Amoniac (nitrură de hidrogen, formula NH 3) în condiții normale este un gaz incolor cu un miros caracteristic înțepător. Este unul dintre cele mai importante produse ale industriei chimice. Producția sa mondială anuală ajunge la 150 de milioane de tone. Este utilizat în principal pentru fabricarea îngrășămintelor cu azot (nitrat și sulfat de amoniu, uree), explozivi și polimeri, acid azotic, sodă (metoda amoniacului) și alte produse chimice. Amoniacul lichid este folosit ca solvent.
În refrigerare, este folosit ca agent frigorific (R717).
În medicină, o soluție de 10% de amoniac, numită adesea amoniac, este folosită pentru leșin (pentru a stimula respirația), pentru a stimula vărsăturile și, de asemenea, extern pentru nevralgie, miozită, mușcături de insecte și pentru a trata mâinile chirurgului. Dacă este folosit necorespunzător, poate provoca arsuri ale esofagului și stomacului (în cazul luării unei soluții nediluate), stop respirator reflex (la inhalare în concentrații mari).
Tehnologia de producție a amoniacului + videoclip cum se obține
Ca parte a acestei direcții, astăzi multe companii au început să dezvolte și să proiecteze următoarele tehnologii:
- Transformarea excesului de amoniac în producția de metanol.
- Dezvoltarea producției bazată pe tehnologii moderne pentru înlocuirea unităților active.
- Crearea de producție integrată și modernizare.
Pentru producerea unei tone de amoniac în Rusia, se consumă în medie 1200 nm³ de gaz natural, în Europa - 900 nm³. Belarusul „Grodno Azot” consumă 1200 Nm³, după modernizare consumul este de așteptat să scadă la 876 Nm³. Producătorii ucraineni consumă de la 750 nm³ la 1170 nm³. Conform tehnologiei UHDE, se declara un consum de 6,7 - 7,4 Gcal de resurse energetice pe tona.
Metoda industrială de producere a amoniacului se bazează pe interacțiunea directă a hidrogenului și azotului:
N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + + 91,84 kJ
Acesta este așa-numitul proces Haber (fizicianul german, a dezvoltat bazele fizico-chimice ale metodei). Reacția are loc cu degajarea de căldură și scăderea volumului. Prin urmare, pe baza principiului Le Chatelier, reacția ar trebui să fie efectuată la cele mai scăzute temperaturi posibile și la presiuni ridicate - atunci echilibrul va fi deplasat spre dreapta. Cu toate acestea, viteza de reacție la temperaturi scăzute este neglijabilă, iar la temperaturi ridicate, viteza reacției inverse crește. Efectuarea reacției la presiuni foarte mari necesită crearea unor echipamente speciale care să reziste la presiuni mari și deci o investiție mare. În plus, echilibrul reacției, chiar și la 700°C, este stabilit prea lent pentru utilizarea sa practică. Randamentul de amoniac (în procente de volum) în procesul Haber la diferite temperaturi și presiuni are următoarele valori:
Utilizarea unui catalizator (fier poros cu impurități Al2O3 și K2O) a făcut posibilă accelerarea atingerii unei stări de echilibru. Interesant este că în căutarea unui catalizator pentru acest rol, au fost încercate peste 20 de mii de substanțe diferite.
Luând în considerare toți factorii de mai sus, procesul de producție se desfășoară în următoarele condiții:
- temperatura 500 °C;
- presiune 350 atmosfere;
- catalizator.
Randamentul de amoniac în astfel de condiții este de aproximativ 30%. În condiții industriale, se utilizează principiul circulației - amoniacul este îndepărtat prin răcire, iar azotul și hidrogenul nereacționat sunt returnate în coloana de sinteză. Acest lucru se dovedește a fi mai economic decât obținerea unui randament de reacție mai mare prin creșterea presiunii. Pentru a-l obține în laborator, se folosește acțiunea alcalinelor puternice asupra sărurilor de amoniu:
NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O
Amoniacul se obține de obicei în laborator prin încălzirea slabă a unui amestec de clorură de amoniu și var stins.
2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O
Pentru a usca amoniacul, acesta este trecut printr-un amestec de var și sodă caustică. Foarte uscat poate fi obținut prin dizolvarea sodiului metalic în el și ulterior distilarea. Acest lucru se face cel mai bine într-un sistem realizat din metal sub vid. Sistemul trebuie să reziste la presiune mare (la temperatura camerei, presiunea vaporilor saturați este de aproximativ 10 atmosfere). În producția industrială, coloanele de absorbție sunt de obicei folosite pentru uscare.
Video cum se face:
Producția de amoniac nu trebuie să ocolească progresul tehnic. Este vorba în principal despre economisirea energiei. Pe parcursul dezvoltării tehnologiilor moderne se acordă o mare importanță software-ului necesar modelării proceselor chimice și tehnologice.
Amoniacul (NH3) este un compus de azot și hidrogen. Este un gaz ușor cu miros înțepător. Producția de amoniac în industrie și laboratoare este necesară pentru producerea de îngrășăminte, polimeri, acid azotic și alte substanțe.
În industrie
Amoniacul este produs industrial din azot prin combinarea acestuia cu hidrogenul. Azotul este luat din aer, hidrogenul - din apă. Metoda a fost dezvoltată pentru prima dată de chimistul german Fritz Haber. Metoda industrială de producere a amoniacului a început să fie numită procesul Haber.
Reacția are loc cu o scădere a volumului și eliberarea de energie sub formă de căldură:
3H2 + N2 → 2NH3 + Q.
Reacția este reversibilă, așa că trebuie îndeplinite mai multe condiții. La presiune ridicată și temperaturi scăzute, cantitatea de amoniac produsă crește. Cu toate acestea, temperaturile scăzute încetinesc viteza reacției, iar o creștere a temperaturii crește viteza reacției inverse.
Din punct de vedere empiric, s-au găsit condițiile necesare reacției:
- temperatura- 500°C;
- presiune- 350 atm;
- catalizator- oxid de fier Fe 3 O 4 (magnetita) cu impuritati de oxizi de argint, potasiu, calciu si alte substante.
În aceste condiții, gazul rezultat conține 30% amoniac. Pentru a evita o reacție inversă, substanța este răcită rapid. La temperaturi scăzute, gazul rezultat se transformă într-un lichid. Gazele necheltuite - azotul și hidrogenul - sunt returnate înapoi în coloana de sinteză. Această metodă ajută la obținerea rapidă a unor volume mari de amoniac, maximizând utilizarea materiilor prime.
Orez. 1. Obținerea industrială a amoniacului.
Pentru a găsi catalizatorul potrivit, au fost încercate 20.000 de substanțe diferite.
In laborator
Pentru a obține amoniac în laborator, se utilizează reacția alcalinelor la sărurile de amoniu:
NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O
De asemenea, amoniacul poate fi obținut în laborator din clorură de amoniu încălzită împreună cu var stins, sau prin descompunerea hidroxidului de amoniu:
- 2NH4CI + Ca(OH)2 → CaCI2 + 2NH3 + 2H20;
- NH4OH ↔ NH3 + H2O.
Orez. 2. Obținerea amoniacului în laborator.
Amoniacul poate fi uscat complet folosind un amestec de var și hidroxid de sodiu, prin care este trecut gazul rezultat. În același scop, amoniacul lichid este amestecat cu sodiu metalic și supus distilarii.
Amoniacul este mai ușor decât aerul, așa că eprubeta este ținută cu capul în jos pentru a-l colecta.
Aplicație
Amoniacul este utilizat în diverse industrii:
- în agricultură - pentru producția de îngrășăminte care conțin azot;
- în industrie - pentru producția de polimeri, explozivi, gheață artificială;
- în chimie - pentru fabricarea acidului azotic, sifon;
- în medicină - ca amoniac.
Orez. 3. Fabricarea îngrășămintelor.
Ce am învățat?
Amoniacul este produs prin metode industriale și de laborator. Pentru producția la scară industrială se utilizează azot și hidrogen. Amestecând la temperaturi ridicate, presiune și sub acțiunea unui catalizator, substanțele simple formează amoniac. Pentru a preveni reacția la temperatură ridicată să meargă în direcția opusă, gazul este răcit. În laborator, amoniacul se obține prin reacția sărurilor de amoniu cu alcalii, var stins sau prin descompunerea hidroxidului de amoniu. Amoniacul este folosit în industria chimică, agricultură, medicină și chimie.
Test cu subiecte
Raport de evaluare
Rata medie: 4.2. Evaluări totale primite: 263.
O serie de factori influențează procesul de producere a cantității optime de substanță chimică, precum și atingerea calității maxime a acesteia. Producția de amoniac depinde de presiune, temperatură, prezența unui catalizator, substanțele utilizate și metoda de extracție a materialului obținut. Acești parametri trebuie echilibrați corespunzător pentru a obține cel mai mare profit din procesul de producție.
Proprietățile amoniacului
La temperatura camerei și umiditatea normală a aerului, amoniacul este în stare gazoasă și are un miros foarte respingător. Este dotat cu un efect otrăvitor și iritant asupra mucoaselor asupra organismului. Producția și proprietățile amoniacului depind de participarea apei la proces, deoarece această substanță este foarte solubilă în condiții normale de mediu.
Amoniacul este un compus de hidrogen și azot. Formula sa chimică este NH 3 .
Această substanță chimică acționează ca un agent reducător activ, în urma căruia azotul liber este eliberat ca urmare a arderii. Amoniacul prezintă caracteristicile bazelor și alcalinelor.
Reacția unei substanțe cu apa
Când NH3 este dizolvat în apă, se obține apă cu amoniac. Maxim la temperatura normală, 700 de volume de amoniac pot fi dizolvate într-un volum dintr-un element de apă. Această substanță este cunoscută sub numele de amoniac și este utilizată pe scară largă în industria îngrășămintelor, în instalațiile tehnologice.
NH 3 obținut prin dizolvarea în apă este parțial ionizat în calitățile sale.
Amoniacul este utilizat într-una din metodele de laborator pentru obținerea acestui element.
Obținerea unei substanțe în laborator
Prima metodă de obținere a amoniacului este aducerea amoniacului la fierbere, după care se usucă vaporii rezultați și se colectează compusul chimic necesar. Obținerea amoniacului în laborator este posibilă și prin încălzirea varului stins și clorură de amoniu solidă.
Reacția pentru obținerea amoniacului este următoarea:
2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O
În timpul acestei reacții, se formează un precipitat alb. Aceasta este sare de CaCl 2 și se formează și apă și amoniacul dorit. Pentru a efectua uscarea substanței necesare, aceasta este trecută printr-un amestec de var în combinație cu sifon.
Obținerea amoniacului în laborator nu oferă cea mai optimă tehnologie pentru producerea acestuia în cantitățile necesare. De mulți ani, oamenii au căutat modalități de a extrage substanța la scară industrială.
Originile înființării tehnologiilor de producție
În anii 1775-1780, au fost efectuate experimente pentru a lega moleculele de azot liber din atmosferă. Chimistul suedez K. Shelle a găsit o reacție care arăta ca
Na 2 CO 3 + 4C + N 2 \u003d 2NaCN + 3CO
Pe baza ei, în 1895, N. Caro și A. Frank au dezvoltat o metodă de legare a moleculelor de azot liber:
CaC 2 + N 2 \u003d CaCN 2 + C
Această opțiune necesita multă energie și nu era viabilă din punct de vedere economic, așa că în timp a fost abandonată.
O altă metodă destul de costisitoare a fost procesul de interacțiune dintre moleculele de azot și oxigen descoperit de chimiștii englezi D. Priestley și G. Cavendish:
Cerere în creștere pentru amoniac
În 1870, această substanță chimică era considerată un produs nedorit al industriei gazelor și era practic inutilă. Cu toate acestea, după 30 de ani, a devenit foarte popular în industria cocsului.
La început, nevoia crescută de amoniac a fost completată prin izolarea acestuia de cărbune. Dar cu o creștere de 10 ori a consumului de substanță, s-au efectuat lucrări practice pentru a găsi modalități de extragere a acesteia. Producția de amoniac a început să fie introdusă folosind rezerve de azot atmosferic.
Nevoia de substanțe pe bază de azot a fost observată în aproape toate sectoarele cunoscute ale economiei.
Găsirea modalităților de a satisface cererea industrială
Omenirea a parcurs un drum lung pentru a implementa ecuația pentru producerea materiei:
N 2 + 3H 2 \u003d 2NH 3
Producția de amoniac în industrie a fost realizată pentru prima dată în 1913 prin sinteza catalitică din hidrogen și azot. Metoda a fost descoperită de F. Gaber în 1908.
Tehnologia deschisă a rezolvat o problemă de lungă durată a multor oameni de știință din diferite țări. Până în acest punct, nu a fost posibil să se lege azotul sub formă de NH3. Acest proces chimic se numește reacție cu cianamidă. Când temperatura varului și carbonului a fost crescută, s-a obținut substanța CaC 2 (carbură de calciu). Prin încălzirea azotului s-a obținut cianamidă de calciu CaCN 2, din care s-a eliberat amoniac prin hidroliză.
Implementarea tehnologiilor de producere a amoniacului
Obținerea NH 3 la scară globală pentru consum industrial a început odată cu achiziționarea unui brevet pentru tehnologiile F. Haber de către A. Mittasch, reprezentant al fabricii de sifon din Baden. La începutul anului 1911, sinteza amoniacului într-o plantă mică a devenit regulată. K. Bosch a creat un mare aparat de contact bazat pe dezvoltările lui F. Haber. A fost echipamentul original care asigura procesul de recuperare a amoniacului prin sinteză la scară de producție. K. Bosch a preluat toată conducerea pe această problemă.
Economisirea costurilor energetice a presupus participarea anumitor catalizatori la reacțiile de sinteză.
Un grup de oameni de știință care lucrează la căutarea componentelor potrivite a propus următoarele: un catalizator de fier, la care s-au adăugat oxizi de potasiu și aluminiu și care este considerat încă unul dintre cei mai buni furnizori de amoniac din industrie.
Pe 9 septembrie 1913 și-a început activitatea prima fabrică din lume care folosește tehnologia de sinteză catalitică. Capacitățile de producție au fost crescute treptat, iar până la sfârșitul anului 1917 au fost produse 7 mii de tone de amoniac pe lună. În primul an de funcționare al uzinei, această cifră a fost de doar 300 de tone pe lună.
Ulterior, toate celelalte țări au început să folosească tehnologia de sinteză folosind catalizatori, care în esență nu diferă mult de tehnica Haber-Bosch. Utilizarea proceselor de înaltă presiune și circulație a avut loc în orice proces tehnologic.
Implementarea sintezei în Rusia
În Rusia, sinteza a fost folosită și folosind catalizatori care asigură producția de amoniac. Reacția arată astfel:
În Rusia, prima fabrică de sinteză a amoniacului și-a început activitatea în 1928 la Cernorechensk, iar apoi au fost construite unități de producție în multe alte orașe.
Lucrările practice privind obținerea amoniacului câștigă în mod constant amploare. Între 1960 și 1970, sinteza a crescut de aproape 7 ori.
În țară, pentru producerea, colectarea și recunoașterea cu succes a amoniacului se folosesc substanțe catalitice mixte. Studiul compoziției lor este realizat de un grup de oameni de știință condus de S. S. Lachinov. Acest grup a găsit cele mai eficiente materiale pentru tehnologia de sinteză.
Cinetica procesului este, de asemenea, studiată constant. Dezvoltarile științifice în acest domeniu au fost realizate de M. I. Temkin, precum și de angajații săi. În 1938, acest om de știință, împreună cu colegul său V. M. Pyzhev, a făcut o descoperire importantă, îmbunătățind producția de amoniac. Ecuația pentru cinetica sintezei, compilată de acești chimiști, este acum folosită în întreaga lume.
Proces modern de sinteză
Procesul de obținere a amoniacului cu ajutorul unui catalizator, utilizat în producția de astăzi, este reversibil. Prin urmare, problema nivelului optim al impactului indicatorilor asupra obținerii randamentului maxim al produselor este foarte relevantă.
Procesul are loc la o temperatură ridicată: 400-500 ˚С. Se folosește un catalizator pentru a asigura viteza de reacție necesară. Producția modernă de NH 3 implică utilizarea presiunii înalte - aproximativ 100-300 atm.
Împreună cu utilizarea unui sistem de circulație, este posibil să se obțină o masă suficient de mare de materiale inițiale transformate în amoniac.
Producție modernă
Sistemul de funcționare al oricărei fabrici de amoniac este destul de complex și include mai multe etape. Tehnologia de obținere a substanței dorite se realizează în 6 etape. În timpul sintezei, amoniacul este obținut, colectat și recunoscut.
Etapa inițială constă în extragerea sulfului din gazele naturale cu ajutorul unui desulfurizant. Această manipulare este necesară datorită faptului că sulful este o otravă catalitică și ucide catalizatorul de nichel în etapa de extracție a hidrogenului.
A doua etapă este conversia metanului, care continuă cu utilizarea temperaturii și presiunii ridicate folosind un catalizator de nichel.
În a treia etapă, are loc arderea parțială a hidrogenului din oxigenul atmosferic. Ca rezultat, se produce un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon și azot.
A patra etapă este reacția de schimbare, care are loc cu diferiți catalizatori și două condiții diferite de temperatură. Inițial, este utilizat Fe 3 O 4, iar procesul se desfășoară la o temperatură de 400 ˚С. În a doua etapă este implicat un catalizator de cupru mai eficient, care permite producția la temperaturi scăzute.
Următoarea a cincea etapă implică îndepărtarea monoxidului de carbon (VI) inutil din amestecul de gaze prin aplicarea tehnologiei de absorbție cu o soluție alcalină.
În etapa finală, monoxidul de carbon (II) este îndepărtat folosind reacția de conversie a hidrogenului în metan printr-un catalizator de nichel și la o temperatură ridicată.
Amestecul de gaz obținut în urma tuturor manipulărilor conține 75% hidrogen și 25% azot. Este comprimat sub presiune mare și apoi răcit.
Aceste manipulări sunt descrise de formula de eliberare a amoniacului:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ
Deși acest proces nu pare foarte complicat, totuși, toți pașii de mai sus pentru implementarea lui indică complexitatea obținerii amoniacului la scară industrială.
Calitatea produsului final este afectată de absența impurităților din materia primă.
După ce a parcurs un drum lung de la o mică experiență de laborator la producția pe scară largă, producția de amoniac este astăzi o ramură căutată și indispensabilă a industriei chimice. Acest proces este în continuă perfecţionare, asigurând calitatea, economia şi cantitatea necesară de produs pentru fiecare celulă a economiei naţionale.
Metode de obținere a amoniacului
Materia primă pentru producerea amoniacului este un amestec nitric-hidrogen (ABC) de compoziție stoechiometrică N2:H2 = 1:3.combustibil, conversia gazelor naturale (Fig. 14.5).
Orez. 14.5. Materii prime pentru producerea amoniacului
Structura bazei de materie primă pentru producția de amoniac s-a schimbat și peste 90% din amoniac este produs pe baza naturii - 14.3 arată dinamica modificărilor în structura principalelor tipuri de materii prime pentru producția de amoniac.
Tabelul 14.3. Modificări în baza de materie primă a producției de amoniac
Amestecul azot-hidrogen, indiferent de metoda de preparare, conține impurități de substanțe, dintre care unele sunt otrăvuri catalitice, provocând atât otrăviri reversibile (oxigen, oxizi de carbon, vapori de apă), cât și ireversibile (diferiți compuși ai sulfului și fosforului). catalizatorul.
Pentru a elimina aceste substanțe, ABC este supus unei pretratări ale cărei metode și adâncimea depind de natura și conținutul lor, adică de metoda de producere a ABC.De obicei, ABC obținut prin conversia gazelor naturale conține monoxid de carbon (IV), metan, argon, urme de oxigen și până la 0,4% vol. monoxid de carbon (II).
Absorbția cu captatori lichizi (metoda umedă) și adsorbția cu captatori solizi (metoda uscată) sunt utilizate în industrie pentru purificarea ABC. În același timp, procesul de curățare poate fi efectuat în diferite etape de producție:
Sursa de gaz înainte de a-l depune pentru conversie;
gazul transformat pentru a elimina monoxidul de carbon (IV) din acesta;
Amestecul de azot imediat înainte de sinteza amoniacului (purificare fină ABC).
Primele două procese sunt luate în considerare în descrierea industriilor respective.
Purificarea fină a ABC se realizează prin chimisorbția impurităților cu reactivi lichizi și, în final, prin hidrogenarea catalitică a acestora sau spălarea ABC cu azot lichid.
Pentru a elimina monoxidul de carbon (IV) și hidrogenul sulfurat, ABC-urile sunt spălate în turnuri împachetate cu reactivi alcalini care formează săruri instabile termic cu ei: o soluție apoasă de etanolamină sau o soluție fierbinte de carbonat de potasiu activată prin adăugarea de dietanolamină. În acest caz, au loc următoarele reacții:
H 2S+CH 2OH-CH 2NH 2+HS- - ?Н,
ASA DE 2+ K 2CO3 + H 2Oh? 2KNSO3 - ?N.
Monoxidul de carbon (II) este îndepărtat din ABC prin spălare cu o soluție de cupru-amoniac de acetat de cupru:
CO + NH3 + +Ac? +Ac -?H,
unde: AC \u003d CH3 SOO.
Absorbanții utilizați pentru chimisorbție formează compuși instabili cu cei absorbiți din ABC. Prin urmare, atunci când soluțiile lor sunt încălzite și presiunea este redusă, impuritățile dizolvate sunt desorbite, ceea ce facilitează regenerarea absorbantului, returnarea acestuia în proces și asigurarea ciclurilor de funcționare a absorbției conform schemei:
unde: P este amestecul absorbit din ABC, A este absorbantul, PA este combinația dintre amestec și absorbant.
O metodă mai eficientă de curățare a ABC de monoxid de carbon (II) este spălarea ABC cu azot lichid la -190 °C, care se folosește în instalațiile moderne, timp în care, pe lângă monoxidul de carbon (II), metanul și argonul sunt. scos din ea.
Purificarea finală a ABC se realizează prin hidrogenarea catalitică a impurităților, numită metanizare sau pre-cataliză. Acest proces se desfășoară în unități speciale de metanizare (Fig. 14.6) la o temperatură de 250-300 ° C și o presiune de aproximativ 30 MPa pe un catalizator de nichel-aluminiu (Ni + Al 2O 3). În acest caz, au loc reacțiile exoterme de reducere a impurităților care conțin oxigen la metan, care nu este o otravă pentru un catalizator de fier, iar apa se condensează atunci când gazul purificat este răcit și este îndepărtat din acesta:
CO + ZN 2? CH 4 + H 2ESTE EL,
ASA DE 2+ 4 ore 2?CH 4 + 2H 2ESTE EL,
DESPRE 2+ 2H 2-2H 2ESTE EL
Orez. 14.6. Schema instalației de metanizare ABC: 1 - compresor, 2 - încălzitor, 3 - reactor de metanizare, 4 - încălzitor de apă, 5 - condensator, 6 - dezumidificator
Dacă în precataliză se folosește un catalizator de fier, în timpul procesului de hidrogenare se formează și amoniac, caz în care precataliza se numește suflare.
Procesul de metanizare este simplu, ușor de controlat, iar căldura degajată ca urmare a reacțiilor de hidrogenare exotermă în desfășurare este utilizată în schema energetico-tehnologică generală pentru producerea amoniacului. ABC purificat furnizat pentru sinteză conține până la 0025 vol. cota de argon, 0,0075 vol. cota de metan și nu mai mult, 00004 vol. ponderea monoxidului de carbon (II), care este cea mai puternică otravă catalitică.
Procesul de sinteză a amoniacului se bazează pe o reacție exotermă reversibilă care are loc cu o scădere a volumului gazului:
2+3H 2+2NH 3+Q.
În conformitate cu principiul Le Chatelier, pe măsură ce presiunea crește și temperatura scade, echilibrul acestei reacții se deplasează spre formarea amoniacului. Pentru a asigura viteza optimă a procesului, sunt necesare un catalizator, o presiune crescută, o temperatură de 400 ... 500 ° C și o anumită viteză volumetrică a componentelor care intră în reacție. În industrie, se folosește un catalizator de fier cu aditivi de oxizi de Al. 2DESPRE 3, LA 2O, CaO și SiO2 .
Există următoarele sisteme industriale de unități de sinteză a amoniacului: joasă presiune (10 ... 20 MPa), medie (20 ... 45 MPa) și înaltă presiune (60 ... 100 MPa). În practica mondială, sistemele de presiune medie sunt utilizate pe scară largă, deoarece în acest caz problemele separării amoniacului dintr-un amestec de azot-hidrogen sunt rezolvate cu cel mai mare succes la o viteză de proces suficient de mare.
CH 4+ H2 DESPRE? CO + 3H 2
Are loc arderea parțială a hidrogenului în oxigenul atmosferic:
H 2+ O 2 = H 2O (abur)
Ca urmare, în această etapă, se obține un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon (II) și azot.
Unitatea principală a instalației de producere a amoniacului este coloana de sinteză (Fig. 1.1). Coloana tubulară în sistemul de presiune medie este un cilindru 4 din oțel crom-vanadiu cu o grosime a peretelui de până la 200 mm, un diametru de 1 ... 1,4 m și o înălțime de aproximativ 20 m. De sus și dedesubt. este închis cu capace din oțel 2.
Din punct de vedere structural, coloanele diferă în principal prin dimensiunea corpului și dispozitivul ambalajului intern. În partea superioară a coloanei luate în considerare se află o cutie de catalizator 3, iar în partea inferioară se află un schimbător de căldură 8, care asigură procesul autotermic. Cutia de catalizator este conectată la schimbătorul de căldură printr-un tub central 7. Corpul coloanei are izolație termică 5. Catalizatorul este încărcat pe grătarul 6. Pentru a asigura o distribuție uniformă a temperaturii, în patul de catalizator se introduc țevi duble 1.
Orez. 1.1. Coloana de sinteză a amoniacului cu tuburi duble de schimb de căldură în contracurent
În prezent, coloanele de sinteză a amoniacului sunt combinate cu cazane de abur pentru recuperarea căldurii reziduale (1 tonă de amoniac reprezintă 0,6...1 tonă de abur la o presiune de 1,5...2 MPa). Coloanele de sinteză de amoniac la presiune medie au o capacitate de aproximativ 150 de tone de amoniac pe zi și funcționează fără a înlocui catalizatorul timp de patru ani.
În sinteza amoniacului la presiune medie (Fig. 1.1), un amestec de azot-hidrogen (N 2:N 2=1:3) este alimentat în coloana 1, unde amoniacul este sintetizat pe catalizator; un amestec gazos azot-hidrogen-amoniac părăsește coloana (conținut de amoniac - 14 ... 20%), având o temperatură de aproximativ 200 ° C. Acest amestec este trimis la răcitorul de apă 2, răcit la 35 °C și intră în separatorul 3. Aici, până la 60% din amoniacul format în coloană este eliberat din gaz (la o presiune de 30 MPa, amoniacul nu poate condensa complet în frigider). Amoniacul este eliberat mai complet atunci când amestecul de azot-hidrogen este răcit la temperaturi mai scăzute. Acest amestec cu reziduuri de amoniac din separatorul 3 este trimis la compresorul de circulație 4 și apoi la filtrul 6 pentru a separa uleiul compresorului. La intrarea în filtru, la gazele circulante se adaugă un amestec proaspăt de azot-hidrogen, comprimat la presiunea de lucru cu ajutorul unui compresor cu mai multe trepte 5. Din filtru, amestecul de gaz este alimentat în sistemul de condensare secundar de amoniac, format din o coloană de condensare 7 și un evaporator de amoniac lichid 8. În coloana de condensare, gazul este prerăcit într-un schimbător de căldură situat în partea superioară a coloanei și apoi trimis la evaporatorul 8, unde, datorită evaporării amoniacul lichid care intră, gazul este răcit la -5 ° C și amoniacul este condensat din gaz la un conținut rezidual de aproximativ 2,5% NH3 în el. Amoniacul condensat este eliberat în partea inferioară a coloanei condensatorului 7, care este separatorul. După separarea amoniacului, amestecul de azot-hidrogen răcește gazul care intră în el în partea superioară a coloanei 7 și apoi este trimis din nou în coloana de sinteză 1.
În cazul sintezei amoniacului la o presiune mai mare (45 MPa și mai mare), nu este nevoie de condensarea sa secundară, deoarece conținutul de amoniac rezidual din amestecul de azot-hidrogen la ieșirea din răcitorul de apă este nesemnificativ.
Orez. 17.16. Schema instalatiei pentru sinteza amoniacului la presiune medie
Descrierea procesului tehnologic de producere a amoniacului și a caracteristicilor acestuia.
. Metoda arcului.Metoda arcului constă în suflarea aerului prin flacăra unui arc electric. La o temperatură de aproximativ 3000 ° C, are loc o reacție reversibilă
2 + O 2?2NU - Q.
Oxidul azotic rezultat (II) poate fi oxidat în oxid azotic (IV) și procesat în acid azotic și alți compuși. Pentru a obține 1 tonă de azot legat prin această metodă, se consumă 60.000 ... 70.000 kWh de energie electrică.
2. Metoda cianamidei.Primul proces industrial care a fost folosit pentru a produce amoniac a fost procesul cu cianamidă. Când au fost încălzite var CaO și carbon, s-a obținut carbură de calciu CaC2. Carbura a fost apoi încălzită sub azot pentru a da cianamidă de calciu CaCN2; mai mult amoniac a fost obținut prin hidroliza cianamidei:
CaCN 2(tv) + 3H 2O = 2NH 3? + CaCO3 (TELEVIZOR)
Acest proces necesita multă energie și a fost neprofitabil din punct de vedere economic.
Procesul modern de obținere a amoniacului se bazează pe capacitatea carburii de calciu măcinate fin la o temperatură de aproximativ 1000 ° C de a interacționa cu azotul conform ecuației
CaS 2+ N 2= CaCN2 + C + 302 kJ
Ponderea producției de azot legat prin metoda cianamidei este foarte mică.
Metoda de fixare a azotului cu amoniac constă în sinteza sa din azot și hidrogen folosind un catalizator special:
2+ 3 ore 2? 2NH3 ? + 45,9 kJ
Această metodă are un avantaj economic și tehnologic față de alte metode de fixare a azotului elementar.
3. Metoda amoniacului.Metoda amoniacului de legare a azotului atmosferic constă în combinarea azotului cu hidrogenul și obținerea amoniacului:
N 2+3H 2-2NH 3+Q.
Este cel mai economic (consumul de energie electrică este de 4000…5000 kWh la 1 tonă de amoniac), mai ușor de implementat din punct de vedere tehnologic în comparație cu alte metode de fixare a azotului atmosferic. În producția totală de compuși cu azot, peste 90% este reprezentată de amoniac. Hidrogenul pentru această reacție se obține prin cracarea termică a hidrocarburilor, prin acțiunea vaporilor de apă asupra cărbunelui sau fierului, prin descompunerea alcoolilor cu vaporii de apă sau prin electroliza apei.
4. O variantă a metodei amoniacului.În 1909, a fost dezvoltată o metodă originală pentru producerea simultană de amoniac și oxid de aluminiu din bauxită prin nitrură de aluminiu, conform schemei prezentate în Fig. 14.4.
Orez. 14.4. Producția de amoniac din bauxită
Instalaţii industriale după această metodă au fost construite în perioada 1909-1918. într-un număr de țări, dar metoda nu și-a găsit aplicație din cauza eficienței scăzute a producției.
Scheme chimice și principale de producție.
Etapa principală a procesului de sinteză a amoniacului dintr-un amestec nitric-hidrogen este descrisă de ecuația:
N 2+ 3H2 = 2NH 3
Cu toate acestea, deoarece metoda predominantă de producere a ABC este reformarea metanului cu aer și abur, schema chimică pentru producerea amoniacului include, pe lângă această reacție, mai multe reacții de reformare cu aer și abur:
CH 4+ H 2O = ZH2 + CO,
CH 4+ 0,5O 2(N 2) = 2H 2 (N 2) + CO
și conversia ulterioară a monoxidului de carbon (II) în monoxid de carbon (IV):
CO + H 2O = H2 + CO 2
coloană de absorbție a producției de amoniac
După îndepărtarea monoxidului de carbon (IV) din amestecul de gaze și corectarea compoziției acestuia, se obține ABC cu un conținut de azot și hidrogen în raport de 1: 3.
Astfel, producția modernă de amoniac constă în două etape: prepararea ABC și conversia acestuia în amoniac, reprezentând o singură schemă energetico-tehnologică care combină operațiunile de obținere a ABC, purificarea și sinteza amoniacului și utilizează eficient efectele termice ale tuturor etapelor de amoniac. proces, care permite reducerea de mai multe ori a costurilor cu energia electrică.
Orez. 14.7. Schema schematică a producției de amoniac
1 - purificarea gazelor naturale din compuși ai sulfului, 2 - reformarea metanului cu abur, 3 - reformarea metanului în aer, 4 - conversia monoxidului de carbon (II), 5 - purificarea prin chimisorbție a ABC, 6 - metanarea, 7 - sinteza amoniacului , 8 - amoniac de absorbție, 9-compresie amoniac, I-gaz natural, II-gaz transformat, III-ABC, IV-metan
Schema de bază a producției de amoniac constă din trei etape:
Prima etapă este producerea de ABC (amestec de azot):
I operațiune: purificarea gazelor naturale din compuși ai sulfului;
I operare: conversia cu abur a metanului;
I operare: transformarea aerului a metanului;
Operația I: conversia monoxidului de carbon (II).
A doua etapă este purificarea gazului din impuritățile de balast și impuritățile care otrăvesc catalizatorul:
Operația I: purificarea ABC prin metode de absorbție din monoxid de carbon (II) și monoxid de carbon (IV);
Operația I: purificarea fină a ABC de monoxid de carbon (II) și monoxid de carbon (IV) prin metanizare sau pre-cataliză.
A treia etapă este sinteza amoniacului din ABC în prezența unui catalizator.
Îndrumare
Ai nevoie de ajutor pentru a învăța un subiect?
Experții noștri vă vor consilia sau vă vor oferi servicii de îndrumare pe subiecte care vă interesează.
Trimiteți o cerere indicând subiectul chiar acum pentru a afla despre posibilitatea de a obține o consultație.
Instituție de învățământ municipală
școala secundară Novosafonovskaya
Producția de amoniac: o scurtă descriere
districtul Prokopevsky 2006
Introducere
1. Metode de obţinere a amoniacului
2. Procesul modern de producere a amoniacului
Lista literaturii folosite
Introducere
Obiectivul economic general al fiecărei întreprinderi chimice este de a produce produse chimice de înaltă calitate și în cantitate suficientă pentru a obține profit. Legat de aceasta este cerința ca toate resursele să fie utilizate cât mai eficient posibil. Cu toate acestea, acest lucru poate fi realizat numai dacă procesul chimic în sine este cât mai eficient posibil. În industria chimică, în locul conceptului de „reactivi”, se folosesc mult mai des termenii „materii sursă”, „materii prime” sau pur și simplu materii prime, uneori „minereu”. Pentru ca orice proces să fie justificat economic, este necesar să se obțină randamentul optim al produsului țintă din materii prime. Randamentul optim nu este neapărat același cu randamentul teoretic sau chiar cu randamentul maxim realizabil. Obținerea randamentului maxim realizabil poate necesita, de exemplu, un consum prea mare de materie primă scumpă, sau un proces prea lung, sau se creează condiții extreme (temperaturi sau presiuni foarte ridicate), pline de situații de urgență periculoase etc., - toate dintre care pot face ca randamentul maxim realizabil să fie neeconomic.
Randamentul real al fiecărui proces chimic particular poate depinde de o serie de factori, principalii fiind temperatura, presiunea, prezența unui catalizator, puritatea materiilor prime și eficiența extracției produsului final. Producția industrială de substanțe presupune o excelentă cunoaștere a tiparelor teoretice ale reacțiilor chimice (energetica reacțiilor chimice, cinetică și cataliză chimică, echilibru chimic).
Toți factorii enumerați mai jos sunt importanți, mai ales când vine vorba de o astfel de producție pe scară largă, cum ar fi, de exemplu, producția de amoniac.
Proiectanții de fabrici chimice creează instalații grele pentru producția de amoniac. De exemplu, au fost create instalații care produc 1000-1200 de tone de amoniac pe zi. În prezent, aproximativ 5 milioane de tone de amoniac sunt produse anual în întreaga lume.
1. Metode de obţinere a amoniacului
desulfurizant de proces cu amoniac cianamidă
Primul proces industrial care a fost folosit pentru a produce amoniac a fost procesul cu cianamidă. Când au fost încălzite var CaO și carbon, s-a obținut carbură de calciu CaC2. Carbura a fost apoi încălzită sub azot pentru a da cianamidă de calciu CaCN2; mai mult amoniac a fost obținut prin hidroliza cianamidei:
CaCN2 (tv) + 3H2O \u003d 2NH3 + CaCO3 (tv)
Acest proces necesita multă energie și a fost neprofitabil din punct de vedere economic.
În 1908, chimistul german F. Gaber a descoperit că amoniacul poate fi obținut din hidrogen și azot atmosferic pe un catalizator de fier. Prima plantă care a produs amoniac folosind această metodă a folosit hidrogen, care a fost obținut prin electroliza apei. Ulterior, hidrogenul a început să se obțină din apă prin reducere cu cocs. Această metodă de producere a hidrogenului este mult mai economică. După descoperirea lui Haber, producția de amoniac a început să crească rapid, acest lucru nu este surprinzător, deoarece sunt necesare cantități uriașe de amoniac pentru a produce îngrășăminte care conțin azot. Aproximativ 80% din tot amoniacul produs în lume este folosit pentru fabricarea lor. Împreună cu îngrășămintele care conțin azot, azotul este introdus în sol într-o formă solubilă, de care au nevoie majoritatea plantelor. Restul de ≈20% din amoniacul produs este folosit pentru a face polimeri, explozivi, coloranți și alte produse.
Procesul modern de obținere a amoniacului se bazează pe sinteza acestuia din azot și hidrogen folosind un catalizator special:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)
Deoarece această reacție este reversibilă, se pune întrebarea: la ce temperaturi și presiuni este cel mai avantajos să se obțină randamentul maxim
produs? Deoarece reacția este exotermă, reiese clar din principiul lui Le Chatelier că, cu cât temperatura procesului este mai scăzută, cu atât echilibrul se va deplasa spre formarea amoniacului și se poate presupune că temperatura ar trebui scăzută cât mai mult posibil. Dar, în realitate, totul este mai complicat: la temperaturi scăzute, reacția practic nu are loc, așa că trebuie făcută o soluție de compromis. Deoarece este necesară o temperatură scăzută pentru a stabili starea optimă de echilibru a reacției și este necesară o temperatură ridicată pentru a obține o viteză satisfăcătoare, în practică procesul se desfășoară la o temperatură de ≈ 400–500 °C.
Dar chiar și la o temperatură atât de ridicată, prezența unui catalizator special este necesară pentru a obține o viteză de reacție suficientă. Ca catalizator se folosește fierul burete activat cu oxizi de potasiu și aluminiu.
Din ecuația reacției se poate observa că numărul total de moli scade de la 4 la 2. Conform principiului lui Le Chatelier, în acest caz este avantajos să se efectueze procesul prin creșterea presiunii. Dar această concluzie este doar calitativă, în practică este necesar să știm exact cât de mult va crește producția de NH3 (cu 10% sau doar 0,1%) odată cu creșterea presiunii. Tabelul 1 cuantifică efectul temperaturii și presiunii asupra randamentului de amoniac (procentul de amoniac în amestecul de echilibru) din reacție.
Acest tabel arată că o creștere a temperaturii la orice presiune reduce semnificativ conținutul de amoniac din amestecul de gaze, cu toate acestea, la temperaturi sub 500 ° C, viteza de reacție este foarte scăzută, prin urmare, în practică, procesul se desfășoară de obicei la o temperatura de 450°C.
tabelul 1
În ceea ce privește presiunea, aici se folosesc presiuni de ordinul 300 - 100 atm, dar cel mai adesea presiunea „medie” este ≈ 250 atm. Deși în aceste condiții doar aproximativ 20% din materiile prime sunt transformate în amoniac, totuși, ca urmare a utilizării unei scheme tehnologice circulante (reintroducerea în reacție a H2 și N2 nereacționat), gradul total de conversie a materiilor prime la amoniac este foarte mare.
2. Procesul modern de producere a amoniacului
Munca unei plante moderne de amoniac este foarte complexă. Această afirmație pare surprinzătoare dacă ne „concentram” doar pe ecuația de reacție destul de simplă (1), care este baza pentru sinteza amoniacului. Cu toate acestea, afirmația despre complexitatea sintezei industriale a amoniacului nu va părea excesivă după prima cunoaștere cu schema de funcționare a unei instalații de amoniac care funcționează pe gaze naturale (Fig. 1). Primul pas în procesul de sinteză a amoniacului include un desulfurizant. Un desulfurizator este un dispozitiv tehnic pentru îndepărtarea sulfului din gazele naturale. Acesta este un pas absolut necesar, deoarece sulful este o otravă catalitică și „otrăvește” catalizatorul de nichel în etapa ulterioară a producției de hidrogen.
A doua etapă a sintezei industriale a amoniacului presupune conversia metanului (producția industrială de hidrogen). Conversia metanului este o reacție reversibilă care are loc la 700–800 °C și o presiune de 30–40 atm folosind un catalizator de nichel atunci când metanul este amestecat cu vapori de apă:
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (2)
Hidrogenul format prin această reacție, s-ar părea, poate fi deja utilizat pentru sinteza amoniacului conform reacției (1) - pentru aceasta este necesar să se introducă aer care conține azot în reactor. Acest lucru se face în etapa (3), dar în această etapă au loc alte procese.
Are loc arderea parțială a hidrogenului în oxigenul atmosferic:
2H2 + O2 \u003d H2O (abur)
Ca urmare, în această etapă, se obține un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon (II) și azot. Vaporii de apă, la rândul lor, se reduc din nou odată cu formarea hidrogenului, ca și în a doua etapă a celei de-a doua etape, conform acestora, după primele trei etape există un amestec de hidrogen, azot și monoxid de carbon „indezirabil” (II ).
În Fig. 1, etapa (4) este desemnată ca o reacție de „deplasare”, dar poate avea loc la două regimuri de temperatură și catalizatori diferiți. Oxidare
CO, format în cele două etape anterioare, la CO2 se realizează tocmai în conformitate cu această reacție:
CO + H2O (abur) ↔ CO2 + H2 (3)
Procesul de „forfecare” se realizează secvenţial în două „reactoare de forfecare”. În primul dintre ele, se folosește catalizatorul Fe3O4 și procesul are loc la o temperatură suficient de ridicată de aproximativ 400 °C. Al doilea proces folosește un catalizator de cupru mai eficient și poate fi rulat la o temperatură mai scăzută.
La gradul al cincilea, monoxidul de carbon (IV) este „spălat” din amestecul de gaz prin absorbție cu o soluție alcalină:
KOH + CO2 = K2CO3.
Reacția de „schift” (3) este reversibilă, iar după a 4-a etapă, de fapt, ≈ 0,5% CO mai rămâne în amestecul de gaze. Această cantitate de CO este suficientă pentru a ruina catalizatorul de fier în etapa principală a sintezei amoniacului (1). În a 6-a etapă, monoxidul de carbon (II) este îndepărtat prin reacția de conversie cu hidrogen în metan pe un catalizator special de nichel la temperaturi de 300–400 °C:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
Amestecul gazos, care conține acum ≈ 75% hidrogen și 25% azot, este comprimat; presiunea acestuia crește în același timp de la 25 - 30 la 200 - 250 atm. În conformitate cu ecuația Klaiperon-Mendeleev, o astfel de compresie duce la o creștere foarte bruscă a temperaturii amestecului. Imediat după comprimare, este necesar să se răcească la 350 - 450 °C. Acest proces este descris cu acuratețe prin reacție (1).
Lista literaturii folosite
1.N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. Chimie. Teorie și sarcini. - M .: ONIX secolul XXI, „Lumea și educația”, 2003.