Din ce se obține amoniacul? Materii prime pentru producerea amoniacului

Obiectivele lecției.

educational- în timpul lecției, să asigure formarea de noi cunoștințe a elevilor despre amoniac, structura, proprietățile, producția și utilizarea acestuia.
Luați în considerare structura moleculei de amoniac. Prezentați elevilor legăturile de hidrogen. Explorați proprietățile amoniacului. Luați în considerare mecanismul donor-acceptor al formării legăturilor chimice
Educational- capacitatea de a compara, generaliza, dezvolta gândirea, interesul pentru subiect.
Educational- comportament în sala de chimie, observație la vizionarea unui videoclip, pentru a forma o cultură a informației și comunicării.

Echipamente. Apa amoniacala, NH4Cl si Ca(OH)2 cristalin, fenolftaleina, aparat pentru obtinerea gazelor, HCl (conc), KMnO4 (pentru obtinerea O2), KI, amidon, test de turnesol, cristalizator, cilindru, baghete de sticla, stand de laborator.

ÎN CURILE CURĂRILOR

I. Actualizarea cunoștințelor de bază.

Facem un antrenament chimic.

a) numiți posibilele stări de oxidare ale azotului;

b) în ce cazuri azotul va prezenta proprietăți oxidante și în care - reducător?

c) enumerați proprietățile fizice ale azotului.

d) care este motivul inerției chimice a azotului?

e) în ce condiții reacționează azotul cu alte substanțe?

e) În ce formă apare azotul în natură?

h) care este rolul azotului în viața naturii?

II. Învățarea de materiale noi.

1. Structura moleculei.

Când deschizi ușa frigiderului, simți frig. Deci, ce substanță cauzează acest fenomen?

Lucrați în perechi.

Instrucțiunea numărul 1.

1. Scrieți ecuațiile de reacție pentru compușii hidrogen ai azotului.

2. Desenați formula electronică și structurală a acestui compus.

3. Determinați legătura chimică din această moleculă.

4. Ce caracteristică a structurii electronice vedeți la atomul de azot?

Elevii lucrează independent în perechi cu un manual pp. 47-48

Apoi, verificăm corectitudinea sarcinii finalizate prin multimedia (diapozitivul nr. 1, 2, 3 și 4) Prezentare .

2. Determinați proprietățile fizice ale amoniacului.

Intrebare problematica. Care este motivul solubilității bune a amoniacului în apă?

Rețeaua cristalină a amoniacului este moleculară; molecula este ușoară, dar spre deosebire de molecula de azot, este polară.

Prin urmare, ce puncte de fierbere și de topire ar trebui să aibă amoniacul?

Elevii: se poate presupune că - scăzut.

Deoarece polaritatea moleculei face posibilă conectarea forțelor electrostatice de atracție la forțe intermoleculare simple.

Structura moleculei face, de asemenea, posibilă prezicerea unei solubilități bune în apă.

Acest lucru se datorează apariției între moleculele sale a unei legături chimice speciale - hidrogen. (diapozitivul numărul 5). Atomul de azot are o pereche de electroni liberi în molecula de amoniac, prezența unei sarcini parțiale (+) pe atomul de hidrogen și prezența unei sarcini parțiale (-) pe atomul de azot.

Hidrogenul este legătura dintre atomii de hidrogen ai unei molecule și atomii elementelor electronegative ai altei molecule (F, O, N). (diapozitivul numărul 5)

Concluzie: atunci când presiunea crește, amoniacul se transformă în stare lichidă. Evaporarea amoniacului lichid cu o scădere a presiunii este însoțită de o răcire puternică a obiectelor din jur. Această proprietate este utilizată în unitățile frigorifice.

Amoniacul este un gaz incolor.
Îi gâdilă gura.
Înțepă nasul și ustură ochii.
Amoniacul este otrăvitor!
Amoniacul este un solvent.
Modificări de la gaz la lichid
Amoniacul este un diamagnet.
De asemenea, nu conduce curentul.
amoniac uscat
Explodează în aer.
Se dizolvă în apă.
Explozivi, îngrășăminte

Nu este lista plina aplicarea acestuia.

3. Obținerea amoniacului în laborator.

Demonstrăm experiență. Încălzim amestecul de clorură de amoniu cu hidroxid de calciu.

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

Amoniacul rezultat este dizolvat în apă, la care adăugăm fenolftaleină. Soluția de amoniac devine violet.

De ce soluția de amoniac devine violet?

elevi: ion hidroxid prezent în soluție, mediu alcalin.

Profesor. În apa cu amoniac, cea mai mare parte a amoniacului este sub formă de molecule de NH3, echilibrul este deplasat spre stânga (deoarece NH3 este un electrolit slab) și o astfel de apă conține multe molecule de NH3, așa că miroase a amoniac. Vă arăt cum să manipulați corect soluțiile de substanțe cu miros puternic.

Demonstrăm decolorarea apei cu amoniac colorate cu fenolftaleină atunci când este încălzită. De ce s-a întâmplat asta?

elevi: conexiune slabă.

La încălzire, solubilitatea gazelor (NH3-gaz) scade, amoniacul se evaporă, echilibrul de reacție se deplasează și mai mult spre stânga, ionul hidroxid (OH) practic nu rămâne în soluție. Soluția apoasă devine neutră.

Intrebare problema: din ce materii prime și în ce moduri se pot produce îngrășăminte cu azot?

elevi Se presupune că din azotul aerului.

Această sarcină a fost înaintată științei ruse de către D.I. Mendeleev, care a scris: „Una dintre sarcinile chimiei aplicate este de a găsi o metodă avantajoasă din punct de vedere tehnic pentru obținerea compușilor care conțin azot asimilabil din azot din aer. Viitorul agriculturii depinde foarte mult de descoperirea unei astfel de metode.”

Cel mai rentabil mod de legare industrială a azotului atmosferic este sinteza amoniacului din azot și hidrogen:

Profesor: Descrieți această reacție.

elevi:

exotermic
reversibil
catalitic
eterogen
cu reducerea volumului

Profesor: Ce condiții de schimbare a echilibrului sunt necesare pentru a crește randamentul de amoniac?

elevi: scăderea temperaturii, creșterea presiunii.

Producția de amoniac este mică și nu este rentabilă să se efectueze sinteza industrială cu astfel de indicatori.

Discutăm cu studenții posibilitatea creșterii randamentului practic de amoniac. Un criteriu important pentru eficiența producției este productivitatea reactorului. Analiza datelor cantitative privind creșterea concentrației de amoniac în amestecul de azot-hidrogen pe măsură ce reacția se desfășoară ne permite să concluzionăm că productivitatea reactorului poate fi crescută prin reducerea timpului de reacție. Acest lucru reduce producția de amoniac per trecere a amestecului de gaz prin reactor, iar gazul nereacționat poate fi returnat la producție. Astfel, ideea de circulație este un principiu tehnologic important, oportun din punct de vedere economic, crescând productivitatea reactorului. Sunt necesare cerințe pentru calitatea materiilor prime, ar trebui să conțină cât mai puține impurități, cum ar fi argon, metan. Materiile prime trebuie curățate temeinic de substanțele toxice pentru catalizator (de exemplu, din compușii sulfului). Catalizatorul pentru sinteza amoniacului este fierul, activat de aditivi (oxizi de aluminiu si potasiu) pentru a da o activitate stabila ridicata.

4. Formarea cationului de amoniu are loc conform mecanismului donor-acceptor.

Atomul de azot are o pereche de electroni liberi, datorită căreia se formează o altă legătură covalentă cu cationul de hidrogen, care trece la amoniac din apă sau molecule de acid. (diapozitivul numărul 6)

Prin acest mecanism se adaugă cationului de hidrogen +H din molecula de apă moleculei de amoniac și se formează ionul +NH4, în care se formează trei legături covalente prin mecanismul de schimb, iar a patra prin mecanismul donor-acceptor. Cu toate acestea, toate conexiunile sunt egale.

5. Proprietăți chimice.

a) solubilitatea amoniacului în apă.

Experienta demonstrata: coborâm eprubeta umplută cu amoniac în cristalizatorul cu apă, la care s-a adăugat puțin fenolftaleină. Apa umple rapid eprubeta, iar soluția de amoniac devine purpurie.

Solubilitatea amoniacului în apă este foarte mare - 700 de volume de amoniac sunt dizolvate într-un volum de apă. De ce amoniacul se dizolvă bine în apă?

elevi. Motivul este formarea legăturilor de hidrogen.

Profesor: ce fel de mediu are o soluție apoasă de amoniac?

elevi: alcalin.

Profesor: deci ce proprietăți ar trebui să aibă o soluție apoasă de amoniac?

elevi: de bază.

Ce concluzie putem trage din asta?

Concluzie: amoniacul apos este o bază.

Profesor: dacă o soluție apoasă de amoniac este o bază, atunci cu ce substanțe va interacționa?

elevi: cu acizi.

Experienta demonstrata:„fum fără foc”, aducem unul la altul două baghete de sticlă umezite cu soluții concentrate de amoniac și acid clorhidric. Între aceste bețe apare fum din belșug.

Scrieți în ecuații ionice complete și scurte reacția unei soluții apoase de amoniac cu acidul clorhidric.

Un elev notează ecuația reacției la tablă, apoi verifică înregistrările în caiete.

NH 3 + HCl \u003d NH 4 Cl

Profesor: ce fel de sare s-a format și dați-i un nume?

Elevii numesc această sare.

Formarea cationului de amoniu la interacțiunea cu acizii are loc conform mecanismului donor-acceptor.

Atragem atenția elevilor că donatorul este azotul, iar acceptorul este hidrogenul, deoarece. azotul are o pereche de electroni liberi, iar hidrogenul are un orbital liber.

În amoniac, azotul are un s.d. mai mic. (-3).

Deci, ce va fi amoniacul în reacțiile redox?

Urmărește videoclipul interacțiunii amoniacului cu oxigenul (cu și fără catalizator).

După ce am vizionat videoclipul, îi rog pe băieți să scrie ecuațiile reacțiilor cu oxigenul, să pună jos s.d. și coeficienți prin metoda balanței electronice.

Verificăm corectitudinea scrierii ecuațiilor (diapozitivul nr. 7, 8)

Concluzie: azotul din amoniac are un d.d mai mic. (-3), prin urmare, azotul poate dona doar electroni, crescându-și SD, prin urmare amoniacul prezintă doar proprietăți reducătoare. Proprietățile chimice ale amoniacului merg cu o schimbare a s.d. azot şi cu formarea unei legături covalente prin mecanismul donor-acceptor.

III. Fixare:

a) Cum poate fi identificat amoniacul? (prin miros; prin pătarea hârtiei indicatoare umede - devine albastră; prin apariția fumului când se ridică o baghetă de sticlă umezită cu acid clorhidric concentrat).

b) ce tip de reacție are loc când amoniacul reacţionează cu acizii? (conexiuni)

c) scrieți ecuațiile pentru reacția amoniacului cu acidul fosforic și dați denumirile sărurilor rezultate.

IV. Teme pentru acasă $17 c.52 exercitiu 6,7,9- 1 nivel; 6-11- Nivelul 2. Pregătiți nota de aplicare și valoarea amoniacului.

Metode de obținere a amoniacului

Materia primă pentru producerea amoniacului este un amestec nitric-hidrogen (ABC) cu compoziție stoechiometrică N2:H2 = 1:3.combustibil, conversie gaz natural(Fig. 14.5).

Orez. 14.5. Materii prime pentru producerea amoniacului

Structura bazei de materie primă pentru producția de amoniac s-a schimbat și peste 90% din amoniac este produs pe baza naturii - 14.3 arată dinamica modificărilor în structura principalelor tipuri de materii prime pentru producția de amoniac.

Tabelul 14.3. Modificări în baza de materie primă a producției de amoniac

Amestecul azot-hidrogen, indiferent de metoda de preparare, conține impurități de substanțe, dintre care unele sunt otrăvuri catalitice, provocând atât reversibile (oxigen, oxizi de carbon, vapori de apă) cât și ireversibile ( diverse conexiuni sulf și fosfor) intoxicații cu catalizator.

Pentru a elimina aceste substanțe, ABC suferă o pretratare, ale cărei metode și adâncimea depind de natura și conținutul lor, adică de metoda de producere a ABC.De obicei, ABC obținut prin conversia gazelor naturale conține monoxid de carbon (IV ), metan, argon, urme de oxigen și până la 0,4% vol. monoxid de carbon (II).

Absorbția cu captatori lichizi (metoda umedă) și adsorbția cu captatori solizi (metoda uscată) sunt utilizate în industrie pentru purificarea ABC. În același timp, procesul de curățare poate fi efectuat în diferite etape de producție:

Sursa de gaz înainte de a-l depune pentru conversie;

gazul transformat pentru a elimina monoxidul de carbon (IV) din acesta;

Amestecul de azot imediat înainte de sinteza amoniacului (purificare fină ABC).

Primele două procese sunt luate în considerare în descrierea industriilor respective.

Purificarea fină a ABC se realizează prin chimisorbția impurităților cu reactivi lichizi și, în final, prin hidrogenarea catalitică a acestora sau spălarea ABC cu azot lichid.

Pentru a elimina monoxidul de carbon (IV) și hidrogenul sulfurat, ABC-urile sunt spălate în turnuri împachetate cu reactivi alcalini care formează cu ei săruri instabile termic: o soluție apoasă de etanolamină sau o soluție fierbinte de carbonat de potasiu activată prin adăugarea de dietanolamină. În acest caz, au loc următoarele reacții:

H 2S+CH 2OH-CH 2NH 2+HS- - ?Н,

ASA DE 2+ K 2CO3 + H 2Oh? 2KNSO3 - ?N.

Monoxidul de carbon (II) este îndepărtat din ABC prin spălare cu o soluție de cupru-amoniac de acetat de cupru:

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

unde: AC \u003d CH3 SOO.

Absorbanții utilizați pentru chimisorbție formează compuși instabili cu cei absorbiți din ABC. Prin urmare, atunci când soluțiile lor sunt încălzite și presiunea este redusă, impuritățile dizolvate sunt desorbite, ceea ce face ușoară regenerarea absorbantului, returnarea acestuia în proces și asigurarea ciclurilor de funcționare a absorbției conform schemei:

unde: P este amestecul absorbit din ABC, A este absorbantul, PA este combinația dintre amestec și absorbant.

Mai mult metoda eficienta purificarea ABC de monoxid de carbon (II) este spălarea ABC cu azot lichid la -190 ° C, care este utilizată în instalațiile moderne, timp în care, pe lângă monoxidul de carbon (II), metanul și argonul sunt îndepărtați din acesta.

Purificarea finală a ABC se realizează prin hidrogenarea catalitică a impurităților, numită metanizare sau pre-cataliză. Acest proces se desfășoară în unități speciale de metanizare (Fig. 14.6) la o temperatură de 250-300 ° C și o presiune de aproximativ 30 MPa pe un catalizator de nichel-aluminiu (Ni + Al 2O 3). În acest caz, au loc reacțiile exoterme de reducere a impurităților care conțin oxigen la metan, care nu este o otravă pentru un catalizator de fier, iar apa se condensează atunci când gazul purificat este răcit și este îndepărtat din acesta:

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

ASA DE 2+ 4 ore 2?CH 4 + 2H 2EL,

O 2+ 2 ore 2-2H 2EL

Orez. 14.6. Schema instalației de metanizare ABC: 1 - compresor, 2 - încălzitor, 3 - reactor de metanizare, 4 - încălzitor de apă, 5 - condensator, 6 - dezumidificator

Dacă în precataliză se folosește un catalizator de fier, în timpul procesului de hidrogenare se formează și amoniac, caz în care precataliza se numește suflare.

Procesul de metanizare este simplu, ușor de controlat, iar căldura degajată ca urmare a reacțiilor de hidrogenare exotermă în desfășurare este utilizată în schema energetico-tehnologică generală pentru producerea amoniacului. ABC purificat furnizat pentru sinteză conține până la 0025 vol. cota de argon, 0,0075 vol. cota de metan și nu mai mult, 00004 vol. ponderea monoxidului de carbon (II), care este cea mai puternică otravă catalitică.

Procesul de sinteză a amoniacului se bazează pe o reacție exotermă reversibilă care are loc cu o scădere a volumului gazului:

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

În conformitate cu principiul Le Chatelier, pe măsură ce presiunea crește și temperatura scade, echilibrul acestei reacții se deplasează spre formarea amoniacului. Pentru a asigura viteza optimă a procesului, sunt necesare un catalizator, o presiune crescută, o temperatură de 400 ... 500 ° C și o anumită viteză volumetrică a componentelor care intră în reacție. În industrie, se folosește un catalizator de fier cu aditivi de oxizi de Al. 2O 3, LA 2O, CaO și SiO2 .

Există următoarele sisteme industriale de unități de sinteză a amoniacului: joasă presiune (10…20 MPa), medie (20…45 MPa) și înaltă presiune (60…100 MPa). În practica mondială, sistemele de presiune medie sunt utilizate pe scară largă, deoarece în acest caz problemele separării amoniacului dintr-un amestec de azot-hidrogen sunt rezolvate cu cel mai mare succes la o viteză de proces suficient de mare.

CH 4+ H2 O? CO + 3H 2

Are loc arderea parțială a hidrogenului în oxigenul atmosferic:

H 2+ O 2 = H 2O (abur)

Ca urmare, în această etapă, se obține un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon (II) și azot.

Unitatea principală a instalației de producere a amoniacului este coloana de sinteză (Fig. 1.1). Coloana tubulară în sistemul de presiune medie este un cilindru 4 din oțel crom-vanadiu cu o grosime a peretelui de până la 200 mm, un diametru de 1 ... 1,4 m și o înălțime de aproximativ 20 m. De sus și dedesubt. este închis cu capace din oțel 2.

Din punct de vedere structural, coloanele diferă în principal prin dimensiunea corpului și dispozitivul ambalajului intern. În partea superioară a coloanei luate în considerare, se află o cutie de catalizator 3, iar în partea inferioară se află un schimbător de căldură 8, care asigură procesul autotermic. Cutia de catalizator este conectată la schimbătorul de căldură printr-un tub central 7. Corpul coloanei are izolație termică 5. Catalizatorul este încărcat pe grătarul 6. Pentru a asigura o distribuție uniformă a temperaturii, în patul de catalizator se introduc țevi duble 1.

Orez. 1.1. Coloană de sinteză a amoniacului cu tuburi duble de schimb de căldură în contracurent

În prezent, coloanele de sinteză a amoniacului sunt combinate cu cazane de abur pentru recuperarea căldurii reziduale (1 tonă de amoniac reprezintă 0,6...1 tonă de abur la o presiune de 1,5...2 MPa). Coloanele de sinteză a amoniacului la presiune medie au o capacitate de aproximativ 150 de tone de amoniac pe zi și funcționează fără a înlocui catalizatorul timp de patru ani.

În sinteza amoniacului la presiune medie (Fig. 1.1), un amestec de azot-hidrogen (N 2:N 2=1:3) este alimentat în coloana 1, unde amoniacul este sintetizat pe catalizator; un amestec gazos azot-hidrogen-amoniac părăsește coloana (conținut de amoniac - 14 ... 20%), având o temperatură de aproximativ 200 ° C. Acest amestec este trimis la răcitorul de apă 2, răcit la 35 °C și intră în separatorul 3. Aici, până la 60% din amoniacul format în coloană este eliberat din gaz (la o presiune de 30 MPa, amoniacul nu poate condensa complet în frigider). Amoniacul este eliberat mai complet atunci când amestecul de azot-hidrogen este răcit la temperaturi mai scăzute. Acest amestec cu reziduuri de amoniac din separatorul 3 este trimis la compresorul de circulație 4 și apoi la filtrul 6 pentru a separa uleiul compresorului. La intrarea în filtru, la gazele circulante se adaugă un amestec proaspăt de azot-hidrogen, comprimat la presiunea de funcționare cu ajutorul unui compresor cu mai multe trepte 5. Din filtru, amestecul de gaz este alimentat în sistemul de condensare secundar de amoniac, format din o coloană de condensare 7 și un evaporator de amoniac lichid 8. În coloana de condensare, gazul este pre-răcit într-un schimbător de căldură situat în partea superioară a coloanei și apoi trimis la evaporatorul 8, unde, datorită evaporării amoniacul lichid care intră, gazul este răcit la -5 ° C și amoniacul este condensat din gaz la un conținut rezidual de aproximativ 2,5% NH3 în el. Amoniacul condensat este eliberat în partea inferioară a coloanei condensatorului 7, care este separatorul. După separarea amoniacului, amestecul de azot-hidrogen răcește gazul care intră în el în partea superioară a coloanei 7 și apoi este trimis din nou în coloana de sinteză 1.

În cazul sintezei amoniacului la o presiune mai mare (45 MPa și mai mare), nu este nevoie de condensarea sa secundară, deoarece conținutul de amoniac rezidual din amestecul de azot-hidrogen de la ieșirea răcitorului de apă este nesemnificativ.

Orez. 17.16. Schema instalatiei pentru sinteza amoniacului la presiune medie

Descrierea procesului tehnologic de producere a amoniacului și a caracteristicilor acestuia.

. Metoda arcului.Metoda arcului constă în suflarea aerului prin flacăra unui arc electric. La o temperatură de aproximativ 3000 ° C, are loc o reacție reversibilă

2 + O 2?2NU - Q.

Oxidul azotic rezultat (II) poate fi oxidat în oxid azotic (IV) și procesat în acid azotic și alți compuși. Pentru a obține 1 tonă de azot legat prin această metodă, se consumă 60.000 ... 70.000 kWh de energie electrică.

2. Metoda cianamidei.Primul proces industrial care a fost folosit pentru a produce amoniac a fost procesul cu cianamidă. Când au fost încălzite var CaO și carbon, s-a obținut carbură de calciu CaC2. Carbura a fost apoi încălzită sub azot pentru a da cianamidă de calciu CaCN2; mai mult amoniac a fost obținut prin hidroliza cianamidei:

CaCN 2(tv) + 3N 2O = 2NH 3? + CaCO3 (TELEVIZOR)

Acest proces necesita multă energie și a fost neprofitabil din punct de vedere economic.

Procesul modern de obținere a amoniacului se bazează pe capacitatea carburii de calciu măcinate fin la o temperatură de aproximativ 1000 ° C de a interacționa cu azotul conform ecuației

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

Ponderea producției de azot legat prin metoda cianamidei este foarte mică.

Metoda de fixare a azotului cu amoniac constă în sinteza sa din azot și hidrogen folosind un catalizator special:

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

Această metodă are un avantaj economic și tehnologic față de alte metode de fixare a azotului elementar.

3. Metoda amoniacului.Metoda amoniacului de legare a azotului atmosferic constă în combinarea azotului cu hidrogenul și obținerea amoniacului:

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

Este cel mai economic (consumul de energie electrică este de 4000…5000 kWh la 1 tonă de amoniac), mai ușor de implementat din punct de vedere tehnologic în comparație cu alte metode de fixare a azotului atmosferic. În producția totală de compuși cu azot, peste 90% este reprezentată de amoniac. Hidrogenul pentru această reacție se obține prin cracarea termică a hidrocarburilor, prin acțiunea vaporilor de apă asupra cărbunelui sau fierului, prin descompunerea alcoolilor cu vaporii de apă sau prin electroliza apei.

4. O variantă a metodei amoniacului.În 1909, a fost dezvoltată o metodă originală pentru producerea simultană de amoniac și oxid de aluminiu din bauxită prin nitrură de aluminiu, conform schemei prezentate în Fig. 14.4.

Orez. 14.4. Producția de amoniac din bauxită

Instalaţii industriale după această metodă au fost construite în perioada 1909-1918. într-un număr de țări, dar metoda nu și-a găsit aplicație din cauza eficienței scăzute a producției.

Scheme chimice și principale de producție.

Etapa principală a procesului de sinteză a amoniacului dintr-un amestec nitric-hidrogen este descrisă de ecuația:

N 2+ 3H2 = 2NH 3

Cu toate acestea, deoarece metoda predominantă de producere a ABC este reformarea metanului cu aer și abur, schema chimică pentru producerea amoniacului include, pe lângă această reacție, mai multe reacții de reformare cu aer și cu abur:

CH 4+ H 2O = ZH2 + CO,

CH 4+ 0,5O 2(N 2) = 2H 2 (N 2) + CO

și conversia ulterioară a monoxidului de carbon (II) în monoxid de carbon (IV):

CO + H 2O = H2 + CO 2

coloana de absorbție a producției de amoniac

După îndepărtarea monoxidului de carbon (IV) din amestecul de gaze și corectarea compoziției acestuia, se obține ABC cu un conținut de azot și hidrogen în raport de 1: 3.

În acest fel, producție modernă amoniacul constă din două etape: prepararea ABC și conversia lui în amoniac, reprezentând o singură schemă energetico-tehnologică care combină operațiunile de obținere a ABC, purificarea și sinteza acestuia a amoniacului și valorifică eficient efectele termice ale tuturor etapelor procesului, care permite de mai multe ori reducerea costurilor energetice.

Orez. 14.7. schema circuitului producția de amoniac

1 - purificarea gazelor naturale din compuși ai sulfului, 2 - reformarea metanului cu abur, 3 - reformarea metanului în aer, 4 - conversia monoxidului de carbon (II), 5 - purificarea prin chimisorbție a ABC, 6 - metanarea, 7 - sinteza amoniacului , 8 - amoniac de absorbție, 9-compresie amoniac, I-gaz natural, II-gaz transformat, III-ABC, IV-metan

Schema de bază a producției de amoniac constă din trei etape:

Prima etapă este producerea de ABC (amestec de azot):

I operațiune: purificarea gazelor naturale din compuși ai sulfului;

I operare: conversia cu abur a metanului;

I operare: transformarea aerului a metanului;

Operația I: conversia monoxidului de carbon (II).

A doua etapă este purificarea gazului din impuritățile de balast și impuritățile care otrăvesc catalizatorul:

Operația I: purificarea ABC prin metode de absorbție din monoxid de carbon (II) și monoxid de carbon (IV);

Operația I: purificarea fină a ABC de monoxid de carbon (II) și monoxid de carbon (IV) prin metanizare sau pre-cataliză.

A treia etapă este sinteza amoniacului din ABC în prezența unui catalizator.

Îndrumare

Ai nevoie de ajutor pentru a învăța un subiect?

Experții noștri vă vor sfătui sau vă vor oferi servicii de îndrumare pe subiecte care vă interesează.
Trimiteți o cerere indicând subiectul chiar acum pentru a afla despre posibilitatea de a obține o consultație.

Influența temperaturii, presiunii și catalizatorilor asupra vitezei de reacții și a echilibrului chimic este utilizată în mod activ în industria chimică în producerea multor produse chimice. În această secțiune, ne vom familiariza cu productie industriala amoniac și să ne oprim asupra modului în care toți acești factori îi afectează producția. Apoi ne vom familiariza cu producția industrială de acid sulfuric.

PRODUCEREA DE AMONIAC INDUSTRIAL

Există opt plante de amoniac în Marea Britanie. Productivitatea lor comună depășește 2 milioane de tone pe an. Aproximativ 5 milioane de tone de amoniac sunt produse anual în întreaga lume. Pe fig. 7.1 creșterea producției de amoniac este comparată cu creșterea populației mondiale. De ce este necesar să se producă un numar mare de amoniac?

Orez. 7.1. Creșterea populației mondiale și a producției mondiale de amoniac.

Tabelul 7.2. Aplicații ale amoniacului și ale produselor conexe

Este necesar în principal pentru producerea de îngrășăminte care conțin azot. producția de îngrășăminte consumă aproximativ 80% din tot amoniacul produs] Împreună cu îngrășămintele care conțin azot, se aplică pe sol într-o formă solubilă de care au nevoie majoritatea plantelor. Restul de 20% din amoniacul produs este folosit pentru a produce polimeri, explozivi și alte produse! Diverse aplicații ale amoniacului sunt enumerate în tabel. 7.2.

Producția de amoniac

Primul proces industrial care a fost folosit pentru a produce amoniac a fost procesul cu cianamidă. Carbura de calciu a fost obținută prin încălzirea varului și carbonului, apoi carbura de calciu a fost încălzită sub azot pentru a obține cianamidă de calciu. Amoniacul a fost obținut prin hidroliza cianamidei de calciu:

Acest proces a necesitat multă energie și a fost neeconomic.

În 1911, F. Haber a descoperit că amoniacul poate fi sintetizat direct din azot și hidrogen folosind un catalizator de fier. Prima instalație care a produs amoniac prin această metodă a folosit hidrogen, care a fost obținut prin electroliză în apă, Ulterior, hidrogenul a început să fie obținut din apă prin reducerea cu cocs. Această metodă de producere a hidrogenului este mult mai economică.

Fritz Haber (1868 1934)

În 1908, chimistul german Haber a descoperit că amoniacul poate fi produs de hidrogen și azot atmosferic pe un catalizator de fier. Acest proces necesită presiune mare și temperatură moderat ridicată. Descoperirea lui Haber a permis Germaniei să continue să producă explozibili în timpul Primului Război Mondial. În acest moment, blocada Antantei a împiedicat importul în Germania a zăcămintelor naturale de nitrat de potasiu (salpetru chilian), care fuseseră folosite anterior ca materie primă pentru producerea explozivilor.

La un an după ce Haber a dezvoltat procesul de sinteză a amoniacului, a creat un electrod de sticlă pentru măsurarea pH-ului (proprietățile acido-bazice) ale soluțiilor (vezi cap. 10).

Haber a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1918. După venirea lui Hitler la putere, Haber a fost forțat să emigreze din Germania în 1933.

(Producția de acid azotic și azotat din amoniac este descrisă în secțiunea 1)

Procesul modern de producere a amoniacului

Procesul modern de obținere a amoniacului se bazează pe sinteza acestuia din azot și hidrogen la temperaturi de 380-450 ° C și o presiune de 250 atm folosind un catalizator de fier:

Azotul se obține din aer. Hidrogenul este produs prin reducerea apei (aburului) cu ajutorul metanului din gazul natural sau din nafta. Nafta (nafta) este un amestec lichid de hidrocarburi alifatice, care se obține în timpul procesării țițeiului (vezi cap. 18).

Munca unei plante moderne de amoniac este foarte complexă. Pe fig. Figura 7.2 prezintă o diagramă simplificată a unei instalații de amoniac care funcționează cu gaze naturale. Această schemă de acțiune include opt etape.

etapa 1. Eliminarea sulfului din gazele naturale. Acest lucru este necesar deoarece sulful este o otravă catalitică (vezi Secțiunea 9.2).

a 2-a etapă. Producerea hidrogenului prin reducerea cu abur la 750°C și o presiune de 30 atm folosind un catalizator de nichel:

a 3-a etapă. Admisia de aer și arderea unei părți din hidrogen în oxigenul aerului injectat:

Rezultatul este un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon și azot. Vaporii de apă se reduc odată cu formarea hidrogenului, ca în etapa a 2-a.

etapa a 4-a. Oxidarea monoxidului de carbon format în etapele 2 și 3 la dioxid de carbon prin următoarea reacție de „deplasare”:

Acest proces se realizează în două „reactoare de forfecare”. În primul, se folosește un catalizator de oxid de fier și procesul se realizează la o temperatură de ordinul a 400°C. Al doilea folosește un catalizator de cupru și procesul se realizează la o temperatură de 220°C.

Orez. 7.2. Etapele procesului industrial de obținere a amoniacului.

etapa a 5-a. Spălarea dioxidului de carbon dintr-un amestec de gaze folosind o soluție alcalină tamponată de carbonat de potasiu sau o soluție de unele amine, cum ar fi etanolamina. Dioxidul de carbon este în cele din urmă lichefiat și folosit pentru a face uree sau eliberat în atmosferă.

a 6-a etapă. După a 4-a etapă, în amestecul gazos rămâne aproximativ 0,3% monoxid de carbon. Deoarece poate otrăvi catalizatorul de fier în timpul sintezei amoniacului (etapa a 8-a), monoxidul de carbon este îndepărtat prin conversie de hidrogen în metan peste un catalizator de nichel la 325°C.

etapa a 7-a. Amestecul gazos, care conține acum aproximativ 74% hidrogen și 25% azot, este comprimat; în timp ce presiunea acestuia crește de la 25-30 atm la 200 atm. Deoarece acest lucru duce la o creștere a temperaturii amestecului, acesta este imediat răcit după comprimare.

etapa a 8-a. Gazul de la compresor intră acum în „ciclul de sinteză a amoniacului”. Schema prezentată în fig. 7.2 oferă o vedere simplificată a acestei etape. Mai întâi, amestecul de gaz intră în convertorul catalitic, care folosește un catalizator de fier și menține o temperatură de 380-450°C. Amestecul de gaze care iese din acest convertor nu conține mai mult de 15% amoniac. Apoi amoniacul este lichefiat și trimis în buncărul de primire, iar gazele nereacționate sunt returnate la convertor.

Selectarea condițiilor optime pentru procesul de sinteză a amoniacului

Pentru ca procesul de sinteză a amoniacului să fie cât mai eficient și economic posibil, este necesar să se selecteze cu atenție condițiile de implementare a acestuia. Cei mai importanți indicatori care sunt luați în considerare în acest caz sunt: 1) puterea, 2) viteza și 3) intensitatea energetică a procesului. Să ne întoarcem la a 8-a etapă a procesului, adică direct la sinteza amoniacului și să studiem influența presiunii, temperaturii și catalizatorilor asupra eficienței acestui proces.

Influența presiunii. După cum sa menționat mai sus, producția de amoniac poate fi reprezentată prin următoarea ecuație:

Constanta de echilibru a acestei reacții este dată de

Dacă exprimăm presiunile parțiale ale gazelor incluse în această expresie în termenii fracțiilor lor molare și a presiunii totale P din sistem, obținem următoarea expresie:

Această expresie poate fi simplificată dându-i forma

La o anumită temperatură, valoarea trebuie să rămână constantă. Dacă presiunea totală P în sistem crește, termenul din expresia de mai sus trebuie să scadă. Rezultă că, deoarece mărimea trebuie să rămână constantă, raportul trebuie să crească. Astfel, o creștere a presiunii totale ar trebui să conducă la o creștere și o scădere.De aceea, o creștere a presiunii favorizează reacția directă, adică o creștere a randamentului de amoniac.

Influența temperaturii și a catalizatorilor. Sinteza amoniacului este un proces exotermic (vezi Tabelul 7.1, a). Prin urmare, o creștere a temperaturii ar trebui să favorizeze reacția inversă (vezi secțiunea anterioară). Aceasta înseamnă că scăderea temperaturii ar trebui să crească randamentul reacției de sinteză a amoniacului (Fig. 7.3). Din păcate, totuși, la temperaturi scăzute, viteza acestei reacții și, prin urmare, viteza de producție a amoniacului, este mult încetinită. Cu alte cuvinte, la temperaturi scăzute, procesul ar trebui să aibă o productivitate scăzută și, prin urmare, o eficiență scăzută. Pentru a obține o performanță optimă, trebuie să alegeți un compromis între două extreme:

1) randament mare și viteză scăzută de reacție (la temperaturi scăzute) și

2) randament scăzut și viteză mare de reacție (la temperaturi ridicate).

Orez. 7.3. Efectul temperaturii și presiunii asupra randamentului de amoniac în procesul Haber (termenul „randament relativ” este explicat în secțiunea 4.2).

Desigur, viteza de reacție este crescută prin utilizarea unui catalizator. Astfel, catalizatorul permite ca procesul să fie efectuat mai eficient la temperaturi scăzute. Eficiența catalizatorului de fier utilizat pentru sinteza amoniacului crește dacă i se adaugă așa-numiții promotori. Oxizii de potasiu și aluminiu sunt utilizați pentru a promova eficiența catalizatorului de fier.

O analiză detaliată a economiei procesului de sinteză a amoniacului arată că, pentru a obține un randament și productivitate optime, temperatura trebuie menținută la aproximativ 400°C și presiunea la 250 atm.

Bilanțul energetic

O plantă tipică de amoniac produce aproximativ 1000 de tone de amoniac zilnic. Totodata, necesarul de vapori de apa este de 6000 tone/zi pentru a actiona turbinele cu abur din care functioneaza compresoarele. Din fericire, procesele chimice implicate în producerea amoniacului sunt exoterme. Toată energia care este eliberată pe primele etape Procesul de producere a amoniacului, este utilizat pentru a produce abur puternic comprimat. Energia eliberată direct din sinteza amoniacului în sine (etapa 8) este utilizată pentru a menține temperatura convertizorului catalitic la 400°C. Eficiența termică globală a unei instalații de amoniac este de aproximativ 60%. Cu alte cuvinte, aproximativ 40% din energia consumată, care este furnizată de gaze naturale, este pierderi de căldură.

Caracteristicile de proiectare ale unei plante de amoniac

Proiectarea unei fabrici moderne de amoniac, personalul și funcționarea acesteia necesită participarea specialiștilor calificați și utilizarea unor echipamente complexe de inginerie. De exemplu, compresoarele utilizate în etapa a 3-a a procesului de comprimare a aerului și în etapa a 7-a pentru comprimarea gazului de sinteză (un amestec de azot și hidrogen) trebuie să fie proiectate să reziste la presiuni foarte mari - în unele cazuri până la 350 atm. Aceste compresoare sunt actionate de turbine cu abur, care primesc abur la o presiune de 100 atm si la temperaturi peste 400°C. Astfel de turbine se rotesc cu viteze de până la câteva mii de rotații pe minut.

Reactoarele în care se realizează sinteza amoniacului trebuie, de asemenea, să îndeplinească cerințe foarte ridicate. La presiuni și temperaturi ridicate la care funcționează aceste reactoare, hidrogenul poate ataca oțelul prin difuzarea în metal. Ca rezultat, hidrogenul reacționează cu carbonul conținut în oțel pentru a forma metan. Acest lucru duce la formarea de găuri în metal și face ca oțelul să fie fragil. Pentru a preveni acest lucru, reactoarele sunt construite din aliaje speciale care conțin crom, molibden și nichel.

Amplasarea fabricii de amoniac este, de asemenea, de mare importanță economică. În mod ideal, o astfel de centrală ar trebui să fie amplasată aproape de 1) surse de energie;

2) surse de apă care pot fi folosite în cantități mari;

3) căi de transport: autostrăzi, căi ferate, râuri sau mări.

Patru fabrici de amoniac din Regatul Unit sunt situate lângă Billingham, pe râu. Tay (în Scoția). Acest loc a fost ales la un moment dat datorită apropierii sale de zăcămintele de cărbune din Durham. S-a dovedit convenabil chiar și astăzi datorită apropierii sale de zăcămintele de petrol și gaze de pe platforma continentală a Mării Nordului.

Amoniacul (NH3) este un compus de azot și hidrogen. Este un gaz ușor cu miros înțepător. Obținerea amoniacului în industrie și laboratoare este necesară pentru producerea de îngrășăminte, polimeri, acid azotic și alte substanțe.

În industrie

Amoniacul este produs industrial din azot prin combinarea acestuia cu hidrogenul. Azotul este luat din aer, hidrogenul - din apă. Metoda a fost dezvoltată pentru prima dată de chimistul german Fritz Haber. Metoda industrială de producere a amoniacului a început să fie numită procesul Haber.

Reacția are loc cu o scădere a volumului și eliberarea de energie sub formă de căldură:

3H2 + N2 → 2NH3 + Q.

Reacția este reversibilă, așa că trebuie îndeplinite mai multe condiții. La presiune ridicată și temperaturi scăzute, cantitatea de amoniac produsă crește. Cu toate acestea, temperaturile scăzute încetinesc viteza reacției, iar o creștere a temperaturii crește viteza reacției inverse.

Din punct de vedere empiric, s-au găsit condițiile necesare reacției:

temperatura- 500°C;
presiune- 350 atm;
catalizator- oxid de fier Fe 3 O 4 (magnetita) cu impuritati de oxizi de argint, potasiu, calciu si alte substante.

În aceste condiții, gazul rezultat conține 30% amoniac. Pentru a evita o reacție inversă, substanța este răcită rapid. La temperaturi scăzute, gazul rezultat se transformă într-un lichid. Gazele necheltuite - azotul și hidrogenul - sunt returnate înapoi în coloana de sinteză. Această metodă ajută la obținerea rapidă a unor volume mari de amoniac, maximizând utilizarea materiilor prime.

Orez. 1. Obținerea amoniacului pe cale industrială.

Pentru a găsi catalizatorul potrivit, au fost încercate 20.000 de substanțe diferite.

In laborator

Pentru a obține amoniac în laborator, se utilizează reacția alcalinelor la sărurile de amoniu:

NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCI + H2O

De asemenea, amoniacul poate fi obținut în laborator din clorură de amoniu încălzită împreună cu var stins, sau prin descompunerea hidroxidului de amoniu:

2NH4CI + Ca(OH)2 → CaCI2 + 2NH3 + 2H20;
NH4OH ↔ NH3 + H2O.

Orez. 2. Obținerea amoniacului în laborator.

Amoniacul poate fi uscat complet folosind un amestec de var și sodă caustică, prin care este trecut gazul rezultat. În același scop, amoniacul lichid este amestecat cu sodiu metalic și supus distilarii.

Amoniacul este mai ușor decât aerul, așa că eprubeta este ținută cu capul în jos pentru a-l colecta.

Aplicație

Amoniacul este utilizat în diverse industrii:

în agricultură- pentru producerea de îngrășăminte cu azot;
în industrie - pentru producția de polimeri, explozivi, gheață artificială;
în chimie - pentru fabricarea acidului azotic, sifon;
în medicină - ca amoniac.

Orez. 3. Fabricarea îngrășămintelor.

Ce am învățat?

Amoniacul este produs prin metode industriale și de laborator. Pentru producția la scară industrială se utilizează azot și hidrogen. Amestecând la temperaturi ridicate, presiune și sub acțiunea unui catalizator, substanțele simple formează amoniac. Pentru a preveni reacția la temperatură ridicată să meargă în direcția opusă, gazul este răcit. În laborator, amoniacul se obține prin reacția sărurilor de amoniu cu alcalii, var stins sau prin descompunerea hidroxidului de amoniu. Amoniacul este folosit în industria chimică, agricultură, medicină și chimie.

Test cu subiecte

Raport de evaluare

Rata medie: 4.2. Evaluări totale primite: 263.

Procesul modern de obținere a amoniacului se bazează pe sinteza acestuia din azot și hidrogen la temperaturi de 380 - 450 0C și o presiune de 250 atm folosind un catalizator de fier:

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

etapa 1. Eliminarea sulfului din gazele naturale. Acest lucru este necesar deoarece sulful este o otravă catalitică (vezi Secțiunea 9.2).

a 2-a etapă. Producerea hidrogenului prin reducerea cu abur la 750 °C și o presiune de 30 atm folosind un catalizator de nichel:

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

a 3-a etapă. Admisia de aer și arderea unei părți din hidrogen în oxigenul aerului injectat:

2H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (g) Rezultatul este un amestec de abur, monoxid de carbon și azot. Vaporii de apă se reduc odată cu formarea hidrogenului, ca în etapa a 2-a.

etapa a 4-a. Oxidarea monoxidului de carbon format în etapele 2 și 3 la dioxid de carbon prin următoarea reacție de „deplasare”: CO (g) + H2O (g) = CO2 (g) + H2 (g)

Acest proces se realizează în două „reactoare de forfecare”. Primul folosește un catalizator de oxid de fier și procesul se desfășoară la o temperatură de aproximativ 400 0C. Al doilea folosește un catalizator de cupru și procesul se desfășoară la o temperatură de 220°C.

etapa a 5-a. Spălarea dioxidului de carbon dintr-un amestec de gaze folosind o soluție alcalină tamponată de carbonat de potasiu sau o soluție de amine, cum ar fi etanolamină NH2CH2CH2OH. Dioxidul de carbon este în cele din urmă lichefiat și folosit pentru a face uree sau eliberat în atmosferă.