化学工艺学作业(3)解答.doc

化学工艺学作业（3）解答1. 氨合成反应的机理是什么？影响反应速率的因素有哪些？如何提高平衡氨含量？ 答：反应机理：在催化剂的作用下，氢与氮生成氨的反应是一气固相催化反应。由以下几个步骤所组成： (1)气体反应物扩散到催化剂外表面； (2)反应物自催化剂外表面扩散到毛细孔内表面； (3)气体被催化剂表面(主要是内表面)活性吸附(与普通吸附的区别在于有化学力参与在内，并放出热量)； (4)吸附状态的气体在催化剂表面上起化学反应，生成产物；(5)产物自催化剂表面解吸； (6)解吸后的产物从催化剂毛细孔向外表面扩散； (7)产物由催化剂外表面扩散至气相主流。 影响反应速率的因素有：压力、氢氮比、惰性气体、温度、内扩散。 影响平衡氨含量的因素：温度、压力、氢氮比、惰性气体含量，提高平衡氨含量方法：提高压力、降低温度和减少惰性气体含量。2. 氨合成催化剂的活性组分是什么？各种促进剂的作用是什么？简述氨合成催化剂在使用过程中活性不断下降的原因？ 答：常用的催化剂主要是铁催化剂。催化剂组成Fe3O4,活性组分是金属铁。促进剂为：K2O, CaO, Al2O3，SiO2 Al2O3：增加催化剂比表面积，防止还原后铁微晶长大聚集，提高催化剂活性和稳定性。K2O：可使催化剂的金属电子逸出功降低，利于N分子的吸附和活化，加快氨的脱附。提高了催化剂活性。 CaO：有利于Al2O3和Fe3O4固熔体的形成，降低固熔体的熔点和黏度，另外还能提高催化剂的热稳定性和抗毒能力。 SiO2：磁铁矿的杂质，类似于Al2O3，可稳定-Fe晶粒，增强催化剂的耐热性和抗水能力。催化剂在使用过程中活性不断下降的原因：催化剂的中毒 ：进入合成塔的新鲜混合气，虽然经过了净化，但仍然含有微量的有毒气体，使催化剂缓慢中毒，活性降低。催化剂的衰老 ：催化剂经长期使用后，活性会逐渐下降，生产能力逐渐降低，这种现象称为催化剂的衰老。3. 如何选择氨合成的工艺条件？氨合成工艺流程需要哪几个步骤？为什么？ 答：工艺条件的选择：（1）压力：从化学平衡和化学反应速率的角度看，提高操作压力有利，选择操作压力的主要依据：能量消耗、生产能力、设备投资、催化剂使用寿命。一般认为20-30MPa是比较合适的合成压力。（2）温度：合成氨为可逆放热反应，温度对平衡转化率和反应速度都有影响，存在着最适宜温度Tm(或称最佳反应温度)，它取决于反应气体的组成、压力以及所用催化剂的活性。主要考虑床层入口温度和热点温度，一般控制在400-450。（3）空间速度：提高空速氨合成塔生产强度增大，但反应后气体中净氨值有所降低。净氨值降低，增加氨的分离难度，使冷冻功耗增加。空速过高，循环气量增加，循环功耗大；空速过高气体带出的反应热较多，导致催化剂床层温度下降不能维持正常生产。 参照合成压力选择空速。（4）合成塔进口气体组：成包括氢氮比、情性气体含量与初始氨含量。为 防止原料气中氢氮比失调，新鲜原料气中氢氮比为3，惰性气体的存在，从化学平衡和动力学角度对合成氨都不利。当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。 氨合成工艺流程虽然不尽相同，但都包括以下几个步骤：氨的合成、氨的分离、新鲜氢氮气的补入，未反应气体的压缩与循环，反应热的回收与惰性气体排放等。氨合成工艺流程的设计，关键在于合理组合上述几个步骤，其中主要是合理确定循环机、新鲜气补入及惰性气体放空的位置以及氨分离的冷凝级数和热能的回收方式。4. 氨合成塔为什么要设置外筒和内件？ 答：氨合成是在高温高压条件下进行的，氢氮气对碳钢设备有明显的腐蚀作用。氢对氨合成塔腐蚀有氢脆和氢腐蚀；在高温高压下，氮与钢中的铁及其他很多合金元素生成硬而脆的氮化物，导致金属机械性能降低。为合理解决上述问题，满足高温、高压的双重要求，合成塔由内件（催化剂框、热交换器、电加热器）和外筒两部分组成。5. 分别计算： （1）压力为30MPa，氢氮比为3，惰性气体含量为0，温度分别为400、450的平衡氨含量； （2）温度400，氢氮比为3，惰性气体含量为0，压力分别为15 MPa、20 MPa、30 MPa的平衡氨含量；（3）压力为30 MPa，氢氮比为3，温度为400，惰性气体含量分别为12%、25%、18% 时的平衡氨含量。通过以上计算总结温度、压力、惰性气体含量如何影响平衡氨含量。6. 某合成氨厂的合成塔氨产量为5787kg/h，进塔气体组成为H2 62%、N2 20.4%、CH4 8.4%、Ar 6.5%、NH3 2.7%，出塔气体中氨含量为12.6%，合成