Tiểu luận môn động học xúc tác xúc tác tổng hợp amoniac

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Viện kỹ thuật hóa học

Xúc tác tổng hợp Amoniac
Giảng viên: Phạm Thanh Huyền
Sinh viên thực hiện:Vũ Thị Nhung
20115988
Lê Tam Hân
20115918
Nguyễn Văn Dương 20115894
Hoàng Văn Hà
20115907


Xúc tác tổng hợp Amoniac
1

• Thành phần xúc tác

2

• Các đặc trưng

3

• Các nguyên nhân gây mất hoạt tính xúc tác

4
5

• Phương pháp điều chế xúc tác

• Các phương pháp thu hồi,tái sinh xúc tác


•

-Phản ứng tổng hợp:

•

3H2 + N2  2NH3 + Q

-Quá trình tỏa nhiệt ,thuận lợi ở áp suất
cao,phản ứng ở nhiệt độ khoảng 350°C
-Các nguyên tử có đặc điểm là ở lớp vỏ điện
tử thứ hai tính từ ngoài vào mà không bão
hòa thì đều có thể làm xúc tác cho quá trình
tổng hợp. Thí dụ: Os, U, Fe, Mo, Mn, W,...
Xúc tác của Topsoe: KM1/KM1R (Top
soe) Fe/K2O/Al2O3


Cơ chế phản ứng
• Các chất phản ứng bám
vào bề mặt xúc tác và
phân tách ra
H2

N2

H2

NN

HH

HH

HH

H2

• Các nguyên tử N và H
bám trên xúc tác kết
hợp với nhau tạo thành
NH
N
H

H

NH

H

H

H


Cơ chế phản ứng

• NH bám trên xúc tác kết
hợp với H tạo thành
NH2

• NH2 bám trên xúc tác
kết hợp với H tạo thành
NH3
NH3

NH
H

H

NH
H
H

HNH
H

NH3

HNH
H


1.Thành phần xúc tác
 Kích thước hạt không
đồng đều

 Hoạt tính xúc tác cao
 Khả năng chống độc tốt
 Tính ổn định xúc tác cao
 Tâm hoạt tính : Fe
 Chất trợ xúc tác :K2O
 Chất mang:Al2O3 , CaO, MgO, SiO2


Xúc tác tổng hợp Ammonia
Topsoe


Thành phần xúc tác
Fe

K

Al

Ca

O

thành phần
khối lượng

40.5

0.35

2.0

1.7

53.2

Thành phần
bề mặt
trước khi bị
giảm

8.6

36.1

10.7

4.7

40.0

Thành phần
bề mặt sau
khi bị giảm

11.0

27.0

17.0

4.0

41.0

Thành phần theo thể tích của một chất xúc tác ammonia công nghiệp so với
các thành phần bề mặt trước và sau khi khử (kích thước xấp xỉ 10 'cm' bề
mặt điển hình).


Xúc tác Fe/Al2O3/K2O

Fe

Pha hoạt tính
Dãn liên kết N-N và H-H để tổng hợp NH3

3H2 + N2  2NH3
Phản ứng ở nhiệt độ khoảng 350°C

Al2O3

K2O

Chất mang
Bù oxy cho bề mặt của sắt.vì trong quá trình phản
ứng hoạt tính xúc tác bị giảm. Sự bù oxy này làm
tăng năng lượng bề mặt và diện tích bề mặt.

Chất trợ xúc tác

Làm giảm diện tích bề mặt nhưng lại là nguồn
cung cấp e, làm tăng mật độ điện tử và làm tăng
các khu vực hoạt động trên bề mặt


Thành phần xúc tác
• Fe là xúc tác chủ yếu có chức năng chuyển hóa N2 và H2
thành NH3 ở nhiệt độ 450-500 °C và áp suất 200 atm. và tỷ lệ
N2/H2 là 1/3.


Chất trợ xúc tác K2O
Tăng năng lượng phân ly
Giảm năng lượng liên kết N2
Tăng tốc độ phản ứng


Chất trợ xúc tác K2O
 Tạo môi trường tĩnh điện
 Làm tăng mật độ điện tử và làm tăng các khu vực
hoạt động trên bề mặt


Chất mang
•

•
•
•
•

•
•
•

Chất mang mang:Al2O3,CaO, MgO, SiO2 là bù oxy cho bề
mặt của sắt.vì trong quá trình phản ứng hoạt tính xúc tác bị
giảm. Sự bù oxy này làm tăng năng lượng bề mặt và diện tích
bề mặt.Ưu điểm của Al2O3
+ Bề mặt riêng lớn (160-300 m2/g),
+ Có cấu trúc xốp
+ Tính ổn định cao
+ Tính axit
+ Giá tương đối rẻ
+ Tăng độ bền cơ học và bền nhiệt
+ Giảm thiêu kết cho xúc tác


Quá trình nạp xúc tác


Khử xúc tác


Khử xúc tác
• Xúc tác được cung cấp dưới dạng Fe3O4 phải
được khử thành Fe để trở nên hoạt hóa
Fe3O4 + 4H2 <=> 3Fe + 4H2O
• Xúc tác được khử bằng khí tổng hợp với thành
phần bình thường ở áp suất thấp
• Nhiệt độ khử xúc tác KM1R sẽ bắt đầu khử ở

khoảng 225oC (435°F) và xúc tác KM1 bắt đầu
khử ở 390-400°C (735-750°F).


Khử xúc tác
• Khe xúc tác được mở
rộng trong quá trình khử
• Quá trình khử chậm sẽ
tạo ra khe xúc tác có
cấu trúc tốt
• Tỷ lệ khử được kiểm
soát bởi tốc độ tăng
nhiệt

H2O
H2


Khử xúc tác


Tối ưu hóa S-200
• Thay đổi nhiệt độ đầu vào lớp
Xúc tác thứ I tăng hoặc giảm
cho đến khi tìm được áp suất
vòng tổng hợp nhỏ nhất
• Thay đổi nhiệt độ đầu vào lớp
Xúc tác thứ II tăng hoặc giảm
cho đến khi tìm được áp suất
vòng tổng hợp nhỏ nhất

• Tiếp tục quy trình theo nguyên
tắc trên đối với cả 2 lớp xúc tác
cho đến khi tìm được điểm tối
ưu
Figure 7.10. Topsoe S-200 ammonia
converter. Courtesy of British Sulphur
Corporation.


Tối ưu hóa


2.Đặc trưng xúc tác

Thành phần pha một số xúc tác (XRD)


2.Đặc trưng xúc tác

Figure 2.20. Low-resolution SEM image (15
kV) of a sample of activated catalyst 1. The
particles are ca. 1 mm in diameter

Figure 2.22. The effect of internal strain released upon reoxidation of an activated sample
of catalyst 1 (SEM, 10 kV). The system of cracks demonstrates how the macroscopically
isotropic material is built from thin platelet-like subunits.


Đặc trưng xúc tác

Đặc trưng xúc tác


3.Nguyên nhân mất hoạt tính xúc
tác

1.Kết khối(thiêu kết chậm)
2.Ngộ độc tạm thời
3.Ngộ độc vĩnh viễn