Аммиакни хусусиятлари ва ишлаб чиқариш асослари аммиакни физик кимёвий хусусиятлари

АММИАК СИНТЕЗИ ЖАРАЁНИДА КАТАЛИЗАТОРНИ ҚЎЛЛАШ МЕХАНИЗМИ

450°С ва 10 МПа да мувозанатдаги газ аралашмасида 16% гача аммиак ажратиши мумкин, 30 МПа босимда эса чиқиш 96% ни ташкил этади. Босимга боғлиқлик графигидан кўриниб турибдики (10.3-расм) босим аммиак чиқишига унча катта таъсир этмайди, шунинг учун жуда юқори босим қўллаш ҳам иқтисодий жиҳатдан жоиз эмас.
Ҳарорат пасайиши билан аммиак чиқиши ортади, лекин катализ жараёни тезлиги, демак цехнинг умумий унумдорлиги ҳам пасаяди. Юқори ҳароратларда ҳам азот молекуласининг энергетик барьери юқори ва аммиак ҳосилажратиши жуда кичик.
Шунинг учун, синтез жараёнининг фаолланиш энергиясини камайтириш учун жараён 400-500°С да қаттиқ катализаторлар иштирокида олиб борилади.
Синтез реакциясига d ва f – ячейкалари тўлмаган Mn, Fe, Rh, W, Re, Оs, Рt, U элементлари каталитик жиҳатдан фаол таъсир этади. Лекин, осмий, рений ва уран қиммат ва хавфли.
Шунинг учун, саноатда ГИАП томонидан ишлаб чиқилган Al₂О₃, K₂О, CaО, SiО₂ билан промоторланган темир катализатор қўлланилади.
Ушбу катализаторни олтингугурт бирикмалари тиклаб бўлмайдиган ҳолда заҳарлайди, кислород ва унинг бирикмалари, айниқса СО билан заҳарланганда уни тиклаш мумкин.
Аммиак синтезига катализатор таъсир механизмини қуйидагича тасаввур қилиш мумкин:
-газ аралашмаси ҳажмидаги азот ва водородни катализатор ғовакларига диффузияси;
-катализатор юзасига фаоллашган азотнинг адсорбцияси;
-адсорбцион азот ва водороднинг адсорбланиши ва натижада катализатор иштирокида уларнинг ўзаро кимёвий бирикмалар ҳосил қилиши.
Катализнинг электрон назариясига асосан, азот ўз электронларини катализаторга беради, азот эса уларни қабул қилади.
Кўплаб тадқиқотлар кўрсатишича, катализнинг лимитловчи босқичи бўлиб, азотнинг фаоллашган адсорбцияси ҳисобланади ва қуйидаги тенглама билан ифодаланади:

dpNH ^

 _P² 
_{ P}3
_1 _

_{U } 3
 ^K P ^{
H2 }  K ^



NH_{3  }

^d 
1 N _{2  P2 }
²  _P³  _

_  ^NH3   ^H2  _

Бу ерда: К₁ ва К₂ – тўғри ва тескари реакцияларнинг тезлик константалари;

Р_i– газларнинг мос парциал босимлари;
 - адсорбирланган азотни катализатор сиртида қопланиш даражасига боғлиқ ҳолда 0 дан 1 гача ўзгарувчи коэффициент,
 - К₁ ва К₂ реакция константаларига босимнинг таъсирини кўрсатувчи коэффициент.
 нинг чегаравий қийматлари кўрсатадики, катализ тезлиги азот абсорбция тезлиги билан аниқланади.

Хақиқатан ҳам азот адсорбцияланган ҳолда, яъни =0 ҳолида

P
_P2

U₁ 
K₁P_{N 2}

• 
  K₂
  

NH₃ 3 NH₃


U₂ 
тескари реакция - аммиакнинг диссоциацияси содир бўлади. Катализатор юзаси азот билан тўлиқ қопланганда, яъни =1 ҳолида
K₁P_{N 2}2

P
H₂

P
2
NH₃K₂

тўғри реакция тўлиқ боради. Ишлаб чиқариш шароитларида 0,5 Тўғри ва тескари реакцияларнинг тезлик константаларини
ҳароратга боғлиқлиги Аррениус тенгламаси билан аниқланади:


E
K  K₀e ^RT
Бу ерда е – натурал логарифм асослари;
Е – фаолланиш энергияси, Дж/моль R – газ доимийси, 8,3 Дж/(мольК)
Бу тенгламага кирувчи, тўғри реакциянинг фаолланиш реакцияси– 176 кДж/мольга тенг.
Одатда катализатор фаоллиги К₁ га пропорционал тезлик константаси К билан характерланади. Юқори Р ларда реакциянинг тезлик константаси К умумий босимнинг функцияси ҳамҳисобланади:
Жадвал 10.3.

^Р1^МПа	0,1	10	20	30	50
^К/Кр	1,00	0,92	0,80	0,75	0,65

Тезлик константаси К ва газ фазадаги аммиак миқдори ўзаро қуйидагича боғланган.

_N 4 _N
^{0 } (1  N
(1  N
)²L² (1  N
)dN
₎4
 N ² 

K  p^0,5v
N
NH₃
NH₃
NH₃
NH₃
NH₃
NH₃
Бу ерда: N_NH3 – аммиакнинг моль улуши;
V₀ – аммиакнинг миқдори нул бўлгандаги газнинг ҳажмий
тезлиги.

Ҳажмий тезлик киришдаги V₀¹ ва чиқишдаги V₀¹¹ ҳажмий тезлик билан қуйидаги нисбатда боғланган

V₀=V₀¹(1-N¹_NH3)=V₀¹¹(1-N¹¹_NH3)
N¹_NH3 ва N¹¹_NH3 – аппаратга киришда ва чиқишдаги аммиакнинг моляр улушлари.

N
*
_{L } NH₃

NH
(1 N ^* )²
3

NH3
N^* газ фазадаги аммиакнинг мувозанат моляр улуши.
Демак, реакция тезлиги, шунингдек, синтез цехи унумдорлиги системадаги ҳажмийтезликка, жараённинг ҳарорати ва Р га боғлиқ.

3.