合成氨论文范文三。
题目：合成氨催化技术与工艺发展探究
摘要：合成氨是支持农业生产的重要技术, 我国作为农业大国, 每年合成氨生产量和使用量都十分巨大, 如何提升合成氨工艺技术水平, 降低能耗, 关系到我国的农业稳定生产。本文从合成氨催化技术催化剂研究和新技术两方面, 论述了目前合成氨催化技术的发展。
关键词：合成氨; 催化; KAAP;
在解决人口增长与粮食短缺矛盾的过程中, 合成氨催化技术在其中发挥了重要的作用。我国作为粮食生产和消费大国, 每年合成氨生产能力居全球第一位。巨大的需求量和经济利益始终是推动合成氨技术进步的主要因素, 提升转化率与降低能耗是该项技术进步的核心。
1 合成氨催化技术与工艺分析
1.1 合成氨催化剂分析
现阶段我国合成氨工业催化剂在高温条件下的催化效率已经接近平衡氨浓度, 但是合成氨的单程转化率并不高, 大部分原料气体需要往复循环, 这在一定程度上增加了能量的消耗。如何降低反应温度, 即提升合成氨催化剂低温下的活性, 是提高合成氨平衡转化率的关键。目前世界范围内主要有以下几条技术路线:
(1) 四氧化三铁传统熔铁催化剂。根据经典的火山型火星曲线而来的铁催化剂经过数十年的发展, 在借助催化剂提升活性方面已经十分困难。部分研究人员提出的逸度和普遍化Temkin方程是近年来该类催化剂研究的热点。
(2) 钌基催化剂研究。采用浸渍法将稀有贵金属钌以极高的分散度负载到载体上, 进一步得到钌基催化剂, 和铁催化剂一样, 合成氨反应速率控制的关键是氮气在钌基催化剂上的解离以吸附平衡, 该种催化剂在KAAP工艺中有较好的应用。
(3) Fe O基催化剂。Fe O基催化剂是我国研究人员提出的一种以维氏体为前驱体的一种高效催化剂, 该种催化剂突破了经典理论的限制, 将合成氨催化剂的发展带到了一个新的阶段。Fe O基催化剂在低温低压环境下也能够表现出较高的活性, 具备较高的还原性。另有部分研究人员通过对比Fe O基催化剂催化剂和以磁铁矿为原料的催化剂, 发现Fe O基催化剂不仅能够在低温环境下发挥作用, 同时能耗也能够降低, 耐热性和机械强度测试结果也较高。但是Fe O基催化剂也存在较为致命的缺点, 就是制造工艺较为复杂, 生产成本远高于传统的合成氨催化剂。
1.2 KAAP工艺分析
该工艺进行合成氨的最主要优势在于实现了单系列的大型化, 其中最为核心的部件是KAAP合成塔, 装置中首次采用了热壁塔, 并将内部换热器和4床催化剂集成在一个筒体中, 在催化剂的选择上, 第一床使用铁催化剂, 后三床使用钌催化剂, 在较低的压力环境下, 合成塔出口位置的氨体积分数能够达到21.7%。由于使用了新型的钌催化剂, 该技术的生产成本能够降低4~5美元/吨, 能够在高氨浓度和较宽氢气/氮气比环境下完成催化。
1.3 合成氨催化新技术
(1) 超临界合成氨技术。在合成氨反应中, 随反应温度升高, 反应速度加快, 而平衡氨浓度降低。现有工业合成氨催化剂在高温 (475℃以上) 下的反应速度已经使该反应达到或接近平衡氨浓度, 要进一步提高单程转化率已经不可能, 即受到化学平衡的限制。为此, 一种途径是继续提高催化剂的低温活性, 降低反应温度, 使催化剂能在较低温度下仍保持有较高的活性。但是, 对现存的各种型号氨催化剂的研究, 比任何其他催化剂的研究要仔细得多, 任何想从改变催化剂获取可能的效益的设想将是十分困难的。另一种途径是使反应不受到化学平衡的限制, 即所谓的非平衡限制氮加氢技术。超临界流体兼有气体和液体的性质, 具有与液体接近的密度和与气体接近的粘度和扩散特性, 有较好的萃取能力与传递性能。利用这些特性可以提高化学反应的转化率或选择性。从而加快正向反应速度。在宏观上看来打破传统合成氨反应平衡, 使受平衡制约的可逆反应变成不可逆反应。这样将大大增加合成氨的单程转化率, 最终达到降低能耗的目的。
(2) 等压合成氨技术。大型合成氨流程如果使用煤作为原料, 主要的工艺可以分为以下几种:等压合成氨技术 (8.5MPa制气/7.4MPa合成氨) , 微加压合成氨 (8.5MPa制气/9.0-10.0MPa合成氨) , 升压合成氨技术 (5.0MPa制气/15-20MPa合成氨) 。等压合成氨技术由于压力控制得当, 避免了合成气压缩机能耗, 是一种高效的转化工艺。该技术的关键是低温低压合成氨催化剂的使用, 国内外研究人员先后提出了多种基于不同原理的低温低压合成氨催化剂。根据测试结果分析, 在低压环境下想达到经济生产的目的, 需要保持氨净值≥8.4% (体积分数) , 但是采用等压合成氨技术, 可以在氨净值10%环境下达到经济生产的目的。部分研究人员通过实验, 表明大型合成氨工厂采用等压合成工艺, 在使用渣油、粉煤或者水煤气制气, 能够节省4000k W能量, 相当于每生产一吨氨, 能够节省1.30GJ;在小型工厂实验, 每生产一吨氨, 能够节省1.36GJ。
2 结语
通过上文的探讨能够看出, 影响合成氨催化工艺的主要因素是催化剂的研制和生产条件的控制, 未来该领域的研究应该重点在研发新型高活性的催化器, 并以此来带动生产工艺的革新。
参考文献
[1]诸葛绍渊.常压介质阻挡放电等离子体协同催化合成氨应用基础研究[D].浙江工业大学, 2015.
[2]王金艳.甲烷、氮气常压直接合成氨催化剂的制备及其性能研究[D].西北大学, 2014.
[3]刘化章.合成氨工业:过去、现在和未来——合成氨工业创立100周年回顾、启迪和挑战[J].化工进展, 2013, 32 (09) :1995-2005.
