氨氧化制硝酸催化劑
三水錳礦 / 2021-08-06
氨氧化制硝酸催化劑
一、氨氧化制硝酸催化劑
硝酸是氮肥、染料、火藥和化學(xué)纖維等工業(yè)的重要原料。特別是隨著固體肥的迅速發(fā)展，要求生產(chǎn)更多的硝酸。
早在十七世紀(jì)初期，硝酸是用濃硫酸分解硝石而得。隨著硝酸需要量的日益增加，硝石來源有限，人們不得不尋求其他的制造方法。
到本世紀(jì)初，工業(yè)上實現(xiàn)了在電弧的高溫作用下，使氮與氧直接化合為一氧化氮，再進一步加工生產(chǎn)硝酸。由于此法消耗能量太大，自1913年氨直接合成，以及氨催化氧化制硝酸實現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)后，電弧法便淘汰了。
氨催化氧化法生產(chǎn)硝酸的實質(zhì)，是氨在鉑一銠催化劑的存在下用空氣氧化為一氧化氮，一氧化氮進一步氧化，并用水吸收即得硝酸。
硝酸與氨進行中和反應(yīng)，即得硝酸銨氮肥。
二、氨催化氧化的化學(xué)反應(yīng)
氨在具有選擇性的催化劑上氧化的主反應(yīng)為:
4NH3+5O2→4NO+6H2O+216.55千卡(25℃，1大氣壓)
除主反應(yīng)外，在某些條件下還可能發(fā)生副反應(yīng)和NO的連續(xù)反應(yīng)：
副反應(yīng)為：
4NH3+302→2N2+6H2O+302.96千卡(25℃，1大氣壓)
2NH3→N2+3H2-21.92千卡(25℃，1大氣壓)
4NH3+4O2→2N2O+6HO+263.86千卡(25℃，1大氣壓)
其中第一個反應(yīng)為完全氧化，進行氨的燃燒。第二個反應(yīng)為氨的分解反應(yīng)，這可能是由于反應(yīng)爐材質(zhì)選擇不當(dāng)而引起的分解。第三反應(yīng)是在特殊的條件下，例如在某些特別組成的氧化物混合物上低溫低空速度時，可能發(fā)生的反應(yīng)。連續(xù)反應(yīng)為：
2NO→N2+O2+43.2千卡(25℃，1大氣壓)
6NO+4NH3→5N+6HO+432.56千卡(25℃，1大氣壓)
其中第一個反應(yīng)可能在高溫下出現(xiàn)。第二個反應(yīng)可能是在原料氣的流速過大時，有一部分氨自由通過催化劑層或生成的氣體在原料氣中逆向擴散時發(fā)生的。所有上述副反應(yīng)和連續(xù)反應(yīng)都能使NO得率下降。
氨氧化生成NO為強放熱反應(yīng)。平衡常數(shù)隨溫度升高而減小。平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系繪于圖6-10。
低溫雖然有利于提高氨的平衡轉(zhuǎn)化率，但氨在低溫下氧化速度太慢，所以在鉑一銠催化劑上一般采用800～1000℃由于氧化反應(yīng)伴隨著系統(tǒng)體積的增加，因此加壓對提高氨的平衡轉(zhuǎn)化率。
由下列的簡單計算可以求得總壓力與平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式。氨氧化反應(yīng)各組份的克分子和克分子分?jǐn)?shù)列于表6-15。以P表示總壓力，則
PNH3=4(1-x)P/(9+x),po2=5(1-x)P/(9+x)
pNo=4xP/(9+x),pH2O=6xP/(9+x),則
Kp=(14.929)(x)^10P/(1-x)^6(9+x)
所以 log Kp=log14.929+10logx+logP-log(9 +x)-9log(1-x)平衡常數(shù)Kp僅決定于溫度。在一定溫度下上式左邊為一常數(shù)。因此可以算出在任何壓力下的平衡轉(zhuǎn)化率。由此算出的壓力與平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系繪于圖6-11.
由此可以看出，加壓對提高平衡轉(zhuǎn)化率不利。但當(dāng)0壓力變化不大時，影響并不顯著。當(dāng)氨的價格較低時，例如在美國，采用加壓法有利。目前工業(yè)上采用的有高m壓法、中壓法和常壓法。三種方法的工藝條件分別為高壓法|:7～10大氣壓，900圖6-11氨氧化制酸的平轉(zhuǎn)化率950℃中壓法:3～5大(與壓力的關(guān)氣壓，850～880℃常壓法，800℃。上述三種工藝，都是先將含有95～10.5％NH，的空氣預(yù)熱，然后使其通過若干層PtRh網(wǎng)疊成的化劑床層，進行氨的氧化反應(yīng)。反應(yīng)速度極快，停留時的為10^-3～10^4秒。
當(dāng)空氣中含12，4％NH時能形成爆混合物，所以應(yīng)嚴(yán)控制的濃度。因此一般濃度為9.5~10.5％。
.jpg "平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系")
.jpg "氨氧化反應(yīng)各組份的克分子和克分子分?jǐn)?shù)")
.jpg "壓力與平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系")
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