Промышленный катализатор должен быть активным при относи­тельно низких температурах в связи с рассмотренной выше зависимостью состояния равновесия реакции от температуры. Активность катализатора должна поддерживаться на постоянном и достаточно высоком уровне в течение длительного времени. Присутствие в газе некоторых ядов, полное удаление которых является сложным и дорогим процессом, не должно оказывать существенного влияния на активность катализатора. Наконец, катализатор должен быть дешев. Этим требованиям не удовлетворяют, например, осмий, платина, уран, железо; первые два металла — актив­ные и устойчивые катализаторы, но дороги; уран — активный катализа­тор, но легко отравляется водяными парами; восстановленное металли­ческое железо — активный и дешевый, но неустойчивый катализатор.

В поисках катализатора, наиболее отвечающего промышленным требованиям, были испытаны тысячи разнообразных материалов — почти все металлы, как сами по себе, так и в сочетании по два и по три в разнообразных пропорциях. Еще ранее было замечено, что катализа­торы, состоящие из нескольких веществ, часто более активны, чем отдель­ные составляющие их вещества. Опыт показал, что эта закономерность проявляется и при синтезе аммиака на железных катализаторах: катали­заторы для синтеза аммиака, полученные восстановлением железа из. руд различных месторождений, при почти одинаковом химическом со­ставе отличаются по активности иногда в три-четыре раза. Эти наблюдения легли в основу дальнейших поисков. Оказалось, что катализатором, удо­влетворяющим перечисленным выше требованиям, является металличе­ское железо с добавкой незначительных количеств окислов алюминия и калия. Такой катализатор более активен, чем чистое железо, и сохра­няет свою активность в течение многих месяцев в условиях работы на промышленном газе.

Для каждого катализатора характерен определенный оптимальный температурный режим. Катализаторы, приготовленные из железа или железной руды, дают возможность вести процесс при температурах: не ниже 450° и не выше 600°. Значительно отличаются от них в этом отношении железные активированные катализаторы, полученные разложе­нием комплексных цианистых солей, например железистосинеродистого калий-алюминия. Эти катализаторы активны уже при 400° и ниже.

Повышение активности катализатора — эффективный способ уве­личения производительности аппарата. Благодаря усовершенствованию' методов получения катализаторов удалось значительно повысить произ­водительность колонн синтеза.

При очень высоких давлениях равновесие настолько значительно смещается в сторону образования аммиака, что представляется возмож­ным повысить температуру до 800—900°, при которой (под давлением 500 ат) реакция протекает в отсутствие специально вводимых в аппарат катализаторов. При этих усло­виях, повидимому, достаточно каталитического действия сте­нок реакционного аппарата, — в лабораторном аппарате в от­сутствие катализаторов реак­ция протекала с большой ско­ростью и была достигнута высокая степень превращения исходной смеси.

Стадии реакции синтеза аммиака.

Любая реакция между газообразными веще­ствами, протекающая на поверхности катализатора, может быть расчленена на пять последовательных стадий:

1) перенос газообразных реагирующих веществ к поверх­ности катализатора,

2) адсорбция

3) реакция на поверхности

4) десорбция про­дукта реакции с поверхности

5) перенос продукта реакции от поверхности в объем газовой фазы.

Адсорбция при гетерогенно-газовых каталитических реакциях характе­ризуется, в большинстве случаев, относительно высокой энергией активации и сопро­вождается выделением значительного количества тепла (от 10 до 100 ккал на 1 г-мол адсорбированного газа). Такая адсорбция называется активированной.

Скорость одной из перечисленных стадий может быть значительно меньше ско­ростей остальных стадий, и тогда эта стадия определяет скорость суммарного про­цесса. Какая из стадий будет медленной, зависит от свойств системы и значений внеш­них параметров. Иногда скорость каталитического процесса определяют стадии пере­носа газообразных веществ к поверхности и продуктов реакции от поверхности. Например, если газовая смесь проходит через слой катализатора с небольшой линейной скоростью, то перенос веществ к поверхности катализатора совершается медленно и может ограничивать скорость суммарного процесса — реакция характеризуется малым значением энергии активации и незначительным увеличением скорости реакции с повы­шением температуры. Значительно чаще скорость реакции ограничивается скоростью Адсорбции, десорбции или реакции на поверхности.

Стадии каталитического синтеза аммиака следующие. Азот и водо­род диффундируют из объема газовой фазы к поверхности катализатора, где протекает активированная адсорбция обоих газов. Далее адсорбированный азот вступает во взаимодействие с адсорбированным или газообразным водородом, причем последова­тельно образуются имид NH, амид NH2 и аммиак NH3. Последний десорбируется с по­верхности и поступает в объем газовой фазы.

Обширные работы в области изучения скорости синтеза и разложения аммиака дают большой материал для теоретической химии, несмотря на то, что значительная часть их посвящена изысканиям эффективных катализаторов для промышленного син­теза и определению оптимальных условий для их применения.

Измерения скорости синтеза аммиака на железном, молибденовом и вольфрамо­вом катализаторах и скорости разложения аммиака на железном и медном катализа­торах показали, что скорость синтеза на различных катализаторах подчиняется уравнению, указывающему на общность меха­низма реакции на разных катализаторах. Таким образом, кинетические измерения суммарных процессов подтверждают, что адсорбция азота и десорбция его являются ограничивающими стадиями синтеза и раз­ложения аммиака.

Исследова­ния скорости синтеза аммиака под повышенным давлением в изотермических условиях проводились с чистой азотоводородной смесью стехиометрического состава при давлении 300 ат, температурах 425—525°С интервалом в 25°С и при различных объемных скоростях с железным катализатором (активированным окисью алюминия и окись калия), полученным методом кислородной плавки.

При одной и той же температуре и при разных объ­емных скоростях значения констант скорости реакции близки между со­бой

Оптимальные условия синтеза аммиака

Содержание аммиака в газе падает с увеличением объемной ско­рости, т. е. с уменьшением времени контактирования.

С повышением давления увеличивается равновесный выход аммиака и возрастает скорость реакции. Скорость реакции растет так­же с уменьшением размеров зерен катализатора.

Зная зависимость степени превращения исходной смеси от объ­емной скорости, температуры, давления и размеров зерен катализатора, можно определить условия, необходимые для достижения высокой про­изводительности катализатора.

При данной объемной скорости производительность катализатора прямо пропорциональна содержанию аммиака, т. е. достигает максимума при оптимальном температурном режиме и увеличивается с повышением давления.