典型工藝流程，工藝條件，氨合成塔結構及類型。

合成氨熱化學方程

工業(yè)上利用合成氨實現(xiàn)人工固氮的化學方程式：N?十3H?=2NH?(高溫高壓催化劑，400-500°）

利用高溫提供高能量，斷N-N的3鍵H-H單鍵，便可從新合成，新建。但是個可逆反應，理由就是N-H鍵也會被高能量斷開又變回N-N的3鍵和H-H單鍵。要控制好反應進度，得到最高效益。

拓展資料：

人工固氮主要是針對生物固氮而言，通過化學方法，制備出類似生物“固氮菌”的物質，使空氣中的氮氣在常溫常壓下與水及二氧化碳等反應，轉化為氨態(tài)氮或銨態(tài)氮，進而實現(xiàn)人工合成大量的蛋白質等，最終實現(xiàn)工廠化生產蛋白質食品。

化工工藝學合成氨

工業(yè)上需要氨氣作為化工原料，農業(yè)上需要氨態(tài)氮肥，氨氣的需求廣泛，所以要人工合成。

從熱力學和動力學兩個方面論述合成氨的反應條件

平衡常數(shù)的大小體現(xiàn)一個可逆反應進行的程度大小，平衡常數(shù)越大，則表示反應物的轉化率越高，它是一個只隨溫度改變而改變的量，只在可逆反應中才會出現(xiàn)；速率是指任何一個化學反應都具有的反應進行的速度快慢，它受到很多外界因素的影響，比如：溫度、壓強（這個條件要求反應中必須有氣體參加，而且是密閉容器）、反應物濃度、催化劑等等。這是兩個基本沒有關聯(lián)的量

氨合成反應動力學

反應原理

1．主、副反應

主反應

：

CH=CH-CH3

+

NH3

+

O2

→

CH2=CH-CN

+

3H2O

丙烯、氨、氧在一定條件下發(fā)生反應，除生成丙烯腈外，尚有多種副產物生成。

副反應：

CH2=CHCH3

+

3NH3

+

3O2

→

3HCN

+

6H2O

氫氰酸的生成量約占丙烯腈質量的1/6。

CH2=CHCH3

+

NH3

+

O2

→

CH3CN

+

3H2O

乙腈的生成量約占丙烯腈質量的1/7。

CH2=CHCH3

+

O2

→

CH2=CHCHO

+

H2O

丙烯醛的生成量約占丙烯腈質量的1/100

CH2=CHCH3

+

O2

→

3CO2

+

3H2O

二氧化碳的生成量約占丙烯腈質量的1/4，它是產量最大的副產物。

上述副反應都是強放熱反應，尤其是深度氧化反應。在反應過程中，副產物的生成，必然降低目的產物的收率。這不僅浪費了原料，而且使產物組成復雜化，給分離和精制帶來困難，并影響產品質量。為了減少副反應，提高目的產物收率，除考慮工藝流程合理和設備強化外，關鍵在于選擇適宜的催化劑，所采用的催化劑必須使主反應具有較低活化能，這樣可以使反應在較低溫度下進行，使熱力學上更有利的深度氧化等副反應，在動力學上受到抑制。

2．催化劑

工業(yè)上用于丙烯氨氧化反應的催化劑主要有兩大類，一類是復合酸的鹽類(鉬系)，如磷鉬酸鉍、磷鎢酸鉍等；另一類是重金屬的氧化物或是幾種金屬氧化物的混合物(銻系)，例如Sb、Mo、Bi、V、W、Ce、U、Fe、Co、Ni、Te的氧化物，或是Sb—Sn氧化物，Sb—U氧化物等。

我國目前采用的主要是第一類催化劑。鉬系代表性的催化劑有美國Sohio

公司的C-41、C-49及我國的MB-82、MB-86。一般認為，其中Mo—Bi是主催化劑，P—Ce是助催化劑，具有提高催化劑活性和延長催化劑壽命的作用。按質量計，Mo—Bi占活性組分的大部分，單一的MoO3雖有一定的催化活性，但選擇性差，單一的Bi03對生成丙烯腈無催化活性，只有二者的組合才表現(xiàn)出較好的活性、選擇性和穩(wěn)定性。單獨使用P—Ce時，對反應不能加速或極少加速，但當它們和Mo—Bi配合使用時，能改進MO—Bi催化劑的性能。一般來說，助催化劑的用量在5％以下。載體的選擇也很重要，由于反應是強放熱，所以工業(yè)生產中采用流化床反應器。流化床反應器要求催化劑強度高，耐磨性能好，故采用粗孔