Коротко и по сути — с формулами и инженерными выводами.
1) Реакция и равновесие
- Реакция: ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftharpoons 2N{\mathrm{H}}_3$. Число газовых молей меняется: $\Delta n=2-4=-2$.
- Константа равновесия (в частичных давлениях): $$K_p=\frac{P_{N{H}_3}^2}{P_{N_2}{P}_{H_2}^3}.$$
2) Влияние давления (принцип Ле-Шателье)
- Поскольку $\Delta n<0$, повышение давления смещает равновесие вправо (в сторону аммиака) — увеличивает равновесный выход.
- Практически: при фиксированных молярных соотношениях суммарное давление $P$ повышает частичные давления и поэтому при большем $P$ достигается большая доля превращения при равновесии.
3) Влияние температуры (принцип Ле-Шателье и ван-Гофф)
- Реакция экзотермическая: $\Delta H^{\circ }\approx -92.4\text{kJ/mol}$. Соответственно снижение температуры смещает равновесие вправо (больше аммиака).
- Закон ван‑Гоффа (интегрированная форма): $$\ln \frac{K_2}{K_1}=\frac{\Delta H^{\circ }}{R}(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}),$$
откуда для $\Delta H^{\circ }<0$ видно, что $K$ уменьшается при увеличении $T$ — т.е. высокая $T$ ухудшает равновесный выход.
4) Кинетика vs. равновесие — инженерный компромисс
- Низкая $T$ благоприятна для равновесного выхода, но реакция при низкой температуре слишком медленная. Для достижения приемлемой скорости требуется катализатор и повышение $T$.
- Высокое давление повышает выход, но компрессия требует большого энергетического, капитального и материального ресурса (машины, толстостенные аппараты, безопасность).
- Поэтому промышленная оптимизация (Haber–Bosch) — компромисс:
- Температура примерно $400\text{–}520^{\circ }\mathrm{C}$ (чтобы обеспечить скорость и сохранить эффективность катализатора; железные катализаторы работают лучше при этих $T$), или ниже при дорогостоящих Ru‑катализаторах.
- Давление обычно $100\text{–}300\text{бар}$ (баланс между увеличением выхода и стоимостью компрессии/аппаратов).

5) Инженерные приёмы для повышения общей эффективности
- Каталитические ступени и интеркулер (многоступенчатая компрессия/реакторная схема) — для поддержания скорости при контролируемой температуре.
- Межступенчатое охлаждение и конденсация аммиака: конденсированный аммиак удаляют, что сдвигает равновесие вправо и увеличивает суммарный выход при перекачке оставшегося газа в рецикле.
- Рециркуляция несреагировавших газов повышает общий выход при экономичной компрессии.
- Минимизация инертов (N2 из воздуха разбавляет H2/N2; Ar/N2 следы требуют продувки) — инертные газы снижают парциальные давления реагентов и уменьшают выход; поэтому делают очистку и пургирование.
- Выбор катализатора: Fe (дешёвый, широкий T) vs Ru (высшая активность при более низких $T$, но дорогой) — экономический компромисс.
- Материальные и энергетические расчёты: компрессия — крупная доля CAPEX/OPEX; прочность и безопасность сосудов растут нелинейно с давлением.
6) Практическое суммирование
- Для улучшения равновесного выхода: повышайте давление и понижайте температуру.
- На практике: выбирают умеренно высокое давление и умеренно высокую температуру, используют катализатор, многослойную схему с интеркулером и удалением конденсата, а также рециркуляцию — это даёт оптимум между скоростью реакции, равновесным выходом и экономикой процесса.
Если нужно, могу кратко показать пример расчёта равновесного выхода при заданных $P$ и $T$ для стехиометрической подачи.