合成氨催化剂研究的新进展

2022-12-16

合成氨催化剂作为一种重要的工业原料, 有着十分广泛的应用范围。一直以来, 世界各国都在合成氨催化剂的研究开发方面进行着积极的探索。截至目前, 合成氨催化剂在高温状态下可达90%以上的催化率, 比较接近平衡氨的浓度比例。为了提高催化剂的活性, 只有不断降低反应温度这一条途径;同时, 由于工业合成氨的单程转化率只能达到15%~25%左右, 而在气体循环过程中会增加动力消耗, 此时也必须通过降温来提高单程转化率。从中可以看出, 针对合成氨催化剂的总体研究方向就是低温高活性的催化剂开发。

1 铁基催化剂的研究

1.1 铁一钻型催化剂

(1) A201铁—钻型催化剂

A201型催化剂是一种低温高活性的合成氨催化剂, 由福州大学研发而成, 采用金属铁作为催化剂的活性成分。与传统催化剂相比, A201型催化剂具有明显优势, 包括易还原、耐高温、抗毒害、机械强度优良、低温活性高等。处于相同生产环境下时, 将A201型催化剂应用于氨合成系统中, 可大幅提高其生产能力, 因此能够作为节能降耗、增产节支的重要手段之一[1]。从实验结果中可以看出, A201型催化剂在性能方面能够达到英国ICI公司合成氨催化剂的同等水平, 并在低温活性方面略占优势, 在低压合成工艺中有良好的适用性。

(2) AC铁—钻型催化剂

AC铁—钻型催化剂由南华研究院研发而成, 是一种节能效果优良的合成氨催化剂, 采用的活性成分为钻元素, 在易还原、低温活性、操作压力以及氨净值等方面占有明显优势。AC铁—钻型催化剂既可应用于低压合成氨工艺, 也可应用于等压合成氨工艺, 同时还可为用户提供预还原产品。目前, AC铁—钻型催化剂已在多家中小型合成氨生产厂家中得到了推广, 从生产实践中可知, AC铁—钻型催化剂的应用使生产能力提高至5%~10%, 大大缩短了还原时间, 操作压力降低幅度可达2.0~3.0MPa, 平均每吨氨可节电20~40k W·h, 带来了巨大的经济效益。

1.2 稀土型催化剂

本世纪80年代初, 研究人员在实验中发现, 当铁基合成氨催化剂中被加入稀土元素时, 稀土元素氧化物添加剂会富集至催化剂表面, 通过还原反应后则与铁元素形成Ce-Fe金属化物, 在此过程中会导致铁离子向氮气输出电子, 从而使氮的活性吸附速度加快, 有效提高催化剂的活性。由于Ce自界面至基体的转移速度低于K, 这样就会使Ce在界面上的停留时间比K更长, 起到更好的活性促进作用, 维护甚至延长催化剂的使用寿命[2]。进入到80年代中期, 华南理工大学的林维明对合成氨催化剂中添入稀土元素, 对催化剂活性的提高展开了研究, 在经过多次实验后于90年代初终于成功开发出成本低而性能优良的新型催化剂A203。发展至90年代后期, 福州大学又以新型稀土元素为促进剂, 研发出了AF401型催化剂。

1.3 亚铁型催化荆

一直以来, 人们都认为熔铁型合成氨催化剂的活性变化与母体相有关且呈现火山形的曲线波动, 当母体相达到Fe304时, 活性将出现最高值。因此, 对亚铁型催化荆的研究往往局限于Fe3O4范围内。到了80年代中期, 刘化章等在对合成氨铁基催化剂活性与其母体相之间的关联进行系统化研究过程中, 将实验条件设定为反应压力1.51MPa, 促进剂采用Al2O3-K2O-Ca O, 发现催化剂的活性与母体相关系的变化呈现为双峰形曲线, 且母体相取为Fe1-x O时, 活性及易还原性能取值达到最大。

2 钉基催化剂的研究

关于钉基催化剂的研究开始于20世纪30年代, 至70年代开始出现明显进展, 发现以钾为促进剂, 以活性炭为载体的催化剂有更高的活性。1990年, 英国BP公司和美国Kellogg公司共同研发出了第一个钉基合成氨催化剂KAAP, 并因成本低的优势而在研发成功后迅速投入了生产。总体来说, 钉基催化剂具备催化活性强、反应温度低、操作压力小、使用寿命长、毒性强、对原料要求较低等优点。

3 结语

本文通过对合成氨催化剂研究的新进展进行探讨, 指出了合成氨在工业领域的重要作用, 以及我国加强对合成氨催化剂研究的积极意义。本文分别对铁基催化剂的研究和钉基催化剂的研究展开谈论。目前我国在铁基催化剂的研究已达到世界先进水平, 极大提高了催化剂的性能, 但对于钉基合成氨催化剂的研究还未进行深入开展, 还有较大的提升空间。

摘要：首先, 本文对铁基催化剂的研究进行了讨论, 主要包括铁一钻型催化剂、稀土型催化剂以及亚铁型催化剂, 对其研究发展历程进行了较为详尽的论述, 并对其优点和应用范围进行了分析;接下来, 又对钉基催化剂的研究进行论述, 指出我国在这方面的相对不足, 并对钉基催化剂研究结果与铁基催化剂的研究结果进行了比较。

关键词：合成氨,催化剂,铁基催化剂,钉基催化剂