Da cosa si ottiene l'ammoniaca? Materie prime per la produzione di ammoniaca

Obiettivi della lezione.

educativo- durante la lezione, assicurare agli studenti la formazione di nuove conoscenze sull'ammoniaca, la sua struttura, le proprietà, la produzione e l'uso.
Considera la struttura della molecola di ammoniaca. Introdurre gli studenti al legame idrogeno. Esplora le proprietà dell'ammoniaca. Considera il meccanismo donatore-accettore della formazione del legame chimico
Educativo- la capacità di confrontare, generalizzare, sviluppare il pensiero, l'interesse per l'argomento.
Educativo- comportamento in aula di chimica, osservazione durante la visione di un video, per formare una cultura dell'informazione e della comunicazione.

Attrezzatura. Acqua ammoniacale, NH4Cl e Ca(OH)2 cristallini, fenolftaleina, dispositivo per ottenere gas, HCl (conc), KMnO4 (per ottenere O2), KI, amido, cartina tornasole, cristallizzatore, cilindro, bacchette di vetro, supporto da laboratorio.

DURANTE LE LEZIONI

I. Attualizzazione delle conoscenze di base.

Facciamo un allenamento chimico.

a) nominare i possibili stati di ossidazione dell'azoto,

b) in quali casi l'azoto mostrerà proprietà ossidanti e in quali - riducenti?

c) elencare le proprietà fisiche dell'azoto.

d) qual è la ragione dell'inerzia chimica dell'azoto?

e) in quali condizioni l'azoto reagisce con altre sostanze?

e) In quale forma si trova l'azoto in natura?

h) qual è il ruolo dell'azoto nella vita della natura?

II. Imparare nuovo materiale.

1. La struttura della molecola.

Quando apri la porta del frigorifero, senti freddo. Quindi quale sostanza sta causando questo fenomeno?

Lavoro in coppia.

Istruzione numero 1.

1. Scrivi le equazioni di reazione per i composti di idrogeno dell'azoto.

2. Disegna la formula elettronica e strutturale di questo composto.

3. Determinare il legame chimico in questa molecola.

4. Quale caratteristica della struttura elettronica vedi nell'atomo di azoto?

Gli studenti lavorano in modo indipendente in coppia con un libro di testo pp. 47-48

Quindi, controlliamo la correttezza dell'attività completata tramite multimedia (diapositiva n. 1, 2, 3 e 4) Presentazione .

2. Determinare le proprietà fisiche dell'ammoniaca.

Domanda problematica. Qual è la ragione della buona solubilità dell'ammoniaca in acqua?

Il reticolo cristallino dell'ammoniaca è molecolare; la molecola è leggera, ma a differenza della molecola di azoto, è polare.

Quindi, quali punti di ebollizione e di fusione dovrebbe avere l'ammoniaca?

Alunni: si può presumere che - basso.

Perché la polarità della molecola permette di collegare le forze elettrostatiche di attrazione a semplici forze intermolecolari.

La struttura della molecola consente inoltre di prevedere una buona solubilità in acqua.

Ciò è dovuto alla comparsa tra le sue molecole di uno speciale legame chimico: l'idrogeno. (diapositiva numero 5). L'atomo di azoto ha una coppia di elettroni liberi nella molecola di ammoniaca, la presenza di una carica parziale (+) sull'atomo di idrogeno e la presenza di una carica parziale (-) sull'atomo di azoto.

L'idrogeno è il legame tra gli atomi di idrogeno di una molecola e gli atomi degli elementi elettronegativi di un'altra molecola (F, O, N). (diapositiva numero 5)

Conclusione: quando la pressione aumenta, l'ammoniaca si trasforma in uno stato liquido. L'evaporazione dell'ammoniaca liquida con una diminuzione della pressione è accompagnata da un forte raffreddamento degli oggetti circostanti. Questa proprietà è utilizzata nelle unità di refrigerazione.

L'ammoniaca è un gas incolore.
Gli solletica la bocca.
Brucia il naso e brucia gli occhi.
L'ammoniaca è velenosa!
L'ammoniaca è un solvente.
Passa da gas a liquido
L'ammoniaca è un diamagnete.
Inoltre non conduce corrente.
ammoniaca secca
Esplode in aria.
Si scioglie in acqua.
Esplosivi, fertilizzanti

Questo non è lista completa la sua applicazione.

3. Ottenere l'ammoniaca in laboratorio.

Dimostriamo esperienza. Riscaldiamo la miscela di cloruro di ammonio con idrossido di calcio.

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

L'ammoniaca risultante viene sciolta in acqua, a cui aggiungiamo la fenolftaleina. La soluzione di ammoniaca diventa viola.

Perché la soluzione di ammoniaca diventa viola?

studenti: ione idrossido presente in soluzione, mezzo alcalino.

Insegnante. Nell'acqua di ammoniaca, la maggior parte dell'ammoniaca è sotto forma di molecole di NH3, l'equilibrio è spostato a sinistra (perché l'NH3 è un elettrolita debole) e tale acqua contiene molte molecole di NH3, quindi odora di ammoniaca. Mostro come gestire correttamente soluzioni di sostanze fortemente odoranti.

Dimostriamo lo scolorimento dell'acqua di ammoniaca macchiata con fenolftaleina quando riscaldata. Perché è successo?

studenti: connessione debole.

Quando riscaldato, la solubilità dei gas (NH3-gas) diminuisce, l'ammoniaca evapora, l'equilibrio di reazione si sposta ancora più a sinistra, lo ione idrossido (OH) praticamente non rimane in soluzione. La soluzione acquosa diventa neutra.

Domanda problema: da quali materie prime e in che modo si possono produrre fertilizzanti azotati?

studenti Si presume che dall'azoto dell'aria.

Questo compito è stato proposto alla scienza russa da DI Mendeleev, che ha scritto: "Uno dei compiti della chimica applicata è trovare un metodo tecnicamente vantaggioso per ottenere composti contenenti azoto assimilabile dall'azoto nell'aria. Il futuro dell'agricoltura dipende molto da la scoperta di un tale metodo”.

Il modo più economico di legame industriale dell'azoto atmosferico è la sintesi di ammoniaca da azoto e idrogeno:

Insegnante: Descrivi questa reazione.

studenti:

esotermico
reversibile
catalitico
eterogeneo
con riduzione di volume

Insegnante: Quali condizioni di spostamento dell'equilibrio sono necessarie per aumentare la resa di ammoniaca?

studenti: diminuzione della temperatura, aumento della pressione.

La produzione di ammoniaca è bassa e non è redditizio eseguire la sintesi industriale con tali indicatori.

Discutiamo con gli studenti della possibilità di aumentare la produzione pratica di ammoniaca. Un criterio importante per l'efficienza della produzione è la produttività del reattore. L'analisi dei dati quantitativi sulla crescita della concentrazione di ammoniaca nella miscela azoto-idrogeno al procedere della reazione permette di concludere che la produttività del reattore può essere aumentata riducendo il tempo di reazione. Ciò riduce la produzione di ammoniaca per passaggio della miscela di gas attraverso il reattore e il gas non reagito può essere riportato alla produzione. Pertanto, l'idea di circolazione è un principio tecnologico importante, economicamente conveniente, che aumenta la produttività del reattore. I requisiti per la qualità delle materie prime sono necessari, dovrebbe contenere il minor numero possibile di impurità, come argon, metano. Le materie prime devono essere accuratamente ripulite dalle sostanze tossiche per il catalizzatore (ad esempio composti di zolfo). Il catalizzatore per la sintesi dell'ammoniaca è il ferro, attivato da additivi (ossidi di alluminio e potassio) per conferire un'elevata attività stabile.

4. La formazione del catione ammonio procede secondo il meccanismo donatore-accettore.

L'atomo di azoto ha una coppia di elettroni liberi, grazie alla quale si forma un altro legame covalente con il catione di idrogeno, che passa all'ammoniaca dall'acqua o dalle molecole acide. (diapositiva numero 6)

Un catione idrogeno +H da una molecola d'acqua viene aggiunto alla molecola di ammoniaca mediante questo meccanismo e si forma uno ione +NH4, in cui tre legami covalenti sono formati dal meccanismo di scambio e il quarto dal meccanismo donatore-accettore. Tuttavia, tutte le connessioni sono uguali.

5. Proprietà chimiche.

a) la solubilità dell'ammoniaca in acqua.

Esperienza dimostrativa: abbassiamo la provetta riempita di ammoniaca nel cristallizzatore con acqua, a cui è stata aggiunta un po' di fenolftaleina. L'acqua riempie rapidamente la provetta e la soluzione di ammoniaca diventa cremisi.

La solubilità dell'ammoniaca in acqua è molto alta: 700 volumi di ammoniaca vengono sciolti in 1 volume di acqua. Perché l'ammoniaca si scioglie bene in acqua?

studenti. Il motivo è la formazione di legami idrogeno.

Insegnante: che tipo di ambiente ha una soluzione acquosa di ammoniaca?

studenti: alcalino.

Insegnante: quindi quali proprietà dovrebbe avere una soluzione acquosa di ammoniaca?

studenti: basilare.

Quale conclusione possiamo trarre da questo?

Conclusione: L'ammoniaca acquosa è una base.

Insegnante: se una soluzione acquosa di ammoniaca è una base, allora con quali sostanze interagirà?

studenti: con acidi.

Esperienza dimostrativa:"fumo senza fuoco", ci avviciniamo l'una all'altra due bacchette di vetro inumidite con soluzioni concentrate di ammoniaca e acido cloridrico. Tra questi bastoncini appare abbondante fumo.

Scrivi in equazioni ioniche complete e brevi la reazione di una soluzione acquosa di ammoniaca con acido cloridrico.

Uno studente annota l'equazione di reazione alla lavagna, quindi controlla le annotazioni sui propri quaderni.

NH 3 + HCl \u003d NH 4 Cl

Insegnante: che tipo di sale si è formato e dargli un nome?

Gli studenti chiamano questo sale.

La formazione del catione ammonio in seguito all'interazione con gli acidi procede secondo il meccanismo donatore-accettore.

Attiriamo l'attenzione degli studenti sul fatto che il donatore è azoto e l'accettore è idrogeno, perché. l'azoto ha una coppia di elettroni liberi e l'idrogeno ha un orbitale libero.

Nell'ammoniaca, l'azoto ha un s.d. (-3).

Quindi, quale sarà l'ammoniaca nelle reazioni redox?

Guarda il video dell'interazione dell'ammoniaca con l'ossigeno (con e senza catalizzatore).

Dopo aver visto il video, chiedo ai ragazzi di scrivere le equazioni di reazione con l'ossigeno, di mettere giù la s.d. e coefficienti con il metodo della bilancia elettronica.

Verifichiamo la correttezza della scrittura delle equazioni (diapositiva n. 7, 8)

Conclusione: l'azoto nell'ammoniaca ha una d.d. (-3), quindi, l'azoto può solo donare elettroni, aumentando la sua SD, quindi l'ammoniaca mostra solo proprietà riducenti. Le proprietà chimiche dell'ammoniaca vanno con un cambiamento in s.d. azoto e con la formazione di un legame covalente da parte del meccanismo donatore-accettore.

III. Fissaggio:

a) Come si riconosce l'ammoniaca? (dall'odore; macchiando la carta indicatrice bagnata - diventa blu; dalla comparsa di fumo quando viene sollevata una bacchetta di vetro inumidita con acido cloridrico concentrato).

b) che tipo di reazione avviene quando l'ammoniaca reagisce con gli acidi? (connessioni)

c) scrivere le equazioni per la reazione dell'ammoniaca con l'acido fosforico e dare i nomi dei sali risultanti.

IV. Compiti a casa $17 c.52 esercizio 6,7,9- 1 livello; 6-11- 2° livello. Preparare la nota applicativa e il valore dell'ammoniaca.

Metodi per ottenere l'ammoniaca

La materia prima per la produzione di ammoniaca è una miscela nitrico-idrogeno (ABC) di composizione stechiometrica N2:H2 = 1:3 combustibile, conversione gas naturale(Fig. 14.5).

Riso. 14.5. Materie prime per la produzione di ammoniaca

La struttura della base delle materie prime per la produzione di ammoniaca è cambiata e oltre il 90% dell'ammoniaca viene prodotto in base alla natura - 14.3 mostra la dinamica dei cambiamenti nella struttura dei principali tipi di materie prime per la produzione di ammoniaca.

Tabella 14.3. Cambiamenti nella base della materia prima della produzione di ammoniaca

La miscela nitrico-idrogeno, indipendentemente dal metodo di preparazione, contiene impurità di sostanze, alcune delle quali sono veleni catalitici, sia reversibili (ossigeno, ossidi di carbonio, vapore acqueo) che irreversibili ( vari collegamenti zolfo e fosforo) intossicazione da catalizzatori.

Per rimuovere queste sostanze, l'ABC viene sottoposto a un pretrattamento, le cui modalità e profondità dipendono dalla loro natura e contenuto, cioè dal metodo di produzione dell'ABC Solitamente, l'ABC ottenuto dalla conversione del gas naturale contiene monossido di carbonio (IV), metano, argon, tracce di ossigeno e fino a 0,4% vol. monossido di carbonio (II).

L'assorbimento con scavenger di liquidi (metodo a umido) e l'adsorbimento con scavenger di solidi (metodo a secco) vengono utilizzati nell'industria per purificare l'ABC. Allo stesso tempo, il processo di pulizia può essere effettuato in varie fasi della produzione:

Gas sorgente prima di sottoporlo alla conversione;

gas convertito per rimuovere il monossido di carbonio (IV) da esso;

Miscela di azoto immediatamente prima della sintesi dell'ammoniaca (purificazione fine ABC).

I primi due processi sono considerati nella descrizione dei rispettivi settori.

La purificazione fine dell'ABC si ottiene mediante il chemisorbimento delle impurità con reagenti liquidi e, infine, mediante la loro idrogenazione catalitica o lavaggio dell'ABC con azoto liquido.

Per rimuovere il monossido di carbonio (IV) e l'idrogeno solforato, gli ABC vengono lavati in torri impaccate con reagenti alcalini che formano con loro sali termicamente instabili: una soluzione acquosa di etanolammina o una soluzione calda di carbonato di potassio attivata dall'aggiunta di dietanolammina. In questo caso si verificano le seguenti reazioni:

H 2S+C 2OH-CH 2NH 2+HS- - ?Н,

COSÌ 2+ K 2CO3 + H 2Oh? 2KNSO3 - ?N.

Il monossido di carbonio (II) viene rimosso dall'ABC lavandolo con una soluzione di rame-ammoniaca di acetato di rame:

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

dove: AC \u003d CH3 COSÌ.

Gli assorbenti utilizzati per il chemisorbimento formano composti instabili con quelli assorbiti dall'ABC. Pertanto, quando le loro soluzioni vengono riscaldate e la pressione si riduce, le impurità disciolte vengono desorbite, il che rende facile rigenerare l'assorbente, restituirlo al processo e garantire i cicli operativi di assorbimento secondo lo schema:

dove: P è l'additivo assorbito da ABC, A è l'assorbente, PA è la combinazione dell'additivo e dell'assorbente.

Di più metodo efficace la purificazione dell'ABC dal monossido di carbonio (II) è il lavaggio dell'ABC con azoto liquido a -190 ° C, che viene utilizzato nelle moderne installazioni, durante il quale, oltre al monossido di carbonio (II), vengono rimossi da esso metano e argon.

La purificazione finale dell'ABC si ottiene mediante idrogenazione catalitica delle impurità, chiamata metanazione o pre-catalisi. Questo processo viene effettuato in speciali unità di metanazione (Fig. 14.6) ad una temperatura di 250-300°C e ad una pressione di circa 30 MPa su un catalizzatore di nichel-alluminio (Ni+Al 2o 3). In questo caso, le reazioni esotermiche di riduzione delle impurità contenenti ossigeno a metano, che non è un veleno per un catalizzatore di ferro, procedono e l'acqua condensa al raffreddamento del gas purificato e viene rimossa da esso:

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

COSÌ 2+ 4 ore 2?CH 4 + 2 ore 2LUI,

o 2+ 2 ore 2?2H 2LUI

Riso. 14.6. Schema dell'impianto di metanazione ABC: 1 - compressore, 2 - riscaldatore, 3 - reattore di metanazione, 4 - scaldabagno, 5 - condensatore, 6 - deumidificatore

Se nella precatalisi viene utilizzato un catalizzatore di ferro, nel processo di idrogenazione si forma anche dell'ammoniaca, nel qual caso la precatalisi viene chiamata soffiaggio.

Il processo di metanazione è semplice, facile da controllare, e il calore sprigionato dalle continue reazioni di idrogenazione esotermica viene utilizzato nello schema energetico-tecnologico generale per la produzione di ammoniaca. L'ABC purificato fornito per la sintesi contiene fino a 0025 vol. quota di argon, 0,0075 vol. quota di metano e non oltre, 00004 vol. quota di monossido di carbonio (II), che è il più potente veleno catalitico.

Il processo di sintesi dell'ammoniaca si basa su una reazione esotermica reversibile che procede con una diminuzione del volume del gas:

2+3 ore 2+2NH 3+Q.

Secondo il principio di Le Chatelier, all'aumentare della pressione e al diminuire della temperatura, l'equilibrio di questa reazione si sposta verso la formazione di ammoniaca. Per garantire la velocità ottimale del processo, sono necessari un catalizzatore, una maggiore pressione, una temperatura di 400 ... 500 ° C e una certa velocità volumetrica dei componenti che reagiscono. Nell'industria viene utilizzato un catalizzatore di ferro con additivi di ossidi di Al. 2o 3, A 2O, CaO e SiO2 .

Esistono i seguenti sistemi industriali di unità di sintesi dell'ammoniaca: bassa pressione (10 ... 20 MPa), media (20 ... 45 MPa) e alta pressione (60 ... 100 MPa). Nella pratica mondiale, i sistemi a media pressione sono ampiamente utilizzati, poiché in questo caso i problemi della separazione dell'ammoniaca da una miscela di azoto e idrogeno vengono risolti con maggior successo a una velocità di processo sufficientemente elevata.

CH 4+ H2 O? CO + 3 ore 2

La combustione parziale dell'idrogeno nell'ossigeno atmosferico si verifica:

H 2+ O 2 = H 2O (vapore)

Di conseguenza, in questa fase si ottiene una miscela di vapore acqueo, monossido di carbonio (II) e azoto.

L'unità principale dell'impianto per la produzione di ammoniaca è la colonna di sintesi (Fig. 1.1). La colonna tubolare nel sistema a media pressione è un cilindro 4 in acciaio al cromo-vanadio con uno spessore della parete fino a 200 mm, un diametro di 1 ... 1,4 me un'altezza di circa 20 m È chiuso dall'alto e sotto da coperture in acciaio 2.

Strutturalmente le colonne si differenziano principalmente per le dimensioni del corpo e per il dispositivo dell'impaccamento interno. Nella parte superiore della colonna in esame è presente un box catalizzatore 3, e nella parte inferiore è presente uno scambiatore di calore 8, che assicura il processo autotermico. La scatola del catalizzatore è collegata allo scambiatore di calore da un tubo centrale 7. Il corpo della colonna è dotato di isolamento termico 5. Il catalizzatore viene caricato sulla griglia 6. Per garantire una distribuzione uniforme della temperatura, nel letto del catalizzatore vengono introdotti dei tubi doppi 1.

Riso. 1.1. Colonna di sintesi dell'ammoniaca con tubi a doppio scambio termico in controcorrente

Attualmente, le colonne di sintesi dell'ammoniaca sono combinate con caldaie a vapore per il recupero del calore di scarto (1 tonnellata di ammoniaca rappresenta 0,6...1 tonnellata di vapore ad una pressione di 1,5...2 MPa). Le colonne di sintesi dell'ammoniaca a media pressione hanno una capacità di circa 150 tonnellate di ammoniaca al giorno e funzionano senza sostituire il catalizzatore per quattro anni.

Nella sintesi dell'ammoniaca a media pressione (Fig. 1.1), una miscela azoto-idrogeno (N 2:N 2=1:3) viene alimentato nella colonna 1, dove viene sintetizzata l'ammoniaca sul catalizzatore; dalla colonna esce una miscela di gas azoto-idrogeno-ammoniaca (contenuto di ammoniaca - 14 ... 20%), avente una temperatura di circa 200 ° C. Questa miscela viene inviata al refrigeratore d'acqua 2, raffreddata a 35 °C ed entra nel separatore 3. Qui, fino al 60% dell'ammoniaca formata nella colonna viene rilasciata dal gas (a una pressione di 30 MPa, l'ammoniaca non può condensare completamente nel frigorifero). L'ammoniaca viene rilasciata più completamente quando la miscela azoto-idrogeno viene raffreddata a temperature più basse. Questa miscela con i residui di ammoniaca del separatore 3 viene inviata al compressore di circolazione 4 e quindi al filtro 6 per separare l'olio del compressore. All'ingresso del filtro, ai gas circolanti viene aggiunta una miscela azoto-idrogeno fresca, compressa alla pressione di esercizio mediante un compressore multistadio 5. Dal filtro, la miscela di gas viene immessa nel sistema di condensazione secondaria dell'ammoniaca, costituito da una colonna di condensazione 7 ed un evaporatore di ammoniaca liquida 8. Nella colonna di condensazione, il gas è preraffreddato in uno scambiatore di calore posto nella parte superiore della colonna e quindi inviato all'evaporatore 8, dove, per evaporazione del ammoniaca liquida, il gas viene raffreddato a -5°C e l'ammoniaca viene condensata dal gas ad un contenuto residuo di circa il 2,5% di NH3 in esso. L'ammoniaca condensata viene rilasciata nella parte inferiore della colonna condensatore 7, che è il separatore. Dopo la separazione dell'ammoniaca, la miscela azoto-idrogeno raffredda il gas immettendolo nella parte superiore della colonna 7, per poi essere nuovamente inviato alla colonna di sintesi 1.

Nel caso di sintesi dell'ammoniaca a pressione maggiore (45 MPa e oltre), non è necessaria la sua condensazione secondaria, poiché il contenuto residuo di ammoniaca nella miscela azoto-idrogeno all'uscita del refrigeratore d'acqua è insignificante.

Riso. 17.16. Schema dell'impianto per la sintesi di ammoniaca a media pressione

Descrizione del processo tecnologico di produzione dell'ammoniaca e delle sue caratteristiche.

. Metodo ad arco.Il metodo ad arco consiste nel soffiare aria attraverso la fiamma di un arco elettrico. Ad una temperatura di circa 3000 ° C, si verifica una reazione reversibile

2+O 2?2NO - D.

L'ossido nitrico (II) risultante può essere ossidato in ossido nitrico (IV) e trasformato in acido nitrico e altri composti. Per ottenere 1 tonnellata di azoto legato con questo metodo, vengono consumati 60.000 ... 70.000 kWh di elettricità.

2. Metodo cianammide.Il primo processo industriale utilizzato per produrre ammoniaca è stato il processo cianammide. Quando la calce CaO e il carbonio sono stati riscaldati, è stato ottenuto il carburo di calcio CaC2. Il carburo è stato quindi riscaldato sotto azoto per dare calciocianammide CaCN2; ulteriore ammoniaca è stata ottenuta per idrolisi della cianammide:

CaCN 2(TV) + 3H 2O = 2NH 3? + CaCO3 (TV)

Questo processo richiedeva molta energia ed era economicamente non redditizio.

Il moderno processo per ottenere l'ammoniaca si basa sulla capacità del carburo di calcio finemente macinato a una temperatura di circa 1000 ° C di interagire con l'azoto secondo l'equazione

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

La quota di produzione di azoto legato con il metodo della cianammide è molto piccola.

Il metodo di fissazione dell'azoto dell'ammoniaca consiste nella sua sintesi da azoto e idrogeno utilizzando uno speciale catalizzatore:

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

Questo metodo ha un vantaggio economico e tecnologico rispetto ad altri metodi di fissazione dell'azoto elementare.

3. Metodo dell'ammoniaca.Il metodo dell'ammoniaca per legare l'azoto atmosferico consiste nel combinare l'azoto con l'idrogeno e ottenere l'ammoniaca:

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

È il più economico (il consumo di elettricità è di 4000…5000 kWh per 1 tonnellata di ammoniaca), tecnologicamente più facile da implementare rispetto ad altri metodi di fissazione dell'azoto atmosferico. Nella produzione totale di composti azotati, oltre il 90% è rappresentato dall'ammoniaca. L'idrogeno per questa reazione è ottenuto dal cracking termico degli idrocarburi, dall'azione del vapore acqueo sul carbone o dal ferro, dalla decomposizione degli alcoli con il vapore acqueo o dall'elettrolisi dell'acqua.

4. Una variante del metodo dell'ammoniaca.Nel 1909 fu sviluppato un metodo originale per la produzione simultanea di ammoniaca e ossido di alluminio dalla bauxite attraverso il nitruro di alluminio secondo lo schema mostrato in Fig. 14.4.

Riso. 14.4. Produzione di ammoniaca dalla bauxite

Gli impianti industriali secondo questo metodo furono costruiti nel periodo 1909-1918. in diversi paesi, ma il metodo non ha trovato applicazione a causa della bassa efficienza produttiva.

Chimica e principali schemi di produzione.

La fase principale del processo di sintesi dell'ammoniaca da una miscela nitrico-idrogeno è descritta dall'equazione:

N 2+ 3H2 = 2NH 3

Tuttavia, poiché il metodo predominante per produrre ABC è il reforming dell'aria e del vapore del metano, lo schema chimico per la produzione di ammoniaca include, oltre a questa reazione, diverse reazioni di reforming dell'aria e del vapore:

CH 4+ H 2O = ZH2 + CO,

CH 4+ 0,50 2(N 2) = 2H 2(n 2) + CO

e successiva conversione del monossido di carbonio (II) in monossido di carbonio (IV):

CO+H 2O = H2 + CO 2

colonna di assorbimento per la produzione di ammoniaca

Dopo aver rimosso il monossido di carbonio (IV) dalla miscela di gas e corretto la sua composizione, si ottiene ABC con un contenuto di azoto e idrogeno in un rapporto di 1: 3.

In questo modo, produzione moderna l'ammoniaca si compone di due fasi: la preparazione dell'ABC e la sua conversione in ammoniaca, rappresentando un unico schema energetico-tecnologico che unisce le operazioni di ottenimento dell'ABC, la sua purificazione e sintesi dell'ammoniaca e sfrutta efficacemente gli effetti termici di tutte le fasi del processo, che permette più volte di ridurre i costi energetici.

Riso. 14.7. schema elettrico produzione di ammoniaca

1 - purificazione del gas naturale dai composti dello zolfo, 2 - steam reforming del metano, 3 - air reforming del metano, 4 - conversione del monossido di carbonio (II), 5 - purificazione per chemisorbimento dell'ABC, 6 - metanazione, 7 - sintesi dell'ammoniaca , 8 - assorbimento di ammoniaca, 9-ammoniaca compressione, I-gas naturale, II-gas convertito, III-ABC, IV-metano

Lo schema di base della produzione di ammoniaca consiste in tre fasi:

La prima fase è la produzione di ABC (miscela di azoto):

I operazione: purificazione del gas naturale dai composti solforati;

I funzionamento: conversione a vapore di metano;

I funzionamento: conversione aria di metano;

I operazione: conversione del monossido di carbonio (II).

Il secondo stadio è la purificazione del gas dalle impurità della zavorra e dalle impurità che avvelenano il catalizzatore:

I operazione: purificazione di ABC mediante metodi di assorbimento da monossido di carbonio (II) e monossido di carbonio (IV);

I operazione: purificazione fine di ABC da monossido di carbonio (II) e monossido di carbonio (IV) mediante metanazione o precatalisi.

Il terzo stadio è la sintesi dell'ammoniaca da ABC in presenza di un catalizzatore.

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L'influenza della temperatura, della pressione e dei catalizzatori sulla velocità di reazione e sull'equilibrio chimico viene utilizzata attivamente nell'industria chimica nella produzione di molti prodotti chimici. In questa sezione faremo conoscenza produzione industriale ammoniaca e soffermarsi su come tutti questi fattori influenzano la sua produzione. Quindi faremo conoscenza con la produzione industriale di acido solforico.

PRODUZIONE INDUSTRIALE DI AMMONIACA

Ci sono otto piante di ammoniaca nel Regno Unito. La loro produttività congiunta supera i 2 milioni di tonnellate all'anno. Ogni anno nel mondo vengono attualmente prodotte circa 5 milioni di tonnellate di ammoniaca. Sulla fig. 7.1 si confronta la crescita della produzione di ammoniaca con la crescita della popolazione mondiale. Perché è necessario produrre un gran numero di ammoniaca?

Riso. 7.1. Crescita della popolazione mondiale e produzione mondiale di ammoniaca.

Tabella 7.2. Applicazioni di ammoniaca e prodotti correlati

È principalmente necessario per la produzione di fertilizzanti contenenti azoto. la produzione di fertilizzanti consuma circa l'80% di tutta l'ammoniaca prodotta] Insieme ai fertilizzanti contenenti azoto, viene applicata al terreno in una forma solubile di cui la maggior parte delle piante ha bisogno. Il restante 20% dell'ammoniaca prodotta viene utilizzato per produrre polimeri, esplosivi e altri prodotti! Nella tabella sono elencate varie applicazioni dell'ammoniaca. 7.2.

Produzione di ammoniaca

Il primo processo industriale utilizzato per produrre ammoniaca è stato il processo cianammide. Il carburo di calcio è stato ottenuto riscaldando calce e carbonio.Il carburo di calcio è stato quindi riscaldato sotto azoto per ottenere calciocianammide. L'ammoniaca è stata ottenuta per idrolisi del calciocianammide:

Questo processo richiedeva molta energia ed era antieconomico.

Nel 1911, F. Haber scoprì che l'ammoniaca può essere sintetizzata direttamente dall'azoto e dall'idrogeno utilizzando un catalizzatore di ferro. Il primo impianto a produrre ammoniaca con questo metodo utilizzava l'idrogeno, che si otteneva per elettrolisi in acqua, successivamente dall'acqua si cominciò ad ottenere l'idrogeno per riduzione con coke. Questo metodo di produzione di idrogeno è molto più economico.

Fritz Haber (1868 1934)

Nel 1908, il chimico tedesco Haber scoprì che l'ammoniaca può essere prodotta dall'idrogeno e dall'azoto atmosferico su un catalizzatore di ferro. Questo processo richiede alta pressione e temperatura moderatamente alta. La scoperta di Haber permise alla Germania di continuare a produrre esplosivi durante la prima guerra mondiale. In questo momento, il blocco dell'Intesa impediva l'importazione in Germania di giacimenti naturali di nitrato di potassio (salnitro cileno), che in precedenza era stato utilizzato come materia prima per la produzione di esplosivi.

Un anno dopo aver sviluppato il processo di sintesi dell'ammoniaca, Haber ha creato un elettrodo di vetro per misurare il pH (proprietà acido-base) delle soluzioni (vedi Cap. 10).

Haber ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1918. Dopo che Hitler salì al potere, Haber fu costretto a emigrare dalla Germania nel 1933.

(La produzione di acido nitrico e nitrato dall'ammoniaca è descritta nella sezione 1)

Moderno processo di produzione dell'ammoniaca

Il moderno processo per ottenere l'ammoniaca si basa sulla sua sintesi da azoto e idrogeno a temperature di 380-450 ° C e una pressione di 250 atm utilizzando un catalizzatore di ferro:

L'azoto è ottenuto dall'aria. L'idrogeno è prodotto dalla riduzione dell'acqua (vapore) con l'aiuto del metano dal gas naturale o dalla nafta. La nafta (nafta) è una miscela liquida di idrocarburi alifatici, che si ottiene durante la lavorazione del petrolio greggio (vedi Cap. 18).

Il lavoro di un moderno impianto di ammoniaca è molto complesso. Sulla fig. La figura 7.2 mostra uno schema semplificato di un impianto di ammoniaca funzionante a gas naturale. Questo schema d'azione comprende otto fasi.

1a fase. Rimozione dello zolfo dal gas naturale. Ciò è necessario perché lo zolfo è un veleno catalitico (vedi Sezione 9.2).

2a fase. Produzione di idrogeno mediante riduzione di vapore a 750°C e pressione di 30 atm utilizzando un catalizzatore al nichel:

3a fase. Presa d'aria e combustione di parte dell'idrogeno nell'ossigeno dell'aria iniettata:

Il risultato è una miscela di vapore acqueo, monossido di carbonio e azoto. Il vapore acqueo si riduce con la formazione di idrogeno, come nel 2° stadio.

4a fase. Ossidazione del monossido di carbonio formato nei passaggi 2 e 3 in anidride carbonica mediante la seguente reazione di "spostamento":

Questo processo viene effettuato in due "reattori di taglio". Nella prima viene utilizzato un catalizzatore a base di ossido di ferro e il processo viene effettuato ad una temperatura dell'ordine di 400°C. Il secondo utilizza un catalizzatore di rame e il processo viene effettuato ad una temperatura di 220°C.

Riso. 7.2. Fasi del processo industriale per ottenere l'ammoniaca.

5a fase. Eliminare l'anidride carbonica da una miscela di gas utilizzando una soluzione alcalina tamponata di carbonato di potassio o una soluzione di qualche ammina, come l'etanolamina. L'anidride carbonica viene infine liquefatta e utilizzata per produrre urea o rilasciata nell'atmosfera.

6a fase. Dopo il 4° stadio, nella miscela di gas rimane circa lo 0,3% di monossido di carbonio. Poiché può avvelenare il catalizzatore di ferro durante la sintesi dell'ammoniaca (8° passaggio), il monossido di carbonio viene rimosso mediante conversione da idrogeno a metano su un catalizzatore di nichel a 325°C.

7a fase. La miscela di gas, che ora contiene circa il 74% di idrogeno e il 25% di azoto, viene compressa; mentre la sua pressione aumenta da 25-30 atm a 200 atm. Poiché ciò porta ad un aumento della temperatura della miscela, viene immediatamente raffreddata dopo la compressione.

8a fase. Il gas del compressore entra ora nel "ciclo di sintesi dell'ammoniaca". Lo schema mostrato in fig. 7.2 offre una visione semplificata di questa fase. In primo luogo, la miscela di gas entra nel convertitore catalitico, che utilizza un catalizzatore di ferro e mantiene una temperatura di 380-450°C. La miscela di gas in uscita da questo convertitore non contiene più del 15% di ammoniaca. Quindi l'ammoniaca viene liquefatta e inviata alla tramoggia di ricezione e i gas non reagiti vengono restituiti al convertitore.

Selezione delle condizioni ottimali per il processo di sintesi dell'ammoniaca

Affinché il processo di sintesi dell'ammoniaca sia il più efficiente ed economico possibile, è necessario selezionare attentamente le condizioni per la sua attuazione. Gli indicatori più importanti che vengono presi in considerazione in questo caso sono: 1) potenza, 2) velocità e 3) intensità energetica del processo. Passiamo all'ottava fase del processo, cioè direttamente alla sintesi dell'ammoniaca, e studiamo l'influenza di pressione, temperatura e catalizzatori sull'efficienza di questo processo.

Influenza della pressione. Come accennato in precedenza, la produzione di ammoniaca può essere rappresentata dalla seguente equazione:

La costante di equilibrio di questa reazione è data da

Se esprimiamo le pressioni parziali dei gas inclusi in questa espressione in termini delle loro frazioni molari e della pressione totale P nel sistema, otteniamo la seguente espressione:

Questa espressione può essere semplificata dandole la forma

A una data temperatura, il valore deve rimanere costante. Se la pressione totale P nel sistema aumenta, il termine nell'espressione sopra deve diminuire. Ne consegue che poiché la grandezza deve rimanere costante, il rapporto deve aumentare. Pertanto, un aumento della pressione totale dovrebbe comportare un aumento e una diminuzione, quindi un aumento della pressione favorisce il flusso di una reazione diretta, ovvero un aumento della resa di ammoniaca.

Influenza della temperatura e dei catalizzatori. La sintesi dell'ammoniaca è un processo esotermico (vedi Tabella 7.1, a). Pertanto, un aumento della temperatura dovrebbe favorire la reazione inversa (vedere la sezione precedente). Ciò significa che l'abbassamento della temperatura dovrebbe aumentare la resa della reazione di sintesi dell'ammoniaca (Fig. 7.3). Purtroppo, tuttavia, alle basse temperature la velocità di questa reazione, e quindi la velocità di produzione di ammoniaca, è notevolmente rallentata. In altre parole, a basse temperature, il processo dovrebbe avere una bassa produttività, e quindi una bassa efficienza. Per ottenere prestazioni ottimali, è necessario scegliere un compromesso tra due estremi:

1) alta resa e bassa velocità di reazione (a basse temperature) e

2) bassa resa e alta velocità di reazione (ad alte temperature).

Riso. 7.3. Effetto della temperatura e della pressione sulla resa di ammoniaca nel processo Haber (il termine "resa relativa" è spiegato nella sezione 4.2).

Naturalmente, la velocità di reazione viene aumentata utilizzando un catalizzatore. Pertanto, il catalizzatore consente di eseguire il processo in modo più efficiente a basse temperature. L'efficienza del catalizzatore di ferro utilizzato per la sintesi dell'ammoniaca aumenta se ad esso vengono aggiunti i cosiddetti promotori. Gli ossidi di potassio e di alluminio vengono utilizzati per promuovere l'efficienza del catalizzatore di ferro.

Un esame dettagliato dell'economia del processo di sintesi dell'ammoniaca mostra che per ottenere una resa e una produttività ottimali, la temperatura dovrebbe essere mantenuta a circa 400°C e la pressione a 250 atm.

Bilancio energetico

Una tipica pianta di ammoniaca produce circa 1000 tonnellate di ammoniaca al giorno. Allo stesso tempo, il fabbisogno di vapore acqueo è di 6000 tonnellate/giorno per azionare le turbine a vapore da cui operano i compressori. Fortunatamente, i processi chimici coinvolti nella produzione di ammoniaca sono esotermici. Tutta l'energia che viene rilasciata fasi iniziali processo di produzione dell'ammoniaca, viene utilizzato per produrre vapore altamente compresso. L'energia rilasciata direttamente dalla sintesi dell'ammoniaca stessa (stadio 8) viene utilizzata per mantenere la temperatura del catalizzatore a 400°C. L'efficienza termica complessiva di un impianto di ammoniaca è di circa il 60%. In altre parole, circa il 40% dell'energia consumata, fornita dal gas naturale, è una dispersione termica.

Caratteristiche progettuali di una pianta di ammoniaca

La progettazione di un moderno impianto di ammoniaca, il suo personale e il suo funzionamento richiedono la partecipazione di specialisti qualificati e l'uso di sofisticate apparecchiature ingegneristiche. Ad esempio, i compressori utilizzati nel 3° stadio del processo per la compressione dell'aria e nel 7° stadio per la compressione del gas di sintesi (miscela di azoto e idrogeno) devono essere progettati per resistere a pressioni molto elevate, in alcuni casi fino a 350 atm. Questi compressori sono azionati da turbine a vapore, che ricevono vapore ad una pressione di 100 atm ea temperature superiori a 400°C. Tali turbine ruotano a velocità fino a diverse migliaia di giri al minuto.

Anche i reattori in cui viene effettuata la sintesi dell'ammoniaca devono soddisfare requisiti molto elevati. A pressioni e temperature elevate a cui operano questi reattori, l'idrogeno può attaccare l'acciaio diffondendosi nel metallo. Di conseguenza, l'idrogeno reagisce con il carbonio contenuto nell'acciaio per formare metano. Questo porta alla formazione di fori nel metallo e rende l'acciaio fragile. Per evitare ciò, i reattori sono costruiti con leghe speciali contenenti cromo, molibdeno e nichel.

Di grande importanza economica è anche l'ubicazione dell'impianto di ammoniaca. Idealmente, un tale impianto dovrebbe essere posizionato vicino a 1) fonti di energia;

2) fonti d'acqua utilizzabili in grandi quantità;

3) vie di trasporto: autostrade, linee ferroviarie, fiumi o mari.

Quattro impianti di ammoniaca nel Regno Unito si trovano vicino a Billingham sul fiume. Tay (in Scozia). Questo luogo è stato scelto un tempo per la sua vicinanza ai giacimenti di carbone di Durham. Si è dimostrato conveniente anche oggi grazie alla sua vicinanza ai giacimenti di petrolio e gas sulla piattaforma continentale del Mare del Nord.

L'ammoniaca (NH 3) è un composto di azoto e idrogeno. È un gas leggero con un odore pungente. Ottenere l'ammoniaca nell'industria e nei laboratori è necessario per la produzione di fertilizzanti, polimeri, acido nitrico e altre sostanze.

Nell'industria

L'ammoniaca viene prodotta industrialmente dall'azoto combinandolo con l'idrogeno. L'azoto viene prelevato dall'aria, l'idrogeno dall'acqua. Il metodo è stato sviluppato per la prima volta dal chimico tedesco Fritz Haber. Il metodo industriale per produrre l'ammoniaca iniziò a essere chiamato processo Haber.

La reazione procede con una diminuzione di volume e il rilascio di energia sotto forma di calore:

3H 2 + N 2 → 2NH 3 + Q.

La reazione è reversibile, quindi devono essere soddisfatte diverse condizioni. Ad alta pressione e basse temperature, la quantità di ammoniaca prodotta aumenta. Tuttavia, le basse temperature rallentano la velocità della reazione e un aumento della temperatura aumenta la velocità della reazione inversa.

Empiricamente, sono state trovate le condizioni necessarie per la reazione:

temperatura- 500°C;
pressione- 350 ATM;
catalizzatore- ossido di ferro Fe 3 O 4 (magnetite) con impurità di ossidi di argento, potassio, calcio e altre sostanze.

In queste condizioni, il gas risultante contiene il 30% di ammoniaca. Per evitare una reazione inversa, la sostanza viene raffreddata rapidamente. A basse temperature, il gas risultante si trasforma in un liquido. I gas non consumati - azoto e idrogeno - vengono restituiti alla colonna di sintesi. Questo metodo aiuta ad ottenere rapidamente grandi volumi di ammoniaca, massimizzando l'utilizzo delle materie prime.

Riso. 1. Ottenere l'ammoniaca industrialmente.

Per trovare il catalizzatore giusto, sono state provate 20.000 sostanze diverse.

In laboratorio

Per ottenere l'ammoniaca in laboratorio, viene utilizzata la reazione degli alcali ai sali di ammonio:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

Inoltre, l'ammoniaca può essere ottenuta in laboratorio dal cloruro di ammonio riscaldato insieme alla calce spenta o dalla decomposizione dell'idrossido di ammonio:

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

Riso. 2. Ottenere l'ammoniaca in laboratorio.

L'ammoniaca può essere completamente essiccata usando una miscela di calce e soda caustica, attraverso la quale viene fatto passare il gas risultante. Allo stesso scopo, l'ammoniaca liquida viene miscelata con sodio metallico e sottoposta a distillazione.

L'ammoniaca è più leggera dell'aria, quindi la provetta viene tenuta capovolta per raccoglierla.

Applicazione

L'ammoniaca è utilizzata in vari settori:

in agricoltura- per la produzione di fertilizzanti azotati;
nell'industria - per la produzione di polimeri, esplosivi, ghiaccio artificiale;
in chimica - per la produzione di acido nitrico, soda;
in medicina - come ammoniaca.

Riso. 3. Fabbricazione di fertilizzanti.

Cosa abbiamo imparato?

L'ammoniaca è prodotta con metodi industriali e di laboratorio. Per la produzione su scala industriale vengono utilizzati azoto e idrogeno. Mescolando ad alta temperatura, pressione e sotto l'azione di un catalizzatore, le sostanze semplici formano l'ammoniaca. Per evitare che la reazione ad alta temperatura vada nella direzione opposta, il gas viene raffreddato. In laboratorio, l'ammoniaca si ottiene facendo reagire i sali di ammonio con alcali, grassello di calce o decomponendo l'idrossido di ammonio. L'ammoniaca è utilizzata nell'industria chimica, nell'agricoltura, nella medicina e nella chimica.

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Il moderno processo per ottenere l'ammoniaca si basa sulla sua sintesi da azoto e idrogeno a temperature di 380 - 450 0C e una pressione di 250 atm utilizzando un catalizzatore di ferro:

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

1a fase. Rimozione dello zolfo dal gas naturale. Ciò è necessario perché lo zolfo è un veleno catalitico (vedi Sezione 9.2).

2a fase. Produzione di idrogeno mediante riduzione di vapore a 750 0C e pressione di 30 atm utilizzando un catalizzatore al nichel:

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

3a fase. Presa d'aria e combustione di parte dell'idrogeno nell'ossigeno dell'aria iniettata:

2H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (g) Il risultato è una miscela di vapore, monossido di carbonio e azoto. Il vapore acqueo si riduce con la formazione di idrogeno, come nel 2° stadio.

4a fase. Ossidazione del monossido di carbonio formato negli stadi 2 e 3 ad anidride carbonica mediante la seguente reazione di "shift": CO (g) + H2O (g) = CO2 (g) + H2 (g)

Questo processo viene effettuato in due "reattori di taglio". Il primo utilizza un catalizzatore a base di ossido di ferro e il processo viene eseguito ad una temperatura di circa 400°C. Il secondo utilizza un catalizzatore di rame e il processo viene eseguito ad una temperatura di 220°C.

5a fase. Lavare l'anidride carbonica da una miscela di gas utilizzando una soluzione alcalina tamponata di carbonato di potassio o una soluzione di qualche ammina, come l'etanolammina NH2CH2CH2OH. L'anidride carbonica viene infine liquefatta e utilizzata per produrre urea o rilasciata nell'atmosfera.