Как уже отмечалось выше, при взаимодействии водорода с азотом достаточно заметный в практическом отношении выход аммиака можно получить лишь при высоких давлениях (порядка 100 am и выше). При этом согласно принципу Ле Шателье чем выше давление, тем больше сдвигается равновесие реакции в сторону получения максимального выхода аммиака (см. табл. 5 и рис. 27). Кроме того, с повышением давления скорость взаимодействия реагирующих веществ всегда увеличивается. Однако при синтезе аммиака увеличение давления даже до 1000 am при любой температуре не приводит к желаемым результатам, так как скорость взаимодействия азота с водородом при этом остается еще настолько незначительной, что время пребывания газовой смеси в реакционной зоне до достижения равновесного или близкого к нему состояния будет измеряться минутами и часами. При промышленном же осуществлении реакций, протекающих в газовой фазе, продолжительность взаимодействия исходных веществ должна измеряться долями секунд, в противном случае производительность реакционного аппарата будет ничтожно мала или же объем его следует делать большим.
Поэтому реакция синтеза аммиака производится в присутствии катализаторов.
В настоящее время общепринятым катализатором для синтеза аммиака служит железо, активированное окисями алюминия и калия. Этот катализатор настолько увеличивает скорость взаимодействия водорода с азотом, что позволяет вести процесс синтеза аммиака при давлениях порядка 300 am и достигать равновесного состояния при 450°С — примерно через 2,0 сек., при 500°С — через 0,6 сек., при 525°С —через 0,3 сек. и т. д. (см. рис. 34). Однако на практике реакцию синтеза NH3 до равновесного состояния никогда не доводят, так как достижение равновесной (максимальной) концентрации NH3 в газе не дает максимальной производительности катализатора 1, а отсюда и колонны син- L _ теза. Например, при различных объемных скоростях, или, что то же, при различной продолжительности контактирования азотоводородной смеси (3H2-|-N2) с катализатором для 300ам. и 500°С производительность последнего определится (см. рис. 35): при равновесном состоянии (Vo6 Щ = 3600/0,6=6000 нм3/м3-час с=26%, см. рис. 35, точка а.
Производительностью катализатора ЩВ) называется количество продукта (кг), получаемого с единицы поверхности (л2) веса (кг) или объема (л3) катализатора в единицу времени (минуту, час). Определяется производительность катализатора по уравнению: Ак ==0,01р . с . где р — плотность получаемого продукта в кг/м3 при нормальных условиях с — содержание его в газе в объемных процентах, V0g—объемная скорость т. е. количество литров или куб. метров газа, приведенных к нормальным условиям («л8, ял3), проходящего за час через 1 л или 1 м3 катализатора.
Таким образом, несмотря на то, что с увеличением объемной скорости газа, или, что то же, с уменьшением времени контакта, содержание продукта (NH3) в конечном газе, а следовательно, степень контактирования уменьшается, производительность контактного аппарата (колонны синтеза) возрастает. Отсюда следует, что повышенные объемные скорости практически являются наиболее выгодными; в настоящее время промышленное получение синтетического аммиака производится при скоростях 30 ООО—40 ООО нм3/м3-час, в то время как раньше эти скорости не превышали 10 ООО нм3/м3-час.
Значительное влияние на производительность катализатора оказывает температурный режим процесса синтеза. Опыт показывает, что для каждого значения объемной скорости газа имеется оптимальная температура синтеза, при которой производительность катализатора будет наибольшей. Например, оптимальный температурный режим колонны синтеза, работающей на железном катализаторе под давлением около |300 am, будет следующий: при объемной скорости 15 000 нм3/м3-час — около 475°С, при скорости 30 000 нм3/м3-час около 500°С и т. д. (см. рис. 36); чем больше объемная скорость, тем выше оптимальная температура процесса синтеза.
Кроме давления, объемной скорости и оптимальной температуры, значительную роль в процессе синтеза аммиака играет чистота азотоводородной смеси, поступающей в контактный аппарат.
Катализаторы, применяемые при синтезе аммиака при давлениях порядка 300 am, относятся к числу высокоактивных, вследствие чего они являются довольно чувствительными к каталитическим ядам. Ядами, в присутствии которых эти катализаторы быстро теряют свою активность (отравляются), являются соединения серы, окись углерода, пары воды, кислород и некоторые другие газы. Поэтому азотоводородная смесь до поступления ее в контактный аппарат должна быть тщательно очищена от этих примесей (ядов). Очистка смеси от ядов производится путем поглощения их специальными растворами и поглотительными массами, или путем так называемого предварительного контактирования, или же тем и другим вместе.
Сущность предварительного контактирования состоит в том, что азотоводородная смесь под давлением подается в так называемую колонну предкатализа со специальным катализатором, где окись углерода и кислород реагируют с водородом.
Получающийся при этом метан не является ядом для катализатора при синтезе аммиака, а вода может быть легко удалена из газовой смеси охлаждением.
Предварительное контактирование производится при температуре более низкой или более высокой, чем синтез аммиака. При этом в том и другом случае в предкаталитической колонне аммиака почти не образуется, так как при низкотемпературном режиме скорость реакции ЗН2+ Ы^ШЩ ничтожно мала, а при высокотемпературном — равновесие этой реакции сильно сдвинуто в сторону образования исходных веществ.
После очистки азотоводородная смесь поступает в контактный аппарат, который называется колонной синтеза.