От какво се получава амоняк? Суровини за производство на амоняк

Цели на урока.

образователен- по време на урока, за да се осигури формирането на нови знания на учениците за амоняка, неговата структура, свойства, производство и употреба.
Помислете за структурата на молекулата на амоняка. Запознайте учениците с водородната връзка. Разгледайте свойствата на амоняка. Помислете за донорно-акцепторния механизъм на образуване на химична връзка
Образователни- способността за сравняване, обобщаване, развиване на мислене, интерес към темата.
Образователни- поведение в кабинета по химия, наблюдателност при гледане на видео, за формиране на информационна и комуникативна култура.

Оборудване. Амонячна вода, кристален NH4Cl и Ca(OH)2, фенолфталеин, устройство за получаване на газове, HCl (конц), KMnO4 (за получаване на O2), KI, нишесте, лакмус, кристализатор, цилиндър, стъклени пръчици, лабораторен стенд.

ПО ВРЕМЕ НА ЗАНЯТИЯТА

I. Актуализиране на опорни знания.

Правим химическа тренировка.

а) назовете възможните степени на окисление на азота,

б) в какви случаи азотът ще прояви окислителни свойства и в кои - редуциращи?

в) избройте физичните свойства на азота.

г) на какво се дължи химическата инертност на азота?

д) при какви условия азотът реагира с други вещества?

д) Под каква форма се среща азотът в природата?

з) каква е ролята на азота в живота на природата?

II. Учене на нов материал.

1. Структурата на молекулата.

Когато отворите вратата на хладилника, усещате студ. И така, какво вещество причинява това явление?

Работете по двойки.

Инструкция номер 1.

1. Напишете уравненията на реакцията на водородните съединения на азота.

2. Начертайте електронната и структурната формула на това съединение.

3. Определете химичната връзка в тази молекула.

4. Каква особеност на електронната структура виждате в азотния атом?

Учениците работят самостоятелно по двойки с учебник стр. 47-48

След това проверяваме правилността на изпълнената задача чрез мултимедия (слайд № 1, 2, 3 и 4) Презентация .

2. Определете физичните свойства на амоняка.

Проблемен въпрос.Каква е причината за добрата разтворимост на амоняка във вода?

Кристалната решетка на амоняка е молекулярна; молекулата е лека, но за разлика от молекулата на азота е полярна.

Следователно какви точки на кипене и топене трябва да има амонякът?

Ученици: може да се предположи, че - ниски.

Тъй като полярността на молекулата прави възможно свързването на електростатичните сили на привличане с прости междумолекулни сили.

Структурата на молекулата също така позволява да се предвиди добра разтворимост във вода.

Това се дължи на появата между неговите молекули на специална химична връзка - водород. (слайд номер 5). Азотният атом има свободна електронна двойка в молекулата на амоняка, наличие на частичен (+) заряд на водородния атом и наличие на частичен (-) заряд на азотния атом.

Водородът е връзката между водородните атоми на една молекула и атомите на електроотрицателните елементи на друга молекула (F, O, N). (слайд номер 5)

Заключение: когато налягането се увеличи, амонякът преминава в течно състояние. Изпаряването на течен амоняк с намаляване на налягането е придружено от силно охлаждане на околните предмети. Това свойство се използва в хладилни агрегати.

Амонякът е безцветен газ.
Гъделичка устата му.
Боде в носа и щипе в очите.
Амонякът е отровен!
Амонякът е разтворител.
Промени от газ към течност
Амонякът е диамагнетик.
Освен това не провежда ток.
сух амоняк
Експлодира във въздуха.
Разтваря се във вода.
Експлозиви, торове

Това не е пълен списъкприложението му.

3. Получаване на амоняк в лаборатория.

Ние демонстрираме опит. Загряваме сместа от амониев хлорид с калциев хидроксид.

2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2NH 3 + H 2 O

Полученият амоняк се разтваря във вода, към която добавяме фенолфталеин. Разтворът на амоняк става лилав.

Защо разтворът на амоняк става лилав?

студенти: хидроксиден йон, присъстващ в разтвор, алкална среда.

Учител. В амонячната вода по-голямата част от амоняка е под формата на молекули NH3, равновесието е изместено наляво (тъй като NH3 е слаб електролит) и такава вода съдържа много молекули NH3, така че мирише на амоняк. Показвам как правилно да боравите с разтвори на силно миришещи вещества.

Ние демонстрираме обезцветяването на амонячна вода, оцветена с фенолфталеин при нагряване.Защо се случи това?

студенти: слаба връзка.

При нагряване разтворимостта на газовете (NH3-газ) намалява, амонякът се изпарява, реакционното равновесие се измества още повече наляво, хидроксидният йон (ОН) практически не остава в разтвора. Водният разтвор става неутрален.

Проблемен въпрос:от какви суровини и по какви начини могат да се произвеждат азотни торове?

студентиПредполага се, че от азота на въздуха.

Тази задача беше поставена на руската наука от Д. И. Менделеев, който пише: "Една от задачите на приложната химия е да намери технически изгоден метод за получаване на съединения, съдържащи усвоим азот от азот във въздуха. Бъдещето на селското стопанство зависи много от откриването на такъв метод."

Най-рентабилният начин за промишлено свързване на атмосферния азот е синтезът на амоняк от азот и водород:

Учител: Опишете тази реакция.

студенти:

екзотермичен
обратими
каталитичен
разнородни
с намаляване на обема

Учител: Какви условия на изместване на равновесието са необходими за увеличаване на добива на амоняк?

студенти: понижаване на температурата, повишаване на налягането.

Производството на амоняк е ниско и е нерентабилно да се извършва промишлен синтез с такива показатели.

Обсъждаме със студентите възможността за увеличаване на практическия добив на амоняк.Важен критерий за ефективността на производството е производителността на реактора. Анализът на количествените данни за нарастването на концентрацията на амоняк в сместа азот-водород по време на реакцията ни позволява да заключим, че производителността на реактора може да бъде увеличена чрез намаляване на времето за реакция. Това намалява производството на амоняк при преминаване на газовата смес през реактора и нереагиралият газ може да бъде върнат в производството. По този начин идеята за циркулация е важен технологичен принцип, икономически целесъобразен, повишаващ производителността на реактора. Необходими са изисквания за качеството на суровините, тя трябва да съдържа възможно най-малко примеси, като аргон, метан. Суровините трябва да бъдат добре почистени от вещества, токсични за катализатора (например серни съединения). Катализаторът за синтеза на амоняк е желязото, активирано чрез добавки (алуминиеви и калиеви оксиди), за да се получи висока стабилна активност.

4. Образуването на амониевия катион протича по донорно-акцепторния механизъм.

Азотният атом има свободна електронна двойка, поради което се образува друга ковалентна връзка с водородния катион, който преминава към амоняк от водни или киселинни молекули. (слайд номер 6)

По този механизъм към молекулата на амоняка се присъединява водородният катион +Н от водната молекула и се образува йонът +NH4, в който се образуват три ковалентни връзки по обменния механизъм, а четвъртата по донорно-акцепторния. Всички връзки обаче са равни.

5. Химични свойства.

а) разтворимостта на амоняка във вода.

Демонстриращ опит:спускаме епруветката, пълна с амоняк, в кристализатора с вода, към която се добавя малко фенолфталеин. Водата бързо изпълва епруветката и разтворът на амоняка става пурпурен.

Разтворимостта на амоняка във вода е много висока - в 1 обем вода се разтварят 700 обема амоняк. Защо амонякът се разтваря добре във вода?

студенти. Причината е образуването на водородни връзки.

Учител: каква среда има водният разтвор на амоняк?

студенти: алкален.

Учител: какви свойства трябва да има водният разтвор на амоняк?

студенти: основен.

Какво заключение можем да направим от това?

Заключение: Амонячната вода е основа.

Учител: ако воден разтвор на амоняк е основа, тогава с какви вещества ще взаимодейства?

студенти: с киселини.

Демонстриращ опит:"дим без огън", поднасяме една към друга две стъклени пръчки, навлажнени с концентрирани разтвори на амоняк и солна киселина. Между тези пръчки се появява обилен дим.

Напишете пълни и кратки йонни уравнения реакцията на воден разтвор на амоняк със солна киселина.

Един ученик записва уравнението на реакцията на дъската, след което проверява записите в своите тетрадки.

NH 3 + HCl \u003d NH 4 Cl

Учител: какъв вид сол се е образувала и дайте име?

Учениците назовават тази сол.

Образуването на амониев катион при взаимодействие с киселини протича по донорно-акцепторния механизъм.

Обръщаме внимание на учениците, че донорът е азот, а акцепторът е водород, защото. азотът има свободна електронна двойка, а водородът има свободна орбитала.

В амоняка азотът има по-ниско s.d. (-3).

И така, какво ще бъде амонякът в редокс реакциите?

Вижте видеото за взаимодействието на амоняка с кислорода (със и без катализатор).

След като изгледах видеото, моля момчетата да напишат уравненията на реакциите с кислорода, запишете s.d. и коефициенти по метода на електронния баланс.

Проверяваме правилността на писане на уравнения (слайд № 7, 8)

Заключение: азотът в амоняка има по-нисък d.d. (-3), следователно, азотът може да отдава само електрони, увеличавайки своята SD, следователно амонякът проявява само редуциращи свойства. Химичните свойства на амоняка вървят с промяна в s.d. азот и с образуването на ковалентна връзка по донорно-акцепторния механизъм.

III. Поправяне:

а) Как може да се идентифицира амонякът? (чрез миризма; чрез оцветяване на мокра индикаторна хартия - става синя; чрез появата на дим при повдигане на стъклена пръчка, навлажнена с концентрирана солна киселина).

б) какъв тип реакция възниква, когато амонякът реагира с киселини? (връзки)

в) напишете уравненията за реакцията на амоняк с фосфорна киселина и дайте имената на получените соли.

IV. Домашна работа $17 c.52 упражнение 6,7,9- 1 ниво; 6-11- 2-ро ниво. Подгответе бележка за прилагане и стойност на амоняка.

Методи за получаване на амоняк

Суровината за производство на амоняк е азотно-водородна смес (ABC) със стехиометричен състав N2:H2 = 1:3 гориво, конверсия природен газ(фиг. 14.5).

Ориз. 14.5. Суровини за производство на амоняк

Структурата на суровинната база за производство на амоняк се промени и над 90% от амоняка се произвежда на базата на природата - 14.3 показва динамиката на промените в структурата на основните видове суровини за производство на амоняк.

Таблица 14.3. Промени в суровинната база на производството на амоняк

Азотно-водородната смес, независимо от метода на нейното приготвяне, съдържа примеси от вещества, някои от които са каталитични отрови, причиняващи както обратими (кислород, въглеродни оксиди, водни пари), така и необратими ( различни връзкиотравяне със сяра и фосфор) катализатор.

За да се отстранят тези вещества, ABC се подлага на предварителна обработка, чиито методи и дълбочина зависят от тяхното естество и съдържание, тоест от метода на производство на ABC. Обикновено ABC, получен чрез преобразуване на природен газ, съдържа въглероден оксид (IV ), метан, аргон, следи от кислород и до 0,4% об. въглероден окис (II).

Абсорбция с течни акцептори (мокър метод) и адсорбция с твърди акцептори (сух метод) се използват в промишлеността за пречистване на ABC. В същото време процесът на почистване може да се извърши на различни етапи от производството:

Изходен газ преди подаването му за преобразуване;

преобразуван газ за отстраняване на въглероден окис (IV) от него;

Азотна смес непосредствено преди синтеза на амоняк (ABC фино пречистване).

Първите два процеса са разгледани при описанието на съответните отрасли.

Финото пречистване на ABC се постига чрез хемосорбция на примеси с течни реагенти и накрая чрез тяхното каталитично хидрогениране или промиване на ABC с течен азот.

За отстраняване на въглероден оксид (IV) и сероводород, ABC се промиват в опаковани кули с алкални реагенти, които образуват термично нестабилни соли с тях: воден разтвор на етаноламин или горещ разтвор на калиев карбонат, активиран чрез добавяне на диетаноламин. В този случай възникват следните реакции:

з 2S+CH 2OH-CH 2NH 2+HS- - ?Н,

ТАКА 2+ К 2CO3 + H 2О? 2KNSO3 - ?Н.

Въглеродният окис (II) се отстранява от ABC чрез измиване с медно-амонячен разтвор на меден ацетат:

CO + NH3 + +Ac? +Ac -?H,

където: AC \u003d CH3 СОО.

Използваните за хемосорбция абсорбенти образуват нестабилни съединения с абсорбираните от АВС. Следователно, когато техните разтвори се нагряват и налягането се намалява, разтворените примеси се десорбират, което улеснява регенерирането на абсорбента, връщането му в процеса и осигуряване на циклите на работа на абсорбцията по схемата:

където: P е добавката, абсорбирана от ABC, A е абсорбентът, PA е комбинацията от добавката и абсорбента.

| Повече ▼ ефективен методпречистването на ABC от въглероден оксид (II) е измиването на ABC с течен азот при -190 ° C, което се използва в съвременните инсталации, по време на което в допълнение към въглеродния оксид (II) от него се отстраняват метан и аргон.

Окончателното пречистване на ABC се постига чрез каталитично хидрогениране на примеси, наречено метаниране или прекатализа. Този процес се извършва в специални установки за метаниране (фиг. 14.6) при температура 250-300 ° C и налягане около 30 MPa върху никел-алуминиев катализатор (Ni + Al 2О 3). В този случай протичат екзотермични реакции на редукция на съдържащи кислород примеси до метан, който не е отрова за железен катализатор, и водата се кондензира, когато пречистеният газ се охлажда и отстранява от него:

CO + ZN 2? CH 4 + H 2ТОЙ,

ТАКА 2+ 4H 2?CH 4 + 2Н 2ТОЙ,

О 2+ 2H 2?2H 2ТОЙ

Ориз. 14.6. Схема на инсталацията за метаниране ABC: 1 - компресор, 2 - нагревател, 3 - реактор за метаниране, 4 - нагревател за вода, 5 - кондензатор, 6 - изсушител

Ако в предкатализата се използва железен катализатор, в процеса на хидрогениране също се образува известно количество амоняк, в който случай предкатализата се нарича продухване.

Процесът на метаниране е прост, лесен за управление, а отделената топлина от протичащите екзотермични реакции на хидрогениране се използва в общата енергийно-технологична схема за производство на амоняк. Пречистеният ABC, доставен за синтез, съдържа до 0025 об. дял на аргон, 0,0075 об. дял на метан и не повече, 00004 об. дял на въглеродния окис (II), който е най-мощната каталитична отрова.

Процесът на синтез на амоняк се основава на обратима екзотермична реакция, която протича с намаляване на обема на газа:

2+3Н 2+2NH 3+Q.

В съответствие с принципа на Le Chatelier, с увеличаване на налягането и намаляване на температурата, равновесието на тази реакция се измества към образуването на амоняк. За да се осигури оптимална скорост на процеса, е необходим катализатор, повишено налягане, температура от 400 ... 500 ° C и определена обемна скорост на реагиращите компоненти. В промишлеността се използва железен катализатор с добавки от Al оксиди. 2О 3, ДА СЕ 2O, CaO и SiO2 .

Има следните промишлени системи за синтез на амоняк: ниско налягане (10 ... 20 MPa), средно (20 ... 45 MPa) и високо налягане (60 ... 100 MPa). В световната практика широко се използват системи със средно налягане, тъй като в този случай проблемите на отделянето на амоняка от азотно-водородната смес се решават най-успешно при достатъчно висока скорост на процеса.

CH 4+ H2 О? СО + 3Н 2

Настъпва частично изгаряне на водород в атмосферен кислород:

з 2+ О 2 = З 2O (пара)

В резултат на това на този етап се получава смес от водна пара, въглероден оксид (II) и азот.

Основният възел на инсталацията за производство на амоняк е колоната за синтез (фиг. 1.1). Тръбната колона в системата със средно налягане е цилиндър 4, изработен от хром-ванадиева стомана с дебелина на стената до 200 mm, диаметър 1 ... 1,4 m и височина около 20 m. Отгоре и отдолу е затворен със стоманени капаци 2.

Структурно колоните се различават главно по размера на тялото и устройството на вътрешната опаковка. В горната част на разглежданата колона има катализаторна кутия 3, а в долната част има топлообменник 8, който осигурява автотермичния процес. Катализаторната кутия е свързана с топлообменника чрез централна тръба 7. Тялото на колоната има топлоизолация 5. Катализаторът се зарежда върху решетката 6. За да се осигури равномерно разпределение на температурата, двойни тръби 1 се въвеждат в слоя на катализатора.

Ориз. 1.1. Колона за синтез на амоняк с двойни противотокови топлообменни тръби

Понастоящем колоните за синтез на амоняк се комбинират с парни котли за оползотворяване на отпадна топлина (1 тон амоняк представлява 0,6...1 тон пара при налягане 1,5...2 MPa). Колоните за синтез на амоняк със средно налягане имат капацитет от около 150 тона амоняк на ден и работят без смяна на катализатора в продължение на четири години.

При синтеза на амоняк при средно налягане (фиг. 1.1) се получава смес азот-водород (N 2:Н 2=1:3) се подава в колона 1, където на катализатора се синтезира амоняк; газова смес азот-водород-амоняк напуска колоната (съдържание на амоняк - 14 ... 20%) с температура около 200 ° C. Тази смес се изпраща във водния охладител 2, охлажда се до 35 ° C и навлиза в сепаратора 3. Тук до 60% от амоняка, образуван в колоната, се освобождава от газа (при налягане от 30 MPa амонякът не може да кондензира напълно в охладителя). Амонякът се освобождава по-пълно, когато сместа азот-водород се охлади до по-ниски температури. Тази смес с остатъци от амоняк от сепаратора 3 се изпраща към циркулационния компресор 4 и след това към филтъра 6 за отделяне на компресорното масло. На входа на филтъра към циркулиращите газове се добавя прясна азотно-водородна смес, компресирана до работно налягане с помощта на многостепенен компресор 5. От филтъра газовата смес се подава в системата за вторична кондензация на амоняк, състояща се от кондензационна колона 7 и изпарител на течен амоняк 8. В кондензационната колона газът се охлажда предварително в топлообменник, разположен в горната част на колоната, и след това се изпраща в изпарителя 8, където поради изпарението на входящия течен амоняк, газът се охлажда до -5 ° C и амонякът се кондензира от газа до остатъчно съдържание от около 2,5% NH3 в него. Кондензираният амоняк се отделя в долната част на кондензаторната колона 7, която е сепаратор. След отделянето на амоняка азотно-водородната смес охлажда газа, който влиза в нея в горната част на колона 7, след което отново се изпраща в колона за синтез 1.

В случай на синтез на амоняк при по-високо налягане (45 MPa и по-високо), няма нужда от неговата вторична кондензация, тъй като остатъчното съдържание на амоняк в азотно-водородната смес на изхода на водния охладител е незначително.

Ориз. 17.16. Схема на инсталацията за синтез на амоняк при средно налягане

Описание на технологичния процес за производство на амоняк и неговите характеристики.

. Дъгов метод.Дъговият метод се състои в продухване на въздух през пламъка на електрическа дъга. При температура от около 3000 ° C настъпва обратима реакция

2 + О 2?2NO - Q.

Полученият азотен оксид (II) може да бъде окислен до азотен оксид (IV) и преработен в азотна киселина и други съединения. За получаване на 1 тон свързан азот по този метод се изразходват 60 000 ... 70 000 kWh електроенергия.

2. Цианамиден метод.Първият промишлен процес, използван за производство на амоняк, е цианамидният процес. При нагряване на вар CaO и въглерод се получава калциев карбид CaC2. След това карбидът се нагрява под азот, за да се получи калциев цианамид CaCN2; допълнителен амоняк се получава чрез хидролиза на цианамид:

CaCN 2(телевизор) + 3H 2О = 2NH 3? + CaCO3 (телевизия)

Този процес изискваше много енергия и беше икономически неизгоден.

Съвременният процес за получаване на амоняк се основава на способността на фино смлян калциев карбид при температура около 1000 ° C да взаимодейства с азот съгласно уравнението

CaS 2+ Н 2= CaCN2 + C + 302 kJ

Делът на производството на свързан азот по цианамидния метод е много малък.

Методът на амонячна фиксация на азот се състои в синтеза му от азот и водород с помощта на специален катализатор:

2+ 3H 2? 2NH3 ? + 45,9 kJ

Този метод има икономическо и технологично предимство пред другите методи за фиксиране на елементарен азот.

3. Амонячен метод.Амонячният метод за свързване на атмосферния азот се състои в комбиниране на азот с водород и получаване на амоняк:

н 2+3Н 2?2NH 3+Q.

Той е най-икономичен (консумацията на електроенергия е 4000…5000 kWh на 1 тон амоняк), технологично по-лесен за изпълнение в сравнение с други методи за фиксиране на атмосферен азот. В общото производство на азотни съединения над 90% се падат на амоняка. Водородът за тази реакция се получава чрез термичен крекинг на въглеводороди, действието на водна пара върху въглища или желязо, разлагане на алкохоли с водна пара или електролиза на вода.

4. Вариант на метода с амоняк.През 1909 г. е разработен оригинален метод за едновременно производство на амоняк и алуминиев оксид от боксит чрез алуминиев нитрид съгласно схемата, показана на фиг. 14.4.

Ориз. 14.4. Производство на амоняк от боксит

Промишлени инсталации по този метод са изградени в периода 1909-1918 г. в редица страни, но методът не е намерил приложение поради ниската ефективност на производството.

Химични и принципни схеми на производство.

Основният етап от процеса на синтез на амоняк от азотно-водородна смес се описва с уравнението:

н 2+ 3H2 = 2NH 3

Въпреки това, тъй като преобладаващият метод за производство на ABC е въздушно и парно реформиране на метан, химическата схема за производство на амоняк включва, в допълнение към тази реакция, няколко реакции на въздушно и парно реформиране:

CH 4+ З 2O = ZH2 + CO,

CH 4+ 0,50 2(Н 2) = 2H 2 (N 2) + CO

и последващо превръщане на въглероден оксид (II) във въглероден оксид (IV):

CO + H 2О = Н2 + CO 2

абсорбционна колона за производство на амоняк

След отстраняване на въглероден окис (IV) от газовата смес и коригиране на нейния състав се получава ABC със съдържание на азот и водород в съотношение 1: 3.

По този начин, модерно производствоамоняк се състои от два етапа: подготовка на ABC и превръщането му в амоняк, представляваща единна енергийно-технологична схема, която съчетава операциите за получаване на ABC, неговото пречистване и синтез на амоняк и ефективно използва термичните ефекти на всички етапи на процеса, което позволява няколко пъти да се намалят разходите за енергия.

Ориз. 14.7. електрическа схемапроизводство на амоняк

1 - пречистване на природен газ от серни съединения, 2 - парно реформиране на метан, 3 - въздушно реформиране на метан, 4 - преобразуване на въглероден оксид (II), 5 - хемосорбционно пречистване на ABC, 6 - метаниране, 7 - синтез на амоняк , 8 - абсорбция на амоняк, 9-компресия на амоняк, I-природен газ, II-конвертиран газ, III-ABC, IV-метан

Основната схема на производство на амоняк се състои от три етапа:

Първият етап е производството на ABC (азотна смес):

I операция: пречистване на природен газ от серни съединения;

I операция: парна конверсия на метан;

I операция: въздушна конверсия на метан;

I операция: превръщане на въглероден окис (II).

Вторият етап е пречистване на газа от баластни примеси и примеси, които отравят катализатора:

I операция: пречистване на ABC чрез абсорбционни методи от въглероден оксид (II) и въглероден оксид (IV);

I операция: фино пречистване на ABC от въглероден оксид (II) и въглероден оксид (IV) чрез метаниране или предварителна катализа.

Третият етап е синтез на амоняк от ABC в присъствието на катализатор.

Обучение

Нуждаете се от помощ при изучаването на тема?

Нашите експерти ще съветват или предоставят услуги за обучение по теми, които ви интересуват.
Подайте заявлениепосочване на темата точно сега, за да разберете за възможността за получаване на консултация.

Влиянието на температурата, налягането и катализаторите върху скоростта на реакциите и химичното равновесие се използва активно в химическата промишленост при производството на много химически продукти. В този раздел ще се запознаем с промишлено производствоамоняк и се спираме на това как всички тези фактори влияят върху производството му. След това ще се запознаем с промишленото производство на сярна киселина.

ИНДУСТРИАЛНО ПРОИЗВОДСТВО НА АМОНЯК

В Обединеното кралство има осем завода за амоняк. Съвместната им производителност надхвърля 2 милиона тона годишно. Понастоящем в света се произвеждат около 5 милиона тона амоняк годишно. На фиг. 7.1 нарастването на производството на амоняк се сравнява с нарастването на световното население. Защо е необходимо да се произвежда голям бройамоняк?

Ориз. 7.1. Ръст на световното население и световно производство на амоняк.

Таблица 7.2. Приложения на амоняк и подобни продукти

Необходим е главно за производството на азотсъдържащи торове. производството на торове изразходва приблизително 80% от целия произведен амоняк] Заедно с азотсъдържащите торове, той се прилага в почвата в разтворима форма, от която се нуждаят повечето растения. Останалите 20% от произведения амоняк се използват за производство на полимери, експлозиви и други продукти! Различните приложения на амоняка са изброени в табл. 7.2.

Производство на амоняк

Първият промишлен процес, използван за производство на амоняк, е цианамидният процес. Калциевият карбид се получава чрез нагряване на вар и въглерод. След това калциевият карбид се нагрява под азот, за да се получи калциев цианамид. Амонякът се получава чрез хидролиза на калциев цианамид:

Този процес изискваше много енергия и беше неикономичен.

През 1911 г. Ф. Хабер открива, че амонякът може да се синтезира директно от азот и водород с помощта на железен катализатор. Първият завод за производство на амоняк по този метод използва водород, който се получава чрез електролиза във вода.Впоследствие водородът започва да се получава от вода чрез редукция с кокс. Този метод за производство на водород е много по-икономичен.

Фриц Хабер (1868 1934)

През 1908 г. немският химик Хабер открива, че амонякът може да бъде произведен от водород и атмосферен азот върху железен катализатор. Този процес изисква високо налягане и умерено висока температура. Откритието на Хабер позволява на Германия да продължи да произвежда експлозиви по време на Първата световна война. По това време блокадата на Антантата предотврати вноса в Германия на естествени находища на калиев нитрат (чилийска селитра), който преди това е бил използван като суровина за производството на експлозиви.

Една година след като Хабер разработва процеса на синтез на амоняк, той създава стъклен електрод за измерване на рН (киселинно-алкални свойства) на разтвори (виж глава 10).

Хабер получава Нобелова награда за химия през 1918 г. След като Хитлер идва на власт, Хабер е принуден да емигрира от Германия през 1933 г.

(Производството на азотна киселина и нитрат от амоняк е описано в раздел 1)

Модерен процес на производство на амоняк

Съвременният процес за получаване на амоняк се основава на неговия синтез от азот и водород при температури от 380-450 ° C и налягане от 250 atm с помощта на железен катализатор:

Азотът се получава от въздуха. Водородът се получава чрез редукция на вода (пара) с помощта на метан от природен газ или от нафта. Нафтата (нафта) е течна смес от алифатни въглеводороди, която се получава при преработката на суров нефт (виж гл. 18).

Работата на една съвременна инсталация за амоняк е много сложна. На фиг. Фигура 7.2 показва опростена схема на инсталация за амоняк, работеща с природен газ. Тази схема на действие включва осем етапа.

1-ви етап. Отстраняване на сяра от природен газ. Това е необходимо, тъй като сярата е каталитична отрова (вижте раздел 9.2).

2-ри етап. Производство на водород чрез редукция с водна пара при 750°C и налягане от 30 atm с помощта на никелов катализатор:

3-ти етап. Всмукване на въздух и изгаряне на част от водорода в кислорода на инжектирания въздух:

Резултатът е смес от водна пара, въглероден окис и азот. Водната пара се редуцира с образуването на водород, както във 2-ри етап.

4-ти етап. Окисляване на въглероден оксид, образуван в етапи 2 и 3, до въглероден диоксид чрез следната реакция на "изместване":

Този процес се извършва в два "срязващи реактора". При първия се използва катализатор железен оксид и процесът се провежда при температура от порядъка на 400°C. Вторият използва меден катализатор и процесът се провежда при температура 220°C.

Ориз. 7.2. Етапи на промишления процес за получаване на амоняк.

5-ти етап. Измиване на въглероден диоксид от газова смес с помощта на буфериран алкален разтвор на калиев карбонат или разтвор на някакъв амин, като етаноламин. Въглеродният диоксид в крайна сметка се втечнява и се използва за производство на урея или се освобождава в атмосферата.

6-ти етап. След 4-тия етап в газовата смес остават около 0,3% въглероден окис. Тъй като може да отрови железния катализатор по време на синтеза на амоняк (8-ма стъпка), въглеродният окис се отстранява чрез превръщане на водород в метан върху никелов катализатор при 325°C.

7-ми етап. Газовата смес, която сега съдържа приблизително 74% водород и 25% азот, се компресира; докато налягането му нараства от 25-30 atm до 200 atm. Тъй като това води до повишаване на температурата на сместа, тя веднага се охлажда след компресията.

8-ми етап. Газът от компресора сега влиза в "цикъла за синтез на амоняк". Показаната на фиг. 7.2 дава опростен изглед на този етап. Първо, газовата смес влиза в катализатора, който използва железен катализатор и поддържа температура от 380-450°C. Газовата смес, напускаща този конвертор, съдържа не повече от 15% амоняк. След това амонякът се втечнява и се изпраща в приемния бункер, а нереагиралите газове се връщат в конвертора.

Избор на оптимални условия за процеса на синтез на амоняк

За да бъде процесът на синтез на амоняк възможно най-ефективен и икономичен, е необходимо внимателно да се подберат условията за неговото прилагане. Най-важните показатели, които се вземат предвид в този случай са: 1) производителност, 2) скорост и 3) енергоемкост на процеса. Нека се обърнем към 8-ия етап на процеса, т.е. директно към синтеза на амоняк и да проучим влиянието на налягането, температурата и катализаторите върху ефективността на този процес.

Влияние на налягането. Както бе споменато по-горе, производството на амоняк може да бъде представено със следното уравнение:

Равновесната константа на тази реакция се дава от

Ако изразим парциалните налягания на газовете, включени в този израз, по отношение на техните молни фракции и общото налягане P в системата, получаваме следния израз:

Този израз може да бъде опростен, като му се придаде формата

При дадена температура стойността трябва да остане постоянна. Ако общото налягане P в системата се повиши, членът в горния израз трябва да намалее. От това следва, че тъй като величината трябва да остане постоянна, съотношението трябва да се увеличи. По този начин, увеличаването на общото налягане трябва да доведе до увеличаване и намаляване.Следователно, увеличаването на налягането благоприятства предната реакция, т.е., увеличаване на добива на амоняк.

Влияние на температурата и катализаторите. Синтезът на амоняк е екзотермичен процес (виж таблица 7.1, а). Следователно повишаването на температурата трябва да благоприятства обратната реакция (вижте предишния раздел). Това означава, че понижаването на температурата трябва да увеличи добива на реакцията на синтез на амоняк (фиг. 7.3). За съжаление обаче при ниски температури скоростта на тази реакция, а оттам и скоростта на производство на амоняк, се забавят значително. С други думи, при ниски температури процесът трябва да има ниска производителност и следователно ниска ефективност. За да постигнете оптимална производителност, трябва да изберете компромис между две крайности:

1) висок добив и ниска скорост на реакция (при ниски температури) и

2) нисък добив и висока скорост на реакцията (при високи температури).

Ориз. 7.3. Влияние на температурата и налягането върху добива на амоняк в процеса на Haber (терминът „относителен добив“ е обяснен в раздел 4.2).

Разбира се, скоростта на реакцията се увеличава чрез използване на катализатор. По този начин катализаторът позволява процесът да се извършва по-ефективно при ниски температури. Ефективността на железния катализатор, използван за синтеза на амоняк, се повишава, ако към него се добавят така наречените промотори. Калиеви и алуминиеви оксиди се използват за повишаване на ефективността на железния катализатор.

Подробен преглед на икономиката на процеса на синтез на амоняк показва, че за постигане на оптимален добив и производителност температурата трябва да се поддържа при приблизително 400°С и налягането при 250 atm.

Енергиен баланс

Типичен завод за амоняк произвежда около 1000 тона амоняк дневно. В същото време необходимостта от водна пара е 6000 тона / ден, за да задвижи парните турбини, от които работят компресорите. За щастие химичните процеси, участващи в производството на амоняк, са екзотермични. Цялата енергия, която се освобождава на ранни стадиипроцес на производство на амоняк, се използва за производство на силно компресирана пара. Енергията, освободена директно от самия синтез на амоняк (етап 8), се използва за поддържане на температурата на каталитичния конвертор на 400°C. Общата топлинна ефективност на инсталацията за амоняк е около 60%. С други думи, приблизително 40% от консумираната енергия, която се осигурява от природния газ, е загуба на топлина.

Конструктивни характеристики на инсталация за амоняк

Проектирането на модерна инсталация за амоняк, нейният персонал и експлоатация изискват участието на квалифицирани специалисти и използването на сложно инженерно оборудване. Например, компресорите, използвани в 3-тия етап на процеса за компресиране на въздух и в 7-ия етап за компресиране на синтез газ (смес от азот и водород), трябва да бъдат проектирани да издържат на много високо налягане - в някои случаи до 350 atm. Тези компресори се задвижват от парни турбини, които получават пара при налягане от 100 atm и при температури над 400°C. Такива турбини се въртят със скорост до няколко хиляди оборота в минута.

Реакторите, в които се извършва синтез на амоняк, също трябва да отговарят на много високи изисквания. При повишените налягания и температури, при които работят тези реактори, водородът може да атакува стоманата чрез дифузия в метала. В резултат на това водородът реагира с въглерода, съдържащ се в стоманата, за да образува метан. Това води до образуване на дупки в метала и прави стоманата крехка. За да се предотврати това, реакторите са изградени от специални сплави, съдържащи хром, молибден и никел.

Местоположението на завода за амоняк също е от голямо икономическо значение. В идеалния случай такава инсталация трябва да бъде разположена близо до 1) енергийни източници;

2) източници на вода, които могат да се използват в големи количества;

3) транспортни пътища: магистрали, железници, реки или морета.

Четири завода за амоняк в Обединеното кралство са разположени близо до Билингам на реката. Тей (в Шотландия). Това място беше избрано по едно време поради близостта му до находищата на въглища в Дърам. Той се оказа удобен дори днес поради близостта си до петролни и газови залежи на континенталния шелф на Северно море.

Амонякът (NH3) е съединение на азот и водород. Това е лек газ с остра миризма. Получаването на амоняк в промишлеността и лабораториите е необходимо за производството на торове, полимери, азотна киселина и други вещества.

В индустрията

Амонякът се произвежда индустриално от азот чрез комбинирането му с водород. Азотът се взема от въздуха, водородът - от водата. Методът е разработен за първи път от немския химик Фриц Хабер. Промишленият метод за производство на амоняк започва да се нарича процес на Хабер.

Реакцията протича с намаляване на обема и освобождаване на енергия под формата на топлина:

3H 2 + N 2 → 2NH 3 + Q.

Реакцията е обратима, така че трябва да бъдат изпълнени няколко условия. При високо налягане и ниски температури количеството на произведения амоняк се увеличава. Но ниските температури забавят скоростта на реакцията, а повишаването на температурата увеличава скоростта на обратната реакция.

Емпирично са установени необходимите условия за реакцията:

температура- 500°C;
налягане- 350 атм;
катализатор- железен оксид Fe 3 O 4 (магнетит) с примеси от оксиди на сребро, калий, калций и други вещества.

При тези условия полученият газ съдържа 30% амоняк. За да се избегне обратна реакция, веществото се охлажда бързо. При ниски температури полученият газ се превръща в течност. Неизразходваните газове - азот и водород - се връщат обратно в колоната за синтез. Този метод помага бързо да се получат големи количества амоняк, като се използва максимално суровината.

Ориз. 1. Промишлено получаване на амоняк.

За да се намери правилният катализатор, бяха изпробвани 20 000 различни вещества.

В лабораторията

За получаване на амоняк в лабораторията се използва реакцията на алкали към амониеви соли:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

Също така амонякът може да се получи в лабораторията от амониев хлорид, нагрят заедно с гасена вар или чрез разлагане на амониев хидроксид:

2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O.

Ориз. 2. Получаване на амоняк в лаборатория.

Амонякът може да бъде напълно изсушен с помощта на смес от вар и сода каустик, през която се пропуска полученият газ. За същата цел течният амоняк се смесва с метален натрий и се подлага на дестилация.

Амонякът е по-лек от въздуха, така че епруветката се държи с главата надолу, за да се събере.

Приложение

Амонякът се използва в различни индустрии:

в селско стопанство- за производство на азотсъдържащи торове;
в промишлеността - за производство на полимери, експлозиви, изкуствен лед;
в химията - за производство на азотна киселина, сода;
в медицината - като амоняк.

Ориз. 3. Производство на торове.

Какво научихме?

Амонякът се произвежда по промишлени и лабораторни методи. За производство в промишлен мащаб се използват азот и водород. Смесвайки се при висока температура, налягане и под действието на катализатор, простите вещества образуват амоняк. За да се предотврати протичането на реакцията при висока температура в обратна посока, газът се охлажда. В лабораторията амонякът се получава чрез взаимодействие на амониеви соли с основи, гасена вар или чрез разлагане на амониев хидроксид. Амонякът се използва в химическата промишленост, селското стопанство, медицината и химията.

Тематическа викторина

Доклад за оценка

Среден рейтинг: 4.2. Общо получени оценки: 263.

Съвременният процес за получаване на амоняк се основава на неговия синтез от азот и водород при температури от 380 - 450 0C и налягане от 250 atm с помощта на железен катализатор:

N2 (g) + 3H2 (g) = 2NH3 (g)

2-ри етап. Производство на водород чрез редукция с пара при 750 0C и налягане от 30 atm с помощта на никелов катализатор:

CH4 (g.) + H2O (g.) \u003d CO (g.) + ZN 2 (g.)

3-ти етап. Всмукване на въздух и изгаряне на част от водорода в кислорода на инжектирания въздух:

2H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (g) Резултатът е смес от пара, въглероден окис и азот. Водната пара се редуцира с образуването на водород, както във 2-ри етап.

4-ти етап. Окисляване на въглероден окис, образуван в етапи 2 и 3, до въглероден диоксид чрез следната реакция на "изместване": CO (g) + H2O (g) = CO2 (g) + H2 (g)

Този процес се извършва в два "срязващи реактора". Първият използва катализатор железен оксид и процесът се провежда при температура от около 400 0C.Вторият използва меден катализатор и процесът се провежда при температура 220°C.

5-ти етап. Измиване на въглероден диоксид от газова смес с помощта на буфериран алкален разтвор на калиев карбонат или разтвор на някакъв амин, като етаноламин NH2CH2CH2OH. Въглеродният диоксид в крайна сметка се втечнява и се използва за производство на урея или се освобождава в атмосферата.