Синтез аммиака

Аммиак—ключевой продукт различных азотосодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве. Аммиак NH₃ – основание, умеренно сильный восстановительный агент и эффективный комплексообразователь по отношению к катионам, обладающим вакантными связями.

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

Реакция обратимая, экзотермическая, при высоких температурах становится еще более экзотермической. Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается в сторону уменьшения выхода аммиака. Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. Согласно уравнению 4 моль исходных газообразных реагентов образуют 2 моль газообразного продукта. Основываясь на принципе Ле Шателье, можно сделать вывод, что в условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

Принцип Ле Шателье—Брауна: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

Итак, максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низких температурах. Однако даже при оптимальных условиях процесс синтеза в гомогенной газовой фазе практически неосуществим. Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора, причем катализаторами служат твердые вещества.

Гетерогенно-каталитический процесс синтеза аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями;

1) диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора;

2) хелюсорбция молекул реагентов (адсорбатов) на поверхности катализатора;

3) поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними;

4) десорбция продукта;

5) диффузия продукта реакции (аммиака) от поверхности катализатора в газовую фазу.

Высокую каталитическую активность в процессе синтеза аммиака проявляют металлы 6,7 и 8 групп периодической системы. Наибольшей активностью обладают Fe, Ru (рутений), Re (рений), Os (осмий). В промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующим восстановлением железа.

Катализаторы синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором. Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5*10 ^-5%. Кислород и кислородосодержащие соединения (H₂O; CO; CO₂), присутствующие в азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность катализатора обратимо.

Поиск по сайту: