Ammoniaksynthese-Simulation

Über dieses Experiment

Erkunden Sie den Zielkonflikt zwischen der Ammoniakgleichgewichtsausbeute und der Geschwindigkeit, mit der sie erreicht wird. Ändern Sie Druck, Temperatur und Einsatzverhältnis und vergleichen Sie anschließend, was sich durch die Zugabe eines Katalysators ändert und was unverändert bleibt.

Lernziele

Setzen Sie den Druck mit der Abnahme der Gesamtzahl der Gasmole in Beziehung, die während der Ammoniaksynthese auftritt.
Unterscheiden Sie zwischen dem Gleichgewichtsumsatz und dem Umsatz nach endlicher Zeit.
Unterscheiden Sie zwischen dem Einfluss eines Katalysators auf die Reaktionsgeschwindigkeit und einer Verschiebung des Gleichgewichts.

Anleitung

1Führen Sie den Reaktor mit den Standardeinstellungen aus und vergleichen Sie den tatsächlichen mit dem Gleichgewichtsumsatz.
2Erhöhen Sie den Druck bei gleicher Temperatur und gleichem Einsatzverhältnis.
3Senken Sie die Temperatur und vergleichen Sie die höhere Gleichgewichtsausbeute mit der langsameren Annäherung an das Gleichgewicht.
4Fügen Sie den Katalysator hinzu und prüfen Sie, dass der Gleichgewichtsumsatz unverändert bleibt, während die Produktion innerhalb einer endlichen Zeit schneller erfolgt.

Das Modell

K_{p} = exp [- (Δ H^{\circ} - T Δ S^{\circ}) / (R T)]

Die Gleichgewichtslage wird durch die Näherung mit konstanter Enthalpie und konstanter Entropie bestimmt.

Q_{p} = \frac{y _{N H_{3}}^{2}}{y _{N_{2}} y _{H_{2}}^{3}} (P / P^{\circ})^{- 2}

Der Gleichgewichtsumsatz erfüllt bei dem gewählten Gesamtdruck die Beziehung Q p gleich K p.

ξ (t) = ξ_{eq} (1 - e^{- k t})

Das separate Relaxationsmodell veranschaulicht die Annäherung in endlicher Zeit, ohne detaillierte Reaktionskinetik zu beanspruchen.

Annahmen

Das Einsatzgemisch enthält ein Mol N₂ und das ausgewählte H₂-zu-N₂-Verhältnis, aber anfangs kein Ammoniak. Der Druck wird in einem idealen Gasmodell konstant gehalten.
Eine konstante Standardenthalpie von minus 92,22 Kilojoule und eine konstante Standardentropie von minus 198,75 Joule pro Kelvin nähern die Gleichgewichtskonstante für die Reaktion in der angegebenen Richtung an. Änderungen der Wärmekapazität und die Nichtidealität der Gase werden vernachlässigt.
Eine phänomenologische exponentielle Relaxation nähert sich dem berechneten Gleichgewichtsumsatz an. Ihre Arrhenius-artige Reaktionsgeschwindigkeitsskala dient der Veranschaulichung; der Katalysator erhöht sie um den Faktor acht.
Die Apparatur ist weder ein industrieller Reaktor noch ein Modell für die Sicherheitsauslegung. Molekülproben veranschaulichen die Zusammensetzung; die numerischen Stoffmengen erhalten die Stickstoff- und Wasserstoffatome exakt.

Im Unterricht ausprobieren

Q1Warum begünstigt ein höherer Druck in diesem idealen Gasmodell die Ammoniakbildung?
Q2Warum kann ein Katalysator den Umsatz in endlicher Zeit erhöhen, während die Gleichgewichtsgrenze unverändert bleibt?

Häufig gestellte Fragen

Sind die angezeigten Ausbeuten präzise industrielle Vorhersagen?

Nein. Die Annahmen eines idealen Gases und konstanter thermodynamischer Eigenschaften verdeutlichen Trends, lassen aber wichtige Hochdruck- und Wärmekapazitätseffekte außer Acht.

Verändert der Katalysator die thermodynamische Gleichgewichtskonstante?

Nein. Er verändert lediglich die veranschaulichende Relaxationsgeschwindigkeit und lässt den berechneten Gleichgewichtsumsatz unverändert.