1 课题背景

合成氨及其催化工艺最早出现于军工行业中，实际上，氨不仅是氮肥生产的基础，而且本身也是重要的化肥原料。目前，氨合成的催化剂主要有氧化铁基催化剂、钌基催化剂以及四氧化三铁传统熔铁催化剂三种^[1-2]，随着科学技术的进步，目前合成氨已广泛应用于当今社会发展的各个领域，扮演者愈发举足轻重的角色。

氢气是一种绿色清洁能源，同时是氨合成的原料，多年来，研究人员对氢气制备方案的研究从未间断，电解水理论、硫化氢分解以及新型催化剂等^[3-5]。对于氢气的储存，目前常用的方法主要有高压储氢、低温液态储氢以及运用携氢载体^[6]，其中，携氢载体主要利用某些合金对氢原子的吸附能力，通过控制相关条件实现金属氢化物合成与分解。此外，氨也是氢的良好载体，氨的存储比氢气容易和安全，且通过氨合成的逆反应可以快速获取氢气。

本课题旨在以合成氨的气固催化反应工艺为基础，并结合高活性的Fe_1-xO 基新型熔铁催化剂和磁场流态化技术，完成特定条件下氨合成气固催化反应MFB小型反应器的设计。所谓流态化（Fluidization)，即依靠流体（气体或液体）流动的作用使固体颗粒悬浮在流体中或随流体一起流动的过程，气固催化反应器按具体结构可分为固定床和流动床两种形式，与固定床相比，流化床的结构相对复杂，但传热传质效果较好，催化效率较高^[7-10]。反应器的设计结构主要包括流化床、磁场、催化剂装卸、测试系统、管路连接及支撑结构等。

2 氨合成和反应装置回顾

近年来，国内外化工行业快速发展，合成氨工艺不断完善，目前，已了解到的合成氨工艺主要包括托普索工艺、卡萨利工艺、伍德工艺、KBR工艺、kellogg的KREP、KAPP及KRES工艺、Braun公司的低能耗深冷净化工艺、UHDE-ICI-AMW工艺、林德的LAC工艺、ICI公司的LCA工艺、俄罗斯GIAP公司的tandem工艺、Uhde公司的CAR工艺、布朗工艺^[11-12]等等。氨合成反应装置也在不断优化更新，不断朝着低能、减耗及原料的可持续循环应用方向发展。合成氨工业装置始建于上世纪初的巴斯夫，规模为30 t/d，经两次技术变革，合成氨装置愈发大型化，以天然气为主要初始原料的年产30万吨的大型合成氨装置在世界范围内已广泛得建，技术运用也越发成熟。我国在氨的制备及装置的研发方面也不断进步，并取得了一系列骄人业绩。2006年，通过验收的具有自主知识产权的年产20万吨合成氨工业装置彻底改写了我国大型合成氨装置完全依靠进口的历史^[13-14]，之后，我国在合成氨方面的成就更是屡创新高，不断朝着由合成氨大国向合成氨强国的方向迈进。

3 流化床反应器研究现状

我国在本世纪50年代初期，就已开展了对流态化技术及其应用的研究工作，最早的应用实例是流态化焙烧^[15]，随着不断发展，流化床反应器逐渐被应用于煤热解、钢铁浓盐水除硬、脱硫脱硝、生物脱氮、烯烃生产^[16-20]等多个行业。目前，在世界范围内，流化床反应器已广泛应用于农业、轻工、食品、环境、化工等各个领域。 Kim^[21]等人为建立亚秒级乙炔转化为亚毫米长碳纳米管(CNTs)的方法，提出并开发了一种用于化学蒸汽沉积的内换热流化床反应器(FBCVD)，加热均匀、节能，且适用于大批量生产； Rahimpour^[22]等人在传统流化床反应器的基础上，以一种流化床膜双型反应器去除，与常规双型甲醇合成反应器(CDMR)和膜式双型甲醇合成反应器(MDMR)进行比较，并测得转化率有了很大的提高；Shimamura ^[23]等人通过对流化床结晶除磷系统回收磷酸铵镁(MAP)进行了研究和开发，设计了一个双罐式反应堆，在原有单一流化床反应池的基础上增加了一个副反应池反应器，使MAP颗粒在主反应池中的粒径保持不变，从而使回收率保持稳定； Hu^[24]等人为了抑制生物质(CFP)快速热解过程中沸石结构外表面结焦形成，采用两段连续进料的台架式流化床，以水热法制备了核壳结构的@硅沸石分子筛催化剂，促进烯烃和BTX的生成(特别是BTX)，并使催化剂焦炭和多环芳烃的生成受到明显抑制；Anotai^[25]等人研究了以建筑砂为介质的流化床Fenton反应器，采用流化床Fenton工艺处理低强度废水，或作为抛光装置，有效限制了废水的形成。

4 磁流化床及磁性颗粒

磁流化床（MFB)采用铁磁性颗粒作为床体介质，而磁场通常由霍尔姆兹线圈或永磁体产生，是一种新型、高效的特殊流化床系统，能改善接触条件，消除流化床的气泡，增进流化床的流动性、稳定性，使反应器的寿命及稳定性能都有了很大的提高^[26-28]，如利用水平磁场作用下流化床从水溶液中分离酿酒酵母细胞^[29]、利用稳定的横向电磁场稳定液体流化的多孔介质(铁磁和非磁性颗粒的混合物)及影响由磁性和页岩油颗粒外加剂组成的床层的动力和传热行为^[30-31]、利用磁场强度影响流化床瞬态流化行为^[32]、通过外加磁场提高气-液-固(G-L-S)三相逆流流化床中的液固(L-S)传质系数Ks^[33]以及通过外加磁场延迟沉积速度提前、沉积效率降低的突破点^[34]等等。