À partir de quoi l'ammoniac est-il obtenu? Matières premières pour la production d'ammoniac

Objectifs de la leçon.

éducatif- pendant la leçon, assurer la formation de nouvelles connaissances des élèves sur l'ammoniac, sa structure, ses propriétés, sa production et son utilisation.
Considérez la structure de la molécule d'ammoniac. Initier les élèves à la liaison hydrogène. Découvrez les propriétés de l'ammoniac. Considérez le mécanisme donneur-accepteur de la formation de liaisons chimiques
Éducatif- la capacité de comparer, de généraliser, de développer la réflexion, l'intérêt pour le sujet.
Éducatif- comportement en salle de chimie, observation lors du visionnage d'une vidéo, pour former une culture de l'information et de la communication.

Équipement. Eau ammoniacale, NH4Cl cristallin et Ca(OH)2, phénolphtaléine, dispositif pour obtenir des gaz, HCl (conc), KMnO4 (pour obtenir O2), KI, amidon, test décisif, cristalliseur, cylindre, tiges de verre, support de laboratoire.

PENDANT LES COURS

I. Actualisation des connaissances de base.

Nous faisons un entraînement chimique.

a) nommer les états d'oxydation possibles de l'azote,

b) dans quels cas l'azote montrera-t-il des propriétés oxydantes et dans quels cas - réducteur?

c) énumérer les propriétés physiques de l'azote.

d) quelle est la raison de l'inertie chimique de l'azote ?

e) dans quelles conditions l'azote réagit-il avec d'autres substances ?

e) Sous quelle forme l'azote se présente-t-il dans la nature ?

h) quel est le rôle de l'azote dans la vie de la nature ?

II. Apprendre du nouveau matériel.

1. La structure de la molécule.

Lorsque vous ouvrez la porte du réfrigérateur, vous avez froid. Alors, quelle substance est à l'origine de ce phénomène ?

Travailler en équipe de deux.

Instruction numéro 1.

1. Écrivez les équations de réaction pour les composés hydrogène de l'azote.

2. Dessinez la formule électronique et structurale de ce composé.

3. Déterminez la liaison chimique dans cette molécule.

4. Quelle caractéristique de la structure électronique voyez-vous dans l'atome d'azote ?

Les élèves travaillent en binôme de façon autonome avec un manuel pp. 47-48

Ensuite, nous vérifions l'exactitude de la tâche terminée via le multimédia (diapositives n ° 1, 2, 3 et 4) Présentation .

2. Déterminez les propriétés physiques de l'ammoniac.

Question problématique. Quelle est la raison de la bonne solubilité de l'ammoniac dans l'eau ?

Le réseau cristallin de l'ammoniac est moléculaire ; la molécule est légère, mais contrairement à la molécule d'azote, elle est polaire.

Par conséquent, quels points d'ébullition et de fusion l'ammoniac devrait-il avoir ?

Élèves: on peut supposer que - faible.

Car la polarité de la molécule permet de relier les forces électrostatiques d'attraction à de simples forces intermoléculaires.

La structure de la molécule permet également de prédire une bonne solubilité dans l'eau.

Cela est dû à l'apparition entre ses molécules d'une liaison chimique spéciale - l'hydrogène. (diapositive numéro 5). L'atome d'azote a une paire d'électrons libres dans la molécule d'ammoniac, la présence d'une charge partielle (+) sur l'atome d'hydrogène et la présence d'une charge partielle (-) sur l'atome d'azote.

L'hydrogène est la liaison entre les atomes d'hydrogène d'une molécule et les atomes d'éléments électronégatifs d'une autre molécule (F, O, N). (diapositive numéro 5)

Conclusion : lorsque la pression augmente, l'ammoniac passe à l'état liquide. L'évaporation de l'ammoniac liquide avec une diminution de la pression s'accompagne d'un fort refroidissement des objets environnants. Cette propriété est utilisée dans les groupes frigorifiques.

L'ammoniac est un gaz incolore.
Ça lui chatouille la bouche.
Il pique le nez et pique les yeux.
L'ammoniaque est toxique !
L'ammoniac est un solvant.
Passage du gaz au liquide
L'ammoniac est un diamagnétique.
Il ne conduit pas non plus de courant.
ammoniac sec
Explose dans l'air.
Il se dissout dans l'eau.
Explosifs, engrais

Ce n'est pas liste complète son application.

3. Obtention d'ammoniac en laboratoire.

Nous démontrons l'expérience. Nous chauffons le mélange de chlorure d'ammonium avec de l'hydroxyde de calcium.

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

L'ammoniac obtenu est dissous dans de l'eau, à laquelle nous ajoutons de la phénolphtaléine. La solution d'ammoniac devient violette.

Pourquoi la solution d'ammoniac devient-elle violette ?

étudiants: ion hydroxyde présent en solution, milieu alcalin.

Prof. Dans l'eau ammoniaquée, la majeure partie de l'ammoniac est sous forme de molécules de NH3, l'équilibre est déplacé vers la gauche (car le NH3 est un électrolyte faible) et cette eau contient de nombreuses molécules de NH3, elle sent donc l'ammoniac. Je montre comment manipuler correctement des solutions de substances fortement odorantes.

Nous démontrons la décoloration de l'eau ammoniacale colorée à la phénolphtaléine lorsqu'elle est chauffée. Pourquoi est-ce arrivé?

étudiants: connexion faible.

Lorsqu'il est chauffé, la solubilité des gaz (gaz NH3) diminue, l'ammoniac s'évapore, l'équilibre de la réaction se déplace encore plus vers la gauche, l'ion hydroxyde (OH) ne reste pratiquement pas en solution. La solution aqueuse devient neutre.

Question problématique :à partir de quelles matières premières et de quelles manières peut-on produire des engrais azotés ?

étudiants On suppose que de l'azote de l'air.

Cette tâche a été proposée à la science russe par D.I. Mendeleev, qui a écrit : "L'une des tâches de la chimie appliquée est de trouver une méthode techniquement avantageuse pour obtenir des composés contenant de l'azote assimilable à partir de l'azote de l'air. L'avenir de l'agriculture dépend beaucoup de la découverte d'une telle méthode.

Le moyen le plus rentable de lier industriellement l'azote atmosphérique est la synthèse d'ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène :

Prof: Décrivez cette réaction.

étudiants:

exothermique
réversible
catalytique
hétérogène
avec réduction de volume

Prof: Quelles conditions de déplacement d'équilibre sont nécessaires pour augmenter le rendement en ammoniac ?

étudiants: diminution de la température, augmentation de la pression.

Le rendement en ammoniac est faible et il n'est pas rentable de réaliser une synthèse industrielle avec de tels indicateurs.

Nous discutons avec les étudiants de la possibilité d'augmenter le rendement pratique de l'ammoniac. Un critère important pour l'efficacité de la production est la productivité du réacteur. L'analyse des données quantitatives sur la croissance de la concentration en ammoniac dans le mélange azote-hydrogène au fur et à mesure de la réaction nous permet de conclure que la productivité du réacteur peut être augmentée en réduisant le temps de réaction. Cela réduit la production d'ammoniac par passage du mélange gazeux à travers le réacteur, et le gaz n'ayant pas réagi peut être renvoyé à la production. Ainsi, l'idée de circulation est un principe technologique important, économiquement opportun, augmentant la productivité du réacteur. Des exigences sur la qualité de la matière première sont nécessaires, elle doit contenir le moins possible d'impuretés telles que l'argon, le méthane. Les matières premières doivent être soigneusement nettoyées des substances toxiques pour le catalyseur (par exemple, des composés soufrés). Le catalyseur de la synthèse de l'ammoniac est le fer, activé par des additifs (oxydes d'aluminium et de potassium) pour donner une activité stable élevée.

4. La formation du cation ammonium se déroule selon le mécanisme donneur-accepteur.

L'atome d'azote a une paire d'électrons libres, grâce à laquelle une autre liaison covalente est formée avec le cation hydrogène, qui passe à l'ammoniac à partir de molécules d'eau ou d'acide. (diapositive numéro 6)

Le cation hydrogène +H de la molécule d'eau est ajouté à la molécule d'ammoniac par ce mécanisme et l'ion +NH4 est formé, dans lequel trois liaisons covalentes sont formées par le mécanisme d'échange, et la quatrième par le mécanisme donneur-accepteur. Cependant, toutes les connexions sont égales.

5. Propriétés chimiques.

a) la solubilité de l'ammoniac dans l'eau.

Démonstration d'expérience : on descend l'éprouvette remplie d'ammoniaque dans le cristalliseur avec de l'eau, à laquelle on ajoute un peu de phénolphtaléine. L'eau remplit rapidement le tube à essai et la solution d'ammoniac devient cramoisie.

La solubilité de l'ammoniac dans l'eau est très élevée - 700 volumes d'ammoniac sont dissous dans 1 volume d'eau. Pourquoi l'ammoniac se dissout-il bien dans l'eau ?

étudiants. La raison en est la formation de liaisons hydrogène.

Prof: quel type d'environnement une solution aqueuse d'ammoniaque a-t-elle ?

étudiants: alcalin.

Prof: alors quelles propriétés doit avoir une solution aqueuse d'ammoniaque ?

étudiants: de base.

Quelle conclusion peut-on en tirer ?

Conclusion: L'ammoniac aqueux est une base.

Prof: si une solution aqueuse d'ammoniac est une base, alors avec quelles substances va-t-elle interagir ?

étudiants: avec des acides.

Démonstration d'expérience :"fumée sans feu", on rapproche deux baguettes de verre humectées de solutions concentrées d'ammoniac et d'acide chlorhydrique. Une fumée abondante apparaît entre ces bâtons.

Écrivez en équations ioniques complètes et courtes la réaction d'une solution aqueuse d'ammoniaque avec l'acide chlorhydrique.

Un étudiant écrit l'équation de réaction au tableau noir, puis vérifie les entrées dans ses cahiers.

NH 3 + HCl \u003d NH 4 Cl

Prof: quel type de sel s'est formé et lui donner un nom ?

Les élèves nomment ce sel.

La formation du cation ammonium lors de l'interaction avec les acides se déroule selon le mécanisme donneur-accepteur.

Nous attirons l'attention des étudiants sur le fait que le donneur est l'azote et l'accepteur est l'hydrogène, car. l'azote a une paire d'électrons libres et l'hydrogène a une orbitale libre.

Dans l'ammoniac, l'azote a un s.d. inférieur. (-3).

Alors, que sera l'ammoniac dans les réactions redox ?

Regardez la vidéo de l'interaction de l'ammoniac avec l'oxygène (avec et sans catalyseur).

Après avoir regardé la vidéo, je demande aux gars d'écrire les équations de réactions avec l'oxygène, de poser le s.d. et coefficients par la méthode de la balance électronique.

Nous vérifions l'exactitude des équations d'écriture (diapositive n ° 7, 8)

Conclusion: l'azote dans l'ammoniac a un d.d. inférieur. (-3), par conséquent, l'azote ne peut donner que des électrons, augmentant son SD, donc l'ammoniac ne présente que des propriétés réductrices. Les propriétés chimiques de l'ammoniac vont de pair avec un changement de s.d. l'azote et avec la formation d'une liaison covalente par le mécanisme donneur-accepteur.

III. Fixation:

a) Comment peut-on identifier l'ammoniac ? (par l'odeur; par la coloration du papier indicateur humide - devient bleu; par l'apparition de fumée lorsqu'une tige de verre humidifiée avec de l'acide chlorhydrique concentré est soulevée).

b) quel type de réaction se produit lorsque l'ammoniac réagit avec des acides ? (Connexions)

c) écrivez les équations de la réaction de l'ammoniac avec l'acide phosphorique et donnez les noms des sels obtenus.

IV. Devoirs $17 c.52 exercice 6,7,9- 1 niveau; 6-11- 2ème niveau. Préparez la note d'application et la valeur d'ammoniac.

Méthodes d'obtention d'ammoniac

La matière première pour la production d'ammoniac est un mélange nitrique-hydrogène (ABC) de composition stoechiométrique N2:H2 = 1:3. gaz naturel(Fig. 14.5).

Riz. 14.5. Matières premières pour la production d'ammoniac

La structure de la base de matières premières pour la production d'ammoniac a changé et plus de 90% de l'ammoniac est produit sur la base de la nature - 14.3 montre la dynamique des changements dans la structure des principaux types de matières premières pour la production d'ammoniac.

Tableau 14.3. Changements dans la base de matières premières de la production d'ammoniac

Le mélange nitrique-hydrogène, quelle que soit sa méthode de préparation, contient des impuretés de substances, dont certaines sont des poisons catalytiques, provoquant à la fois des réactions réversibles (oxygène, oxydes de carbone, vapeur d'eau) et irréversibles ( diverses connexions soufre et phosphore) empoisonnement du catalyseur.

Afin d'éliminer ces substances, l'ABC subit un prétraitement dont les méthodes et la profondeur dépendent de leur nature et de leur teneur, c'est-à-dire du mode de production de l'ABC. Habituellement, l'ABC obtenu par conversion du gaz naturel contient du monoxyde de carbone (IV ), méthane, argon, traces d'oxygène et jusqu'à 0,4 % vol. le monoxyde de carbone (II).

L'absorption avec des absorbeurs liquides (méthode humide) et l'adsorption avec des absorbants solides (méthode sèche) sont utilisées dans l'industrie pour la purification de l'ABC. Dans le même temps, le processus de nettoyage peut être effectué à différentes étapes de la production :

Gaz source avant de le soumettre pour conversion ;

gaz converti pour en éliminer le monoxyde de carbone (IV);

Mélange d'azote immédiatement avant la synthèse d'ammoniac (purification fine ABC).

Les deux premiers processus sont pris en compte dans la description des industries respectives.

La purification fine de l'ABC est obtenue par chimisorption des impuretés avec des réactifs liquides et, enfin, par leur hydrogénation catalytique ou lavage de l'ABC avec de l'azote liquide.

Pour éliminer le monoxyde de carbone (IV) et le sulfure d'hydrogène, les ABC sont lavés dans des tours à garnissage avec des réactifs alcalins qui forment avec eux des sels thermiquement instables : une solution aqueuse d'éthanolamine ou une solution chaude de carbonate de potassium activé par l'ajout de diéthanolamine. Dans ce cas, les réactions suivantes ont lieu :

H 2S+CH 2OH-CH 2NH 2+HS- - ?Н,

ALORS 2+K 2CO3 + H 2Oh? 2KNSO3 - ?N.

Le monoxyde de carbone (II) est éliminé de l'ABC en le lavant avec une solution cuivre-ammoniaque d'acétate de cuivre :

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

où: AC \u003d CH3 SOO.

Les absorbants utilisés pour la chimisorption forment des composés instables avec ceux absorbés de l'ABC. Par conséquent, lorsque leurs solutions sont chauffées et que la pression est réduite, les impuretés dissoutes sont désorbées, ce qui facilite la régénération de l'absorbant, son retour au processus et assure les cycles d'opération d'absorption selon le schéma :

où : P est l'adjuvant absorbé à partir de ABC, A est l'absorbant, PA est la combinaison de l'adjuvant et de l'absorbant.

Suite méthode efficace la purification de l'ABC à partir du monoxyde de carbone (II) est le lavage de l'ABC avec de l'azote liquide à -190 ° C, qui est utilisé dans les installations modernes, au cours duquel, en plus du monoxyde de carbone (II), le méthane et l'argon en sont éliminés.

La purification finale de l'ABC est réalisée par hydrogénation catalytique des impuretés, appelée méthanation ou pré-catalyse. Ce processus est réalisé dans des unités de méthanation spéciales (Fig. 14.6) à une température de 250-300 ° C et une pression d'environ 30 MPa sur un catalyseur nickel-aluminium (Ni + Al 2O 3). Dans ce cas, des réactions exothermiques de réduction des impuretés contenant de l'oxygène en méthane, qui n'est pas un poison pour un catalyseur au fer, se déroulent et l'eau se condense lorsque le gaz purifié est refroidi et en est retiré:

CO + ZN 2? CH 4 + H 2IL,

ALORS 2+ 4H 2?CH 4 + 2H 2IL,

O 2+ 2H 2?2H 2IL

Riz. 14.6. Schéma de l'usine de méthanisation ABC : 1 - compresseur, 2 - réchauffeur, 3 - réacteur de méthanisation, 4 - chauffe-eau, 5 - condenseur, 6 - déshumidificateur

Si un catalyseur au fer est utilisé dans la précatalyse, de l'ammoniac se forme également au cours du processus d'hydrogénation, auquel cas la précatalyse est appelée soufflage.

Le processus de méthanisation est simple, facile à contrôler et la chaleur dégagée par les réactions d'hydrogénation exothermiques en cours est utilisée dans le schéma énergétique-technologique général pour la production d'ammoniac. L'ABC purifié fourni pour la synthèse contient jusqu'à 0025 vol. part d'argon, 0,0075 vol. part de méthane et pas plus, 00004 vol. part de monoxyde de carbone (II), qui est le poison catalytique le plus puissant.

Le processus de synthèse de l'ammoniac est basé sur une réaction exothermique réversible qui se déroule avec une diminution du volume de gaz :

2+3H 2+2NH 3+Q.

Conformément au principe de Le Chatelier, lorsque la pression augmente et que la température diminue, l'équilibre de cette réaction se déplace vers la formation d'ammoniac. Pour assurer la vitesse optimale du processus, un catalyseur, une pression accrue, une température de 400 ... 500 ° C et une certaine vitesse volumétrique des composants entrant dans la réaction sont nécessaires. Dans l'industrie, un catalyseur au fer avec des additifs d'oxydes d'aluminium est utilisé. 2O 3, À 2O, CaO et SiO2 .

Il existe les systèmes industriels suivants d'unités de synthèse d'ammoniac : basse pression (10…20 MPa), moyenne (20…45 MPa) et haute pression (60…100 MPa). Dans la pratique mondiale, les systèmes à moyenne pression sont largement utilisés, car dans ce cas, les problèmes de séparation de l'ammoniac d'un mélange azote-hydrogène sont résolus avec le plus de succès à une vitesse de traitement suffisamment élevée.

CH 4+ H2 O ? CO + 3H 2

La combustion partielle de l'hydrogène dans l'oxygène atmosphérique se produit :

H 2+O 2 = H 2O(vapeur)

En conséquence, à ce stade, un mélange de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone (II) et d'azote est obtenu.

L'unité principale de l'installation de production d'ammoniac est la colonne de synthèse (Fig. 1.1). La colonne tubulaire dans le système moyenne pression est un cylindre 4 en acier au chrome-vanadium avec une épaisseur de paroi allant jusqu'à 200 mm, un diamètre de 1 ... 1,4 m et une hauteur d'environ 20 m. est fermé avec des couvercles en acier 2.

Structurellement, les colonnes diffèrent principalement par la taille du corps et le dispositif de garnissage interne. En partie haute de la colonne considérée, on trouve un caisson catalytique 3, et en partie basse on trouve un échangeur de chaleur 8, qui assure le processus autothermique. Le caisson catalytique est relié à l'échangeur par un tube central 7. Le corps de colonne est calorifugé 5. Le catalyseur est chargé sur la grille 6. Pour assurer une répartition homogène de la température, des doubles tubulures 1 sont introduites dans le lit catalytique.

Riz. 1.1. Colonne de synthèse d'ammoniac à double tubes d'échange thermique à contre-courant

Actuellement, les colonnes de synthèse d'ammoniac sont associées à des chaudières à vapeur pour la récupération de la chaleur perdue (1 tonne d'ammoniac représente 0,6...1 tonne de vapeur à une pression de 1,5...2 MPa). Les colonnes de synthèse d'ammoniac moyenne pression ont une capacité d'environ 150 tonnes d'ammoniac par jour et fonctionnent sans remplacement de catalyseur pendant quatre ans.

Dans la synthèse d'ammoniac sous moyenne pression (Fig. 1.1), un mélange azote-hydrogène (N 2:N 2=1:3) est introduit dans la colonne 1, où l'ammoniac est synthétisé sur le catalyseur ; un mélange gazeux azote-hydrogène-ammoniac quitte la colonne (la teneur en ammoniac est de 14 ... 20 %), ayant une température d'environ 200 °C. Ce mélange est envoyé au refroidisseur d'eau 2, refroidi à 35 °C et entre dans le séparateur 3. Ici, jusqu'à 60 % de l'ammoniac formé dans la colonne est libéré du gaz (à une pression de 30 MPa, l'ammoniac ne peut pas se condenser complètement dans la glacière). L'ammoniac est libéré plus complètement lorsque le mélange azote-hydrogène est refroidi à des températures plus basses. Ce mélange avec les résidus d'ammoniac du séparateur 3 est envoyé au compresseur de circulation 4 puis au filtre 6 pour séparer l'huile du compresseur. A l'entrée du filtre, un mélange azote-hydrogène frais est ajouté aux gaz en circulation, comprimé à la pression de fonctionnement à l'aide d'un compresseur à plusieurs étages 5. Depuis le filtre, le mélange gazeux est introduit dans le système de condensation secondaire d'ammoniac, composé de une colonne de condensation 7 et un évaporateur d'ammoniac liquide 8. Dans la colonne de condensation, le gaz est pré-refroidi dans un échangeur de chaleur situé dans la partie supérieure de la colonne puis envoyé à l'évaporateur 8, où, en raison de l'évaporation de l'ammoniac liquide entrant, le gaz est refroidi à -5 ° C et l'ammoniac est condensé à partir du gaz jusqu'à une teneur résiduelle d'environ 2,5% de NH3 dans celui-ci. L'ammoniac condensé est libéré dans la partie inférieure de la colonne condenseur 7, qui est le séparateur. Après la séparation de l'ammoniac, le mélange azote-hydrogène refroidit le gaz qui y pénètre dans la partie supérieure de la colonne 7, puis est à nouveau envoyé vers la colonne de synthèse 1.

Dans le cas de la synthèse d'ammoniac à plus haute pression (45 MPa et plus), sa condensation secondaire n'est pas nécessaire, car la teneur résiduelle en ammoniac dans le mélange azote-hydrogène en sortie du refroidisseur d'eau est insignifiante.

Riz. 17.16. Schéma de l'installation de synthèse d'ammoniac sous moyenne pression

Description du processus technologique de production d'ammoniac et de ses caractéristiques.

. Méthode de l'arc.La méthode de l'arc consiste à souffler de l'air à travers la flamme d'un arc électrique. A une température d'environ 3000°C, une réaction réversible se produit

2 + O 2?2NON - Q.

L'oxyde nitrique résultant (II) peut être oxydé en oxyde nitrique (IV) et transformé en acide nitrique et autres composés. Pour obtenir 1 tonne d'azote lié par cette méthode, 60 000 ... 70 000 kWh d'électricité sont consommés.

2. Méthode au cyanamide.Le premier procédé industriel utilisé pour produire de l'ammoniac a été le procédé au cyanamide. Lorsque la chaux CaO et le carbone ont été chauffés, du carbure de calcium CaC2 a été obtenu. Le carbure a ensuite été chauffé sous azote pour donner le cyanamide de calcium CaCN2 ; de l'ammoniac supplémentaire a été obtenu par hydrolyse de cyanamide :

CaCN 2(tv) + 3H 2O = 2NH 3? + CaCO3 (LA TÉLÉ)

Ce procédé nécessitait beaucoup d'énergie et n'était pas économiquement rentable.

Le procédé moderne d'obtention d'ammoniac est basé sur la capacité du carbure de calcium finement broyé à une température d'environ 1000°C à interagir avec l'azote selon l'équation

CaS 2+ N 2= CaCN2 + C + 302 kJ

La part de production d'azote lié par la méthode au cyanamide est très faible.

La méthode de fixation de l'azote à l'ammoniac consiste en sa synthèse à partir d'azote et d'hydrogène à l'aide d'un catalyseur spécial :

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

Cette méthode présente un avantage économique et technologique par rapport aux autres méthodes de fixation de l'azote élémentaire.

3. Méthode à l'ammoniac.La méthode à l'ammoniac de fixation de l'azote atmosphérique consiste à combiner l'azote avec l'hydrogène et à obtenir de l'ammoniac :

N 2+3H 2?2NH 3+Q.

C'est la plus économique (la consommation d'électricité est de 4000…5000 kWh pour 1 tonne d'ammoniac), technologiquement plus facile à mettre en œuvre par rapport aux autres méthodes de fixation de l'azote atmosphérique. Dans la production totale de composés azotés, plus de 90% est représenté par l'ammoniac. L'hydrogène pour cette réaction est obtenu par le craquage thermique des hydrocarbures, l'action de la vapeur d'eau sur le charbon ou le fer, la décomposition des alcools avec la vapeur d'eau ou l'électrolyse de l'eau.

4. Une variante de la méthode à l'ammoniaque.En 1909, une méthode originale a été développée pour la production simultanée d'ammoniac et d'oxyde d'aluminium à partir de bauxite à travers du nitrure d'aluminium selon le schéma illustré à la Fig. 14.4.

Riz. 14.4. Production d'ammoniac à partir de bauxite

Des installations industrielles selon cette méthode ont été construites dans la période 1909-1918. dans un certain nombre de pays, mais la méthode n'a pas trouvé d'application en raison d'une faible efficacité de production.

Chimie et principaux schémas de production.

L'étape principale du procédé de synthèse d'ammoniac à partir d'un mélange nitrique-hydrogène est décrite par l'équation :

N 2+ 3H2 = 2NH 3

Cependant, la méthode prédominante de production d'ABC étant le reformage à l'air et à la vapeur du méthane, le schéma chimique de production d'ammoniac comprend, en plus de cette réaction, plusieurs réactions de reformage à l'air et à la vapeur :

CH 4+H 2O = ZH2 +CO,

CH 4+ 0.5O 2(n 2) = 2H 2(N 2) + CO

et conversion ultérieure du monoxyde de carbone (II) en monoxyde de carbone (IV) :

CO + H 2O = H2 +CO 2

colonne d'absorption pour la production d'ammoniac

Après avoir éliminé le monoxyde de carbone (IV) du mélange gazeux et corrigé sa composition, ABC est obtenu avec une teneur en azote et en hydrogène dans un rapport de 1: 3.

De cette façon, fabrication moderne l'ammoniac se compose de deux étapes : la préparation de l'ABC et sa conversion en ammoniac, représentant un schéma technologique énergétique unique qui combine les opérations d'obtention de l'ABC, sa purification et la synthèse de l'ammoniac et utilise efficacement les effets thermiques de toutes les étapes du processus, ce qui permet plusieurs fois de réduire les dépenses énergétiques.

Riz. 14.7. schéma production d'ammoniac

1 - purification du gaz naturel à partir de composés soufrés, 2 - reformage à la vapeur du méthane, 3 - reformage à l'air du méthane, 4 - conversion du monoxyde de carbone (II), 5 - purification par chimisorption de l'ABC, 6 - méthanation, 7 - synthèse de l'ammoniac , 8 - ammoniac d'absorption, 9-compression d'ammoniac, I-gaz naturel, II-gaz converti, III-ABC, IV-méthane

Le schéma de base de la production d'ammoniac comprend trois étapes:

La première étape est la production d'ABC (mélange azoté) :

I exploitation : épuration du gaz naturel à partir de composés soufrés ;

I exploitation : conversion vapeur du méthane ;

I exploitation : conversion aérienne du méthane ;

I opération : conversion du monoxyde de carbone (II).

La deuxième étape est la purification des gaz à partir des impuretés du ballast et des impuretés qui empoisonnent le catalyseur :

I opération : purification de l'ABC par des méthodes d'absorption du monoxyde de carbone (II) et du monoxyde de carbone (IV) ;

I opération : épuration fine de l'ABC à partir du monoxyde de carbone (II) et du monoxyde de carbone (IV) par méthanation ou pré-catalyse.

La troisième étape est la synthèse d'ammoniac à partir d'ABC en présence d'un catalyseur.

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L'influence de la température, de la pression et des catalyseurs sur la vitesse des réactions et l'équilibre chimique est activement utilisée dans l'industrie chimique pour la production de nombreux produits chimiques. Dans cette section, nous nous familiariserons avec production industrielle l'ammoniac et s'attarder sur la façon dont tous ces facteurs affectent sa production. Ensuite, nous nous familiariserons avec la production industrielle d'acide sulfurique.

PRODUCTION D'AMMONIAC INDUSTRIEL

Il existe huit usines d'ammoniac au Royaume-Uni. Leur productivité conjointe dépasse 2 millions de tonnes par an. Environ 5 millions de tonnes d'ammoniac sont actuellement produites chaque année dans le monde. Sur la fig. 7.1 la croissance de la production d'ammoniac est comparée à la croissance de la population mondiale. Pourquoi faut-il produire un grand nombre de ammoniac?

Riz. 7.1. Croissance de la population mondiale et production mondiale d'ammoniac.

Tableau 7.2. Applications de l'ammoniac et des produits connexes

Il est principalement nécessaire pour la production d'engrais contenant de l'azote. la production d'engrais consomme environ 80% de tout l'ammoniac produit] Avec les engrais contenant de l'azote, il est appliqué au sol sous une forme soluble dont la plupart des plantes ont besoin. Les 20% restants de l'ammoniac produit sont utilisés pour fabriquer des polymères, des explosifs et d'autres produits ! Diverses applications de l'ammoniac sont répertoriées dans le tableau. 7.2.

Production d'ammoniac

Le premier procédé industriel utilisé pour produire de l'ammoniac a été le procédé au cyanamide. Le carbure de calcium a été obtenu en chauffant de la chaux et du charbon, puis le carbure de calcium a été chauffé sous azote pour obtenir du cyanamide de calcium. L'ammoniac a été obtenu par hydrolyse de la cyanamide calcique :

Ce processus nécessitait beaucoup d'énergie et n'était pas économique.

En 1911, F. Haber découvre que l'ammoniac peut être synthétisé directement à partir d'azote et d'hydrogène à l'aide d'un catalyseur au fer. La première usine à produire de l'ammoniac selon cette méthode utilisait de l'hydrogène, qui était obtenu par électrolyse dans l'eau, puis on a commencé à obtenir de l'hydrogène à partir de l'eau par réduction avec du coke. Cette méthode de production d'hydrogène est beaucoup plus économique.

Fritz Haber (1868 1934)

En 1908, le chimiste allemand Haber découvrit que l'ammoniac pouvait être produit par l'hydrogène et l'azote atmosphérique sur un catalyseur au fer. Ce processus nécessite une pression élevée et une température modérément élevée. La découverte de Haber a permis à l'Allemagne de continuer à produire des explosifs pendant la Première Guerre mondiale. A cette époque, le blocus de l'Entente empêchait l'importation en Allemagne de gisements naturels de nitrate de potassium (salpêtre chilien), qui servait auparavant de matière première pour la fabrication d'explosifs.

Un an après avoir mis au point le procédé de synthèse de l'ammoniac, Haber crée une électrode de verre pour mesurer le pH (propriétés acido-basiques) des solutions (voir chap. 10).

Haber a reçu le prix Nobel de chimie en 1918. Après l'arrivée au pouvoir d'Hitler, Haber a été contraint d'émigrer d'Allemagne en 1933.

(La production d'acide nitrique et de nitrate à partir d'ammoniac est décrite dans la section 1)

Processus de production d'ammoniac moderne

Le procédé moderne d'obtention d'ammoniac repose sur sa synthèse à partir d'azote et d'hydrogène à des températures de 380-450°C et une pression de 250 atm à l'aide d'un catalyseur au fer :

L'azote est extrait de l'air. L'hydrogène est produit par la réduction de l'eau (vapeur) à l'aide de méthane provenant du gaz naturel ou du naphta. Le naphta (naphta) est un mélange liquide d'hydrocarbures aliphatiques obtenu à partir du raffinage du pétrole brut (voir chapitre 18).

Le travail d'une usine d'ammoniac moderne est très complexe. Sur la fig. La figure 7.2 montre un schéma simplifié d'une usine d'ammoniac fonctionnant au gaz naturel. Ce schéma d'action comprend huit étapes.

1ère étape. Élimination du soufre du gaz naturel. Ceci est nécessaire car le soufre est un poison catalytique (voir section 9.2).

2ème étape. Production d'hydrogène par réduction à la vapeur d'eau à 750°C et une pression de 30 atm à l'aide d'un catalyseur au nickel :

3ème étape. Apport d'air et combustion d'une partie de l'hydrogène dans l'oxygène de l'air injecté :

Le résultat est un mélange de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone et d'azote. La vapeur d'eau est réduite avec formation d'hydrogène, comme dans la 2e étape.

4ème étape. Oxydation du monoxyde de carbone formé aux étapes 2 et 3 en dioxyde de carbone par la réaction de "décalage" suivante :

Ce procédé est réalisé dans deux "réacteurs de cisaillement". Dans le premier, un catalyseur à base d'oxyde de fer est utilisé et le procédé est réalisé à une température de l'ordre de 400°C. Le second utilise un catalyseur au cuivre et le procédé est réalisé à une température de 220°C.

Riz. 7.2. Etapes du processus industriel d'obtention de l'ammoniac.

5ème étape. Lavage du dioxyde de carbone d'un mélange gazeux à l'aide d'une solution alcaline tamponnée de carbonate de potassium ou d'une solution d'une amine, telle que l'éthanolamine. Le dioxyde de carbone est éventuellement liquéfié et utilisé pour fabriquer de l'urée ou rejeté dans l'atmosphère.

6ème étape. Après la 4e étape, il reste environ 0,3 % de monoxyde de carbone dans le mélange gazeux. Parce qu'il peut empoisonner le catalyseur au fer lors de la synthèse de l'ammoniac (8ème étape), le monoxyde de carbone est éliminé par conversion de l'hydrogène en méthane sur un catalyseur au nickel à 325°C.

7ème étape. Le mélange gazeux, qui contient maintenant environ 74 % d'hydrogène et 25 % d'azote, est comprimé ; tandis que sa pression passe de 25-30 atm à 200 atm. Ceci entraînant une augmentation de la température du mélange, celui-ci est immédiatement refroidi après compression.

8ème étape. Le gaz du compresseur entre maintenant dans le "cycle de synthèse d'ammoniac". Le schéma illustré à la fig. 7.2 donne une vue simplifiée de cette étape. Tout d'abord, le mélange gazeux entre dans le convertisseur catalytique, qui utilise un catalyseur au fer et maintient une température de 380 à 450°C. Le mélange gazeux sortant de ce convertisseur ne contient pas plus de 15 % d'ammoniac. Ensuite, l'ammoniac est liquéfié et envoyé vers la trémie de réception, et les gaz n'ayant pas réagi sont renvoyés vers le convertisseur.

Sélection des conditions optimales pour le procédé de synthèse d'ammoniac

Pour que le procédé de synthèse d'ammoniac soit le plus efficace et le plus économique possible, il est nécessaire de sélectionner avec soin les conditions de sa mise en oeuvre. Les indicateurs les plus importants qui sont pris en compte dans ce cas sont : 1) le rendement, 2) la vitesse et 3) l'intensité énergétique du processus. Passons à la 8ème étape du procédé, c'est-à-dire directement à la synthèse de l'ammoniac, et étudions l'influence de la pression, de la température et des catalyseurs sur l'efficacité de ce procédé.

Influence de la pression. Comme mentionné ci-dessus, la production d'ammoniac peut être représentée par l'équation suivante :

La constante d'équilibre de cette réaction est donnée par

Si nous exprimons les pressions partielles des gaz inclus dans cette expression en fonction de leurs fractions molaires et de la pression totale P dans le système, nous obtenons l'expression suivante :

Cette expression peut être simplifiée en lui donnant la forme

A une température donnée, la valeur doit rester constante. Si la pression totale P dans le système augmente, le terme dans l'expression ci-dessus doit diminuer. Il s'ensuit que puisque la grandeur doit rester constante, le rapport doit augmenter. Ainsi, une augmentation de la pression totale devrait entraîner une augmentation et une diminution, donc une augmentation de la pression favorise la réaction directe, c'est-à-dire une augmentation du rendement en ammoniac.

Influence de la température et des catalyseurs. La synthèse de l'ammoniac est un processus exothermique (voir tableau 7.1, a). Par conséquent, une augmentation de la température devrait favoriser la réaction inverse (voir la section précédente). Cela signifie que l'abaissement de la température devrait augmenter le rendement de la réaction de synthèse d'ammoniac (Fig. 7.3). Malheureusement, cependant, à basse température, la vitesse de cette réaction, et donc la vitesse de production d'ammoniac, est fortement ralentie. En d'autres termes, à basse température, le procédé doit avoir une faible productivité, et donc une faible efficacité. Pour obtenir des performances optimales, vous devez choisir un compromis entre deux extrêmes :

1) haut rendement et faible vitesse de réaction (à basse température) et

2) faible rendement et vitesse de réaction élevée (à haute température).

Riz. 7.3. Effet de la température et de la pression sur le rendement en ammoniac dans le procédé Haber (le terme "rendement relatif" est expliqué à la section 4.2).

Bien sûr, la vitesse de réaction est augmentée en utilisant un catalyseur. Ainsi, le catalyseur permet de réaliser le procédé plus efficacement à basse température. L'efficacité du catalyseur au fer utilisé pour la synthèse de l'ammoniac est augmentée si on y ajoute des promoteurs dits. Les oxydes de potassium et d'aluminium sont utilisés pour favoriser l'efficacité du catalyseur au fer.

Un examen détaillé de l'économie du procédé de synthèse d'ammoniac montre que pour atteindre un rendement et une productivité optimaux, la température doit être maintenue à environ 400°C et la pression à 250 atm.

Bilan énergétique

Une usine d'ammoniac typique produit environ 1 000 tonnes d'ammoniac par jour. Dans le même temps, le besoin en vapeur d'eau est de 6000 tonnes/jour afin d'entraîner les turbines à vapeur à partir desquelles fonctionnent les compresseurs. Heureusement, les processus chimiques impliqués dans la production d'ammoniac sont exothermiques. Toute l'énergie libérée sur étapes préliminaires processus de production d'ammoniac, est utilisé pour produire de la vapeur hautement comprimée. L'énergie dégagée directement par la synthèse d'ammoniac elle-même (étape 8) est utilisée pour maintenir la température du pot catalytique à 400°C. L'efficacité thermique globale d'une usine d'ammoniac est d'environ 60 %. Autrement dit, environ 40 % de l'énergie consommée, qui est fournie par le gaz naturel, est une perte de chaleur.

Caractéristiques de conception d'une usine d'ammoniac

La conception d'une usine d'ammoniac moderne, son personnel et son exploitation nécessitent la participation de spécialistes qualifiés et l'utilisation d'équipements d'ingénierie sophistiqués. Par exemple, les compresseurs utilisés dans la 3e étape du procédé pour la compression de l'air et dans la 7e étape pour la compression du gaz de synthèse (un mélange d'azote et d'hydrogène) doivent être conçus pour résister à de très hautes pressions - dans certains cas jusqu'à 350 atm. Ces compresseurs sont entraînés par des turbines à vapeur, qui reçoivent de la vapeur à une pression de 100 atm et à des températures supérieures à 400°C. Ces turbines tournent à des vitesses allant jusqu'à plusieurs milliers de tours par minute.

Les réacteurs dans lesquels s'effectue la synthèse d'ammoniac doivent également répondre à des exigences très élevées. Aux pressions et températures élevées auxquelles ces réacteurs fonctionnent, l'hydrogène peut attaquer l'acier en se diffusant dans le métal. En conséquence, l'hydrogène réagit avec le carbone contenu dans l'acier pour former du méthane. Cela conduit à la formation de trous dans le métal et rend l'acier cassant. Pour éviter cela, les réacteurs sont construits à partir d'alliages spéciaux contenant du chrome, du molybdène et du nickel.

L'emplacement de l'usine d'ammoniac est également d'une grande importance économique. Idéalement, une telle centrale devrait être située à proximité 1) de sources d'énergie ;

2) des sources d'eau utilisables en grande quantité ;

3) voies de transport : autoroutes, les chemins de fer, rivières ou mers.

Quatre usines d'ammoniac britanniques sont situées près de Billingham sur la rivière. Tay (en Ecosse). Cet endroit a été choisi à un moment donné en raison de sa proximité avec les gisements de charbon de Durham. Il s'est avéré pratique même aujourd'hui en raison de sa proximité avec les gisements de pétrole et de gaz sur le plateau continental de la mer du Nord.

L'ammoniac (NH 3) est un composé d'azote et d'hydrogène. C'est un gaz léger avec une odeur piquante. La production d'ammoniac dans l'industrie et les laboratoires est nécessaire à la production d'engrais, de polymères, d'acide nitrique et d'autres substances.

Dans l'industrie

L'ammoniac est produit industriellement à partir d'azote en le combinant avec de l'hydrogène. L'azote est extrait de l'air, l'hydrogène - de l'eau. La méthode a été développée pour la première fois par le chimiste allemand Fritz Haber. La méthode industrielle de production d'ammoniac a commencé à s'appeler le procédé Haber.

La réaction se déroule avec une diminution de volume et la libération d'énergie sous forme de chaleur :

3H2 + N2 → 2NH3 + Q.

La réaction est réversible, plusieurs conditions doivent donc être remplies. À haute pression et à basse température, la quantité d'ammoniac produite augmente. Cependant, les basses températures ralentissent la vitesse de la réaction et une augmentation de la température augmente la vitesse de la réaction inverse.

Empiriquement, les conditions nécessaires à la réaction ont été trouvées :

Température- 500°C;
pression- 350 atm ;
catalyseur- oxyde de fer Fe 3 O 4 (magnétite) avec des impuretés d'oxydes d'argent, de potassium, de calcium et d'autres substances.

Dans ces conditions, le gaz obtenu contient 30 % d'ammoniac. Pour éviter une réaction inverse, la substance est rapidement refroidie. À basse température, le gaz résultant se transforme en liquide. Les gaz non utilisés - azote et hydrogène - sont renvoyés dans la colonne de synthèse. Cette méthode permet d'obtenir rapidement de grands volumes d'ammoniac, en maximisant l'utilisation des matières premières.

Riz. 1. Obtention industrielle d'ammoniac.

Pour trouver le bon catalyseur, 20 000 substances différentes ont été essayées.

Dans le laboratoire

Pour obtenir de l'ammoniac en laboratoire, la réaction des alcalis aux sels d'ammonium est utilisée:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

De plus, l'ammoniac peut être obtenu en laboratoire à partir de chlorure d'ammonium chauffé avec de la chaux éteinte, ou par décomposition d'hydroxyde d'ammonium :

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

Riz. 2. Obtention d'ammoniac en laboratoire.

L'ammoniac peut être complètement séché à l'aide d'un mélange de chaux et de soude caustique, à travers lequel le gaz résultant est passé. Dans le même but, l'ammoniac liquide est mélangé avec du sodium métallique et soumis à une distillation.

L'ammoniac est plus léger que l'air, donc le tube à essai est tenu à l'envers pour le recueillir.

Application

L'ammoniac est utilisé dans diverses industries :

dans agriculture- pour la production d'engrais azotés ;
dans l'industrie - pour la production de polymères, d'explosifs, de glace artificielle;
en chimie - pour la fabrication d'acide nitrique, de soude;
en médecine - comme l'ammoniac.

Riz. 3. Fabrication d'engrais.

Qu'avons-nous appris ?

L'ammoniac est produit par des méthodes industrielles et de laboratoire. Pour la production à l'échelle industrielle, l'azote et l'hydrogène sont utilisés. En mélangeant à haute température, sous pression et sous l'action d'un catalyseur, des substances simples forment de l'ammoniac. Pour éviter que la réaction à haute température n'aille en sens inverse, le gaz est refroidi. En laboratoire, l'ammoniac est obtenu en faisant réagir des sels d'ammonium avec des alcalis, de la chaux éteinte ou en décomposant de l'hydroxyde d'ammonium. L'ammoniac est utilisé dans l'industrie chimique, l'agriculture, la médecine et la chimie.

Questionnaire sur le sujet

Évaluation du rapport

Note moyenne: 4.2. Total des notes reçues : 263.

Le procédé moderne d'obtention d'ammoniac est basé sur sa synthèse à partir d'azote et d'hydrogène à des températures de 380 - 450 0C et une pression de 250 atm à l'aide d'un catalyseur au fer :

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

1ère étape. Élimination du soufre du gaz naturel. Ceci est nécessaire car le soufre est un poison catalytique (voir section 9.2).

2ème étape. Production d'hydrogène par réduction de vapeur à 750 0C et une pression de 30 atm à l'aide d'un catalyseur au nickel :

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

3ème étape. Apport d'air et combustion d'une partie de l'hydrogène dans l'oxygène de l'air injecté :

2H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (g) Le résultat est un mélange de vapeur, de monoxyde de carbone et d'azote. La vapeur d'eau est réduite avec formation d'hydrogène, comme dans la 2e étape.

4ème étape. Oxydation du monoxyde de carbone formé aux étapes 2 et 3 en dioxyde de carbone par la réaction de « décalage » suivante : CO (g) + H2O (g) = CO2 (g) + H2 (g)

Ce procédé est réalisé dans deux "réacteurs de cisaillement". Le premier utilise un catalyseur à base d'oxyde de fer et le procédé est réalisé à une température d'environ 400 °C. Le second utilise un catalyseur au cuivre et le procédé est réalisé à une température de 220 °C.

5ème étape. Lavage du dioxyde de carbone d'un mélange gazeux à l'aide d'une solution alcaline tamponnée de carbonate de potassium ou d'une solution d'une amine, telle que l'éthanolamine NH2CH2CH2OH. Le dioxyde de carbone est éventuellement liquéfié et utilisé pour fabriquer de l'urée ou rejeté dans l'atmosphère.