最后更新: 2025-10-28 17:16 查看: 9 次反馈能力测评会员8.2元/月赞助

氨

研究化学反应速率和化学平衡，除了能加深对化学反立的认识外，其目的还在于在化工生产、日常生活和科学开究中调控化学反应，使一些需要发生的反应进行得更快、更彻底，同时抑制一些不利的副反应，提高产品的产量和质量，实现综合效益和化工技术的绿色化。下面我们以工业合成氨的生产条件为例来加以讨论。

## 合成氨适宜生产条件的选择

20 世纪初，随着农业发展和军工生产的需要，科学家们先后开发、研究并实现了氨的工业生产，并从氰化法演变到合成氨法。几十年来，合成原料的质量不断优化，余热逐渐被利用，以及装置的现代化推动了化学工业的发展，也带动了燃料化工中新的能源和资源的开发。

合成氨反应是自发反应，理论上常温下反应进行的限度大，转化率高。但由于氮气在无催化剂时，反应的活化能很高，反应速率缓慢，反应几乎不发生。如何提高合成氨的化学反应速率和平衡混合物中氨的含量是当时工业合成氨十分突出的问题。

尽管用氮气和氢气反应直接合成氨是一条理想的人工固氮途径，但要在化工生产中实现这一想法却经历了一个漫长的发展过程，关键在于如何确立化工生产中适宜的生产条件

根据有关化学平衡的知识，可以得出：在温度一定时，增大压强有利于提高平衡混合物中氨的含量；在压强一定时，降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。根据有关化学反应速率的知识，可以得出：升高温度、增大压强及使用催化剂等都可以使合成氨的化学反应速率增大。由此可见，合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件既有一致性的一面，也有相互矛盾的一面。

下面我们综合以上讨论和合成氨工业生产的实际情况，具体研究合成氨适宜生产条件的选择问题。科学家们通过大量的研究，找到了合适的催化剂，降低了反应的活化能，使合成氨反应拥有较快的反应速率。合成氨工业要求催化剂具有活性强、机械强度高、不易中毒、容易制备、价格低廉等特点。根据上述要求，目前公认的最适当的催化剂是以铁为主体的多成分催化剂。

![图片](/uploads/2025-10/6513c8.jpg)

如图 2.7 所示，温度升高，虽然能增大合成氨的反应速率，但会降低平衡混合物中氨的含量。温度过低，化学反应速率较小，需要很长时间才能达到平衡状态。在选择某反应的温度时，还应考虑催化剂的活性温度，以便最大限度地发挥催化剂的作用。所以，为了工业合成氨有较快的反应速率，必须在铁催化剂活性较高的温度下进行，为此合成氨反应一般选择在 $500^{\circ} \mathrm{C}$ 左右的温度下进行。催化反应主要发生在催化剂的表面，因此，要提高催化效率、降低成本，增大催化剂的比表面积 ${ }^{(1)}$ 十分重要。

> 铁催化剂的组成一般为： $\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3 54 \% \sim 68 \% 、 \mathrm{FeO} 29 \% \sim 36 \% 、 \mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3 2 \% \sim 4 \% 、 \mathrm{K}_2 \mathrm{O} 0.5 \% \sim 0.8 \% 、 \mathrm{CaO} 0.7 \% \sim 2.5 \%$ ，此外还含有 $\mathrm{SiO}_2 、 \mathrm{MnO}_2$ 等。催化剂的催化能力叫催化活性。催化剂都具有一定的温度适用范围，铁催化剂在 $400 \sim 500^{\circ} \mathrm{C}$ 时的活性较高。

从理论上讲，合成氨时的压强越大越好。例如，有研究表明，在 $400^{\circ} \mathrm{C}$ 、压强超过 200 MPa 时，不必使用催化剂，合成氨反应就能顺利进行。但在实际生产中，压强越大，需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，这将会

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