Синтез аммиака кинетика

VII-9. Кинетика синтеза аммиака исследовалась Темкиным и Пыжовым . Суммарная скорость процесса определяется скоростью адсорбции азота. При выводе кинетического уравнения было использовано подтвержденное экспериментально уравнение изотермы адсорбции в логарифмическом виде [c.237]

Фундаментом прогнозирования активности, селективности и других специфических свойств катализатора должна стать детальная микроскопическая теория гетерогенного катализа, опирающаяся на современные представления квантовой химии и теории твердого тела. Описывая элементарные акты реакций и превращений вещества на поверхности реального катализатора, такая теория в принципе дает возможность не только в полной мере понять механизм, кинетику и термодинамику катализа, но и предсказать каталитическую способность того или иного металла, полупроводника, диэлектрика в конкретной химической реакции. Однако незавершенность теорий катализа не позволяет однозначно предсказывать оптимальный состав промышленных катализаторов и другие их характеристики для действующих и проектируемых производств. До сих пор решение проблемы подбора катализаторов опирается в значительной мере на эмпирические подходы, сопряженные с большими затратами рутинных форм труда. Так, в поисках первого катализатора для синтеза аммиака было исследовано около 20 тыс. различных веществ [1, 2]. В 1973 г. число известных органических соединений оценивалось в 6 млн. Ежегодно только в нашей стране синтезируется более 40 тыс. новых химических соединений. Таким образом, разработка научно обоснованных целенаправленных стратегий поиска катализаторов представляет актуальную проблему современного катализа. Актуальность проблемы подтверждается еще и тем, что коло 90% промышленных химических и нефтехимических производств ведется с применением катализаторов. [c.56]

Один из недостатков системы такого типа (его иногда не замечают) — опасность образования побочных продуктов или увеличения концентрации примесей. По этой причине ее не используют для реакций, в которых возможно образование побочных продуктов (например, синтез метанола), но она используется очень успешно для изучения кинетики синтеза аммиака (рис. 13). [c.59]

Дифференциальное уравнение (VI.81) характеризует кинетику синтеза аммиака при режиме идеального вытеснения. По данным практики можно полагать, что на первых четырех полках колонны синтеза со взвешенными слоями катализатора гидродинамические условия близки к полному смешению. Для определения высоты слоя катализатора при режиме смешения уравнение (VI. 81) с учетом соотношения (VI. 82) преобразуется к виду [c.150]

Для получения кинетических. данных наиболее простой путь — осуществление изотермической р аботы интегральных конверторов, так как это ограничивает число переменных и облегчает интегрирование. Однако на практике изотермическая работа редко осуществляется, особенно для реакций с высокими тепловыми эффектами,вследствие ограничений в отводе тепла. Эти ограничения имеют большое значение, потому что плохой контроль за потоком тепла, приводящий к небольшим температурным градиентам в слое, может вызвать очень сильный эффект, поскольку скорость реакции экспоненциально зависит от температуры. При исследовании экзотермических реакций обычно применяют адиабатические трубные реакторы. Система температурного режима осуществляется таким образом, чтобы предотвратить утечку тепла через стенки реактора. Следовательно, профиль температур развивается вдоль длины реактора, размеры последнего зависят от теплоты реакции, теплоемкости реакционной среды и кинетики реакции. Полномасштабные заводские конверторы вследствие низкого соотношения поверхности и объема обычно работают адиабатически, и поэтому адиабатические- конверторы небольшого размера могут быть полезны для испытания на длительность пробега или для моделирования промышленной производительности. Эти конверторы могут работать либо на уровне полупромышленного масштаба, либо как пилотные установки. Адиабатические реакторы в настоящее время применяются для моделирования полномасштабных промышленных условий таких реакций, как высокотемпературная и низкотемпературная конверсия окиси углерода, реакция метанирования и синтез аммиака. [c.56]

Рис. 13. Реактор для изучения кинетики синтеза аммиака

Следует также отметить, что зависимость скорости химической реакции от давления в значительной степени определяется конкретным способом ее проведения. Так, например, при синтезе аммиака, который проводится с помощью твердого катализатора (железо, промотиро-ванное оксидом алюминия и оксидом калия), скорость суммарного процесса определяется кинетикой активированной адсорбции азота на поверхности катализатора, свободного от адсорбированного азота. Опыты по синтезу аммиака при 500 °С и давлениях до 50,6 МПа показали, что при давлениях свыше 10,1 МПа начинается ио-степенное уменьшение константы скорости реакции. Анализ экспериментальных результатов показал, что они объясняются отмеченным явлением — кинетикой активированной адсорбции. [c.180]

КИНЕТИКА СИНТЕЗА АММИАКА [c.167]

В 14.4.1 было показано, что температура и давление влияют на состояние системы и скорость синтеза аммиака противоположным образом, то есть существует противоречие между термодинамикой и кинетикой процесса. Поэтому, выход аммиака и удельная производительность катализатора зависят в первую очередь от этих параметров, а также от состава и объемной скорости газовой смеси, и активности катализатора и конструкции реактора. [c.200]

Представления о неоднородности поверхности катализатора были использованы М. И. Темкиным с сотрудниками при изучении кинетики различных процессов. Было показано, что на этой основе могут быть объяснены наблюдаемые на опыте дробные порядки реакции. Так, для процесса синтеза аммиака на железном катализаторе М. И. Темкин вывел кинетическое уравнение, при помощи которого удалось объяснить результаты многих более ранних, а также и более поздних исследований. [c.411]

Представления об энергетической неоднородности поверхности катализатора были использованы М. И. Темкиным при изучении кинетики многих каталитических реакций и особенно синтеза аммиака. Разработанная им теория объясняет наблюдаемые на опыте дробные порядки реакций. Для процесса синтеза аммиака М. И. Темкин вывел общепринятое в настоящее время кинетическое уравнение, при помощи которого можно объяснить результаты более ранних исследований, а также и поздних исследований, не получивших до этого определенного истолкования. М. И. Темкин установил, что при синтезе аммиака на железном катализаторе единственным адсорбирующимся газом является азот и скорость реакции определяется скоростью его адсорбции. При выводе уравнения было учтено, что активные центры отличаются своими энергетическими характеристиками и на разных активных центрах адсорбция идет с различной скоростью. Упомянутое выше уравнение для скорости синтеза аммиака, находящееся в прекрасном согласии с опытом, имеет вид [c.278]

Кинетика реакции синтеза аммиака описывается следующим уравнением [104] в случае исходной азотно-водородной смеси стехиометри-ческого состава [c.62]

Темкин и Пыжев установили вид уравнения кинетики синтеза аммиака на катализаторе указанного типа. Темкин обобщил это уравнение на случай высоких давлений [c.112]

Впоследствии на том же катализаторе было проведено [195] исследование кинетики синтеза аммиака при атмосферном давлении. При 451° было получено среднее значение к, равное 1,15-10 , т. е. несколько выше, чем при 450° и 300 атм (0,94-10 ). Проведенный]И. И. Темкиным [124] приближенный учет отклонения поведения участвующих в реакции газов от за- [c.113]

Введенский А. А. и Сидоров Н. В. К вопросу о кинетике синтеза аммиака под давлением выше атмосферного. ЖПХ, XIX, № 10—11, 1157-1168 (1946). [c.432]

При изучении кинетики синтеза аммиака А. А. Введенским и [c.130]

Отравление катализатора в большинстве случаев происходит в результате адсорбции яда на иоверхности. Таким образом, механизм отравления- аадинег, чается в блокировке, активных участков катализатора. Посколь-, ку адсорбция может быть как обратимой, так и необратимой,-различают обратимое и необратимое отравление. Так, платиновый катализатор Отравляется СО и СЗг, однако при внесении его в чистую смесь исходных веществ (газообразных) происходит десорбция яда, и активность восстанавливается. При отравлении же НгЗ и РНз платина полностью дезактивируется. На рис. ХП, 6 показана кинетика обратимого отравления парами воды железного катализатора нри синтезе аммиака. При про-нускагши влажного газа активность катализатора снижается примерно в 6 раз, а нри пропускании сухой смеси азота с водородом активность в течение часа восстанавливается до исходной величииы. [c.300]

Самченко Н. П., Стрельцов О. А., Русов М. Т. Влияние условий восстановления на распределение компонентов в поверхностном слое железного катализатора синтеза аммиака.— Кинетика и катализ , 1963, т. 4, № 6, с. 930—932. [c.102]

Некоторые другие теории адсорбции также применялись для изучения кинетики реакций. Брунауэр, Эмметт и Теллер расширили теорию Лэнгмюра, и их уравнение, часто обозначаемое как уравнение БЭТ, нашло широкое применение для измерения поверхности твердых частиц (см. пример УИ-1). Хорошо известное уравнение изотермы Фрейндлиха приводит к очень простым и часто используемым уравнениям скорости (см. стр. 224). Весьма полезное уравнение, описывающее кинетику синтеза аммиака, предложено Темкиным и Пыжовым . Эти исследователи применили уравнение адсорбции, отличающееся от уравнения Лэнгмюра тем, что при его выводе учтена неоднородность поверхности, а также принято, что теплота адсорбции линейно уменьшается с увеличением степени насыщения поверхности. Уравнение Темкина и Пыжова приведено в задаче УП-9 (стр. 237). [c.208]

В промышленности широко используется проведение реакций в струе газа, проходящего через реактор, который может быть или пустым, играя роль только области, где поддерживается постоянная температура, или заполненным слоем зер-неного катализатора. Примерами реакций, осуществляемых в потоке в промышленных масштабах, могут служить реакции термического и каталитического крекинга нефтепродуктов, каталитического алкилирования, иолимеризации, гидро- и дегидрогенизации углеводородов, дегидратации и дегидрогенизации спиртов, гидратации олефинов, галоидирования, нитроваиия охислами азота, синтеза аммиака, получения серной кислоты контактным способом, синтеза моторного топлива н т. п. Поэтому и лабораторные опыты по изучению кинетики многих в.ажных широко применяемых в промышленности реакций проводятся также в потоке. Вследствие того, что реакции этого типа проводятся обычно при постоянном давлении и сопровождаются в большинстве случаев изменением объема участвующих в реакции веществ, уравнения кинетики этих процессов должны отличаться от уравнений, выведенных выше для условия ПОСТОЯННОГО) объема. Кроме того, и сам метод расчета кон-стаит скоростей реакций, протекающих в потоке, должен отличаться от методов расчета констант скоростей реакций,осуществляемых при постоянном объеме, так как очень трудно определить время пребывания реагирующих веществ в зоне реакции (так называемое время контакта). [c.48]

Если вернуться к реакции синтеза аммиака, выражаемой уравнением (1.1), следует напомнить об ее обратимости и зависимости равновесных концентраций реагентов от условий, т. е. в первую очередь от температуры (Г) и общего давления (Р). В табл. 1 приведены равновесные концентрации аммиака (в мольных процентах) для двух температур и трех давлений, полученные Ф. Габером в начале текущего века. Они показывают, что равновесная концентрация аммиака увеличивается с давлением. При повышении давления от 1 до 600 атм это увеличение характеризуется отношениями ПО (400° С) и 360 (500° С). Таким образом, синтез аммиака следует проводить при возможно более высоком давлении. Как известно, это требование соблюдается в методах синтеза, применяющихся в промышленности, где давления достигают 1000 атм. С другой стороны, повышение температуры уменьшает равновесную концентрацию (выход) аммиака. Следовательно, его синтез надлежало бы проводить при возможно более низкой температуре, у вторую рекомендацию, вытекающую из изучения тепловых явлений и термических свойств, не удается использовать в полной мере. Дело в том, что приведенные в таблице данные характеризуют равновесное, т. е. конечное, состояние реагирующей системы и ничего не говорят, за какое время это состояние может быть достигнуто. Фактор времени учитывается в другом разделе физической химии — химической кинетике. Она подсказывает, что скорость химической реакции очень быстро уменьшается с понижением температуры. Поэтому может оказаться, что при какой-то температуре хороший выход может быть достигнут за слишком продолжительное время, скажем за миллиард лет. С другой стороны, согласно данным кинетики скорость реакцин можно увеличить применением катализаторов. В итоге комплексного физико-химическоге изучения, реакцию синтеза аммиака проводят при температуре 450— —500° С на катализаторах, состоящих из металлического железа, содержащего некоторые активаторы (промоторы). [c.6]

Экспериментальные данные об адсорбции газов и наров нри высоких давлениях весьма скудны и большей частью не отличаются точностью. Менаду тем, проблема эта заслуживает серьезного внимания, так как имеет непосредственное отношение к осуществлению газовых реакций под давлением в ирисутст-вии твердых катализаторов, В настоящее время, в результате работы советских исследователей, теория адсорбционного равновесия иод давлением получила значительное развитие она нашла и свое практическое применение нри изучении вопросов, связанных с кинетикой синтеза аммиака. Ниже будут изложены основные теоретические положения адсорбционного равновесия при высоких давлениях. [c.74]

Теория синтеза аммиака в присутствии катализаторов получила плодотворное развитие в результате работы ]И. И. Темкина п В. ]И. Пыжева [193]. Авторы показали, что при синтезе аммиака на железном катализаторе, иромотированном окисью алюминия и окисью калия, скорость суммарного процесса определяется кинетикой активированной адсорбции азота на поверхности, свободной от адсорбированного азота. Количество азота на поверхности определяется равновесием с водородом и аммиаком в газовой фазе, так как гидрирование адсорбированного азота в аммиак протекает быстро. Скорость разложения аммиака определяется скоростью десорбции азота. [c.112]

Уравнение (11.34) было с успехом проверено на многочисленных опытных данных о кинетике синтеза аммиака при низких и при повышенных (до 100—180 атм) давлениях на различных катализаторах. Расчеты ироводились по выведенному Темки- [c.112]

В 1947 г. И. П. Сидоров и В. Д. Лившиц [194] провели исследование кинетики синтеза аммиака при 425—525° и давлении 300 атм (катализатор Ре — А12О3 — К2О). Результаты их опытов приведены в табл, 34. [c.113]

Представление о неоднородной поверхности было применено Темкпным и Пышевым [76] для объяснения кинетики синтеза аммиака на промотирован-ном железном катализаторе. Использовалось предположение, что количество азота на поверхности определяется равновесием с водородом и аммиаком в газовой фазе. При логарифмической изотерме (IV,2) это приводит к следующему выражению для покрытия азотом [c.97]

Исследования Тамару [66] показали, что присутствие водорода существенно ускоряет адсорбцию азота, и поэтому последняя не может быть единственной лимитирующей стадией синтеза аммиака. Согласно Тэйлору, Озаки и Будару [54], кинетика синтеза аммиака лучше всего описывается в предположении, что значительная часть поверхности катализатора покрыта иминны-ми радикалами. В пользу этого предположения свидетельствует величина изотопного эффекта при использовании дейтерия. [c.136]

Приведенная на рис. XV-15 схема, по-видимому, имеет общее значение и прн каталитическом получении спиртов [96], особенно метанола. В этом случае в качестве эффективного катализатора используется окись цинка, нромотированная добавками других окислов, более тугоплавких и трудновосстапавливаемых, например окислов хрома, железа п магния. Кинетика каталитического образовапия спиртов, исследованная Наттом и др, [96], имеет столь же сложный характер, как и рассмотренная выше кинетика синтеза аммиака. [c.538]

На разных уровнях исторического развития химии предлагались разные определения катализа. Указанное выше определение учитывает новейшие данные. Это определение ведет к целому ряду следствий остановимся здесь на некоторых из них. Термодинамический расчет равновесий каталитических реакций является совершенно строгим. В этом состоит важное значение термодинамики для катализа. Однако и катализ со своей стороны очень важен для термодинамики, так как без катализа нельзя было бы осуществлять и изучать большинство газовых равновесий, необходимых для термодинамики например, нельзя было бы осуществить таких обычных реакций, как синтез аммиака из элементов или гидрирование олефинов в соответствующие парафины. Из определения вытекает также, что поскольку при катализе изменяется кинетика, то в общем случае изменяется как константа действия, так и энергия активации, причем последняя, в случае ускорения реакции, понижается вследствие появления новых элементарных стадий. Особенно же следует подчеркнуть входящую в определение избирательность катализа. Так, мы теперь знаем, что, например, этиловый спирг над разными катализаторами может давйть очень различные свещества [c.6]

П. Механизм активации водорода, азота и кислорода на поверхности металлических катализаторов. Превращение о = Н2 р = Н2 реакции с тяжелым водородом. Механизм активации непредельных соединений при гидрировании. Каталитическая активность металлов. Работы Г. К. Ворескова. Полугидрированные формы. Работы Бяки, Элея. Кинетика и механизм каталитического гидрирования в жидкой фазе. Активная форма водорода при гидрировании. Значение параметров решетки катализаторов и ориентации кристаллов. Механизм синтеза аммиака на железных катализаторах. Преобладание энергетических факторов для реакции синтеза аммиака. Работы М. И. Темкина, [c.218]

Н. И. Кобозевым [3] и голландскими исследователями [4]. Взаимосвязь между кинетикой процессов и проблемой катализатора наибольше активности для некоторых случаев была показана М. И. Темкиным [5]. Ранее, в работе Темкина и автора [6] был поставлен вопрос о максимальной в данных ус-ловиях скорости реакции применительно к частному случаю реакции синтеза аммиака. [c.107]

До Великой Октябрьской социалистической революции Россия не имела азотной промышленности. В настоящее время СССР имеет мощную азотную промышленность, основанную на каталитическом синтезе аммиака из азота и водорода с последующим окислением его в азотную кислоту. Работы в этой области проводились в ряде исследовательских учреждений Советского Союза. Основную стадию процесса — синтез аммиака — изучали Н. И. Кобозев, М. Я. Каган, В. А. Ройтер, Н. И. Морозов и другие исследователи. В этих работах детализованЁ схема реакции синтеза, идущей на активных участках катализатора с образованием поверхностных нитродов. Весьма подробно изучены наиболее важные железные катализаторы, промотированные окисью алюминия и калия. Н. И. Кобозев с сотрудниками выяснил роль окиси алюминия в реакции и показал, что в процессе реакции происходит торможение вследствие накопления окиси алюминия в поверхностном слое катализатора. Отдельно изучена роль окиси калия. П. В. Усачевым, С. С. Лачиновым и др. детально изучены условия, позволяющие получать высокоактивные катализаторы. В работах Г. И. Чуфарова изучена кинетика восстановления различных окислов железа, причем оказалось, что реакция идет в несколько стадий и является автокаталитическим процессом. [c.13]