Краткий ответ: выбор давления и температуры — компромисс между термодинамикой (низкая T и высокое P благоприятствуют NH3), кинетикой (высокая T ускоряет реакцию) и экономикой (стоимость сжатия, материалов и энергорасход). Ниже — суть и практические выводы.
1) Реакция и её свойства
- Реакция: ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftharpoons 2N{\mathrm{H}}_3$.
- Стандартная тепловая эффект: $\Delta H^{\circ }\approx -92.4\mathrm{kJ}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$ (экзотермическая).
- Изменение числа молей газа: $\Delta n=-2$.
2) Термо — почему давлению и температуре
- Равновесие (в виде парциальных давлений): $K_p=\frac{P_{N{H}_3}^2}{P_{N_2}{P}_{H_2}^3}$.
- По Ле Шателье: при увеличении давления равновесие смещается в сторону продуктов (т.к. $\Delta n<0$), т.е. больший выход NH${}_3$.
- Зависимость от температуры (ван'т Гофф): $\frac{d\ln K_p}{dT}=\frac{\Delta H^{\circ }}{R{T}^2}$. Так как $\Delta H^{\circ }<0$, то при росте $T$ константа равновесия $K_p$ уменьшается → меньший равновесный выход NH${}_3$.
3) Кинетика
- Скорость растёт с температурой по закону Аррениуса: $k=A\exp \left(-\frac{E_a}{RT}\right)$. Более высокая $T$ компенсирует низкую равновесную конверсию повышая скорость и позволяя реалистичные производительности при разумном объёме реактора.
- Катализаторы (Fe, промотированные; Ru на носителе) снижают $E_a$, поэтому позволяют работать при более низкой $T$ и/или достигать большей активности при тех же условиях.
4) Экономические ограничения и практическая оптимизация
- Давление: повышение $P$ улучшает равновесный выход и плотность газа (меньше объёмов аппаратов), но требует дорогих компрессоров, толстых стенок реакторов, повышенных затрат на безопасность и обслуживание. Возврат от увеличения $P$ убывает; экономический оптимум обычно в диапазоне $100\text{–}300\mathrm{bar}$.
- Температура: снижение $T$ повышает равновесный выход, но слишком низкое $T$ даёт малую скорость → потребуются большие реакторы и/или дорогостоящие катализаторы (Ruthenium). Практически выбирают умеренно высокую $T$ для приемлемой скорости (обычно $400\text{–}550{}^{\circ }\mathrm{C}$ для Fe-катализаторов). Ru-катализаторы позволяют снижать $T$, но сами дороже.
- Переработка (recycle): экономически выгоднее повторно пропускать несреагировавшие газы через реактор, чем резко увеличивать $P$ или снижать $T$ для единичного прохода. Это снижает потребность в экстремальных режимах.
- Энергоинтеграция: утилизация выделяемого тепла (подогрев ступеней или подача тепла на синтез газа) существенно сокращает энергозатраты и влияет на оптимальный выбор $T$ и $P$.
- Баланс капитала и операционных затрат: оптимум достигается, когда предельный выигрыш в выходе/производительности от повышения $P$ или изменения $T$ равен предельным капитальным/энергетическим затратам.
5) Типичные промышленные параметры (практическая картина)
- Давление: $100\text{–}300\mathrm{bar}$ (современные заводы часто $\sim 150\text{–}250\mathrm{bar}$).
- Температура: $400\text{–}550{}^{\circ }\mathrm{C}$ (Fe-катализаторы). Ru-системы могут работать при более низких $T$, но их экономическая выгода зависит от масштаба и стоимости катализатора.
- Перевод в практику: per‑pass conversion невысок (обычно порядка $10\%\text{–}30\%$), поэтому широко применяют рециркуляцию и ступенчатую компрессию/охлаждение.
6) Краткие рекомендации по выбору режима
- Поднимайте давление до экономического оптимума (учитывая стоимость компрессии и аппаратов): высокий $P$ выгоден для равновесия.
- Поддерживайте как можно более низкую температуру, при которой кинетика остаётся приемлемой (используйте эффективный катализатор и теплообменную интеграцию).
- Применяйте рециркуляцию несреагировавших газов и многоступенчатые операционные схемы, чтобы снизить потребность в крайних $P$ и $T$.
- Оценивайте выбор катализатора (стоимость против возможности снизить $T$ и увеличить скорость).
Вывод: оптимальный режим — компромисс: относительно высокое давление и умеренно высокое температура, дополненные эффективным катализатором и рециркуляцией; конкретные цифры выбирают исходя из экономического анализа затрат на компрессию, материалы, энергию и стоимость катализатора.