《制氢技术》教案17氨分解反应机理

一、教案头编号：17授课班级22氢能技术1班授课日期2024年5月27日本次课标题：氨分解反应机理教学目标知识目标了解氨分解制氢工艺的优点；掌握氨分解反应的机理；了解氨分解催化剂。能力目标能正确表述氨分解反应的机理。教学重点氨分解反应的机理教学难点氨分解反应的机理参考资料《氢能与制氢技术》第二版吴素芳浙江大学出版社2021-7

二、教学设计(第17次课)步骤教学内容教学方法教学手段时间分配告知(教学内容、目的）告知目标：了解氨分解制氢工艺的优点；掌握氨分解反应的机理；了解氨分解催化剂。讲授课件、板书5分钟引入（任务项目）氨分解制氢在工业上更多的是用于浮法玻璃生产。在浮法玻璃生产过程中,熔化的锡液在空气中极易氧化为氧化亚锡和氧化锡,这些锡的化合物黏在玻璃表面,既污染了玻璃又增加了锡耗。所以需要将锡槽密封,并连续稳定地送入高纯度氮氢混合气体,以维持槽内正压,保护锡液不被氧化。氢气是一种还原性气体,它可以迅速同氧气反应,使锡的氧化物还原。目前主要利用水电解和氨水分解制取氢气。因氨气分解制氢工艺比较安全,所以被许多浮法玻璃企业采用。设问启发讨论课件10分钟操练（掌握初步或基本能力）氨分解制氢工艺有以下主要优点:(1)相关技术成熟。氨的合成、运输、利用技术及其基础设施十分成熟,这就为氨分解制氢路线的推广提供了较好的背景支持。(2)价格低廉。目前氨的市场价格大约是汽油的三分之一、天然气的二分之一、氢的二分之一。此外,氨分解制氢工艺的大规模推广必然会推动合成氨工业的飞速发展,而规模化生产又将继续降低氨分解制氢的成本。(3)储氢量高。氨分解制氢体系的质量储氢量的理论值是17.6%,高于电解水(11.1%),甲醇水蒸气重整(12%)、汽油水蒸气重整(12.4%)、氢化物水解(5.2%～8.6%)等制氢体系。(4)易于储存。在室温下,8～10大气压即可使氨气液化。(5)安全性好。在标准状态下,氨一空气体系的爆炸极限较窄,仅为16%～27%(体积百分比),远远优于氢—空气体系(18.3%~59%)。(6)环境友好。经燃料电池单元综合利用后,尾气仅为N2和H2O并可直接排空,全过程不会产生有害气体。(7)流程简单。由于制氢过程不生成CO,因此不需要怪类制氢装置所必需的水汽变换,选择氧化等单元,制氢流程简单,设备的重量和体积小,符合中小规模制氢灵活而经济的原则。讲授教师示范课件、板书、操作演示25分钟深化（加深对基本能力的体会）氨分解反应主要采用高温催化裂解,氨分解反应式如下:该平衡体系仅涉及NH,,N和H三种物质。由于该反应弱吸热且为体积增大反应,所以高温、低压的条件有利于氨分解反应的进行。根据热力学理论计算结果可知,常压、500℃时氨的平衡转化率可达99.75%。但是,由于该反应为动力学控制的可逆反应,再加上产物氢气在催化剂活性中心的吸附抢占了氨的吸附位,产生“氢抑制”,从而导致氨的表面覆盖度(ONH3)下降,表现为较低的转化率。目前,国内外市场上的氨分解装置大多采用提高操作温度(700~900℃)的方法来获得较高的氨分解率,这就在很大程度上提高了运行成本,降低了市场竞争力。氨分解反应是一个逐步脱氢的过程。在排除传质过程影响的前提下,该催化过程机理主要包括如下步骤(见图7.1):重点讲解教师示范课件、板书30分钟训练巩固拓展检验实现氨的低温高效分解关键决定于氨分解催化剂。现有的氨分解催化剂主要以负载型催化剂为主,其中包括以Ru为代表的贵金属催化剂(Ir,Pt等)和以Fe,Ni为代表的过渡金属催化剂(Co,Mo等)。Ru基催化剂具有较高的比活性,但是只有在负载量高于5wt%、其表面碱性较大时才具有较好的氨分解效果。Fe催化剂价格低廉,但是催化活性要远远低于Ru和Ni。Ni的活性介于Fe和Ru之间,具有成本低,易于制备、选择性及稳定性好等优点。氨分解反应的尺寸效应指活性组分的晶粒尺寸对其催化活性有着决定性影响的现象。宏观上就表现为反应速率对活性组分的晶粒尺寸敏感。这主要是因为,控制总包反应速率的某一个或几个基元步骤主要发生在一组按照特殊规律排