Формулата за получаване на амоняк в промишлеността. Общи научни принципи на химическото производство (на примера за промишлено производство на амоняк, сярна киселина, метанол)

Редица фактори влияят върху производството на оптималното количество химикал, както и върху постигането на максималното му качество. Производството на амоняк зависи от параметрите на налягането, температурата, наличието на катализатор, използваните вещества и метода за извличане на получения материал. Тези параметри трябва да бъдат правилно балансирани, за да се постигне най-голяма печалба от производствения процес.

Амонячни свойства

Кога стайна температура и нормална влажност, амонякът е в газообразно състояние и има много отблъскваща миризма. Той е надарен с отровен и дразнещ ефект върху лигавиците на тялото. Производството и свойствата на амоняка зависят от участието на вода в процеса, тъй като това вещество е много разтворимо при нормални характеристики околен свят.

Амонякът е съединение на водород и азот. Химичната му формула е NH 3.

Този химикал действа като активен редуциращ агент, който освобождава свободен азот в резултат на горенето. Амонякът проявява характеристиките на основи и основи.

Реакция на вещество с вода

Разтварянето на NH 3 във вода дава амонячна вода. Максимум при обикновена температура, 700 обема амоняк могат да бъдат разтворени в 1 обем воден елемент. Това вещество е известно като амоняк и се използва широко в производството на торове, в технологични инсталации.

NH 3, получен чрез разтваряне във вода, е частично йонизиран от своите качества.

Амонякът се използва в един от лабораторните методи за получаване на този елемент.

Получаване на вещество в лабораторията

Първият метод за производство на амоняк е да доведе амоняк до кипене, след което получената пара се изсушава и се събира необходимото химично съединение. Получаването на амоняк в лабораторията е възможно и чрез нагряване на гасена вар и твърд амониев хлорид.

Реакцията за получаване на амоняк е както следва:

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

По време на тази реакция се образува утайка бял... Това е CaCl2 сол и също се образуват вода и желаният амоняк. За да се извърши сушенето на необходимото вещество, то се прекарва през смес от вар в комбинация с натрий.

Получаването на амоняк в лабораторията не осигурява най-оптималната технология за производството му в необходимите количества. В продължение на много години хората търсят начини за извличане на веществото в индустриален мащаб.

Произходът на създаването на производствени технологии

През 1775-1780 г. се провеждат експерименти върху свързването на свободните азотни молекули от атмосферата. Шведският химик К. Шел откри реакция, която приличаше

Na2CO3 + 4C + N2 \u003d 2NaCN + 3CO

На негова основа през 1895 г. Н. Каро и А. Франк разработват метод за свързване на свободни азотни молекули:

CaC2 + N2 \u003d CaCN2 + C

Тази опция изискваше много енергия и беше икономически нерентабилна, така че с течение на времето беше изоставена.

Друг доста скъп метод е процесът на взаимодействие на азотни и кислородни молекули, открит от английските химици Д. Пристли и Г. Кавендиш:

Нарастващо търсене на амоняк

През 1870 г. този химикал се счита за нежелан продукт от газовата промишленост и на практика е безполезен. След 30 години обаче той стана много популярен в коксовата индустрия на вторични продукти.

Отначало повишеното търсене на амоняк се попълва чрез отделянето му от въглищата. Но с увеличаване на консумацията на веществото с 10 пъти, беше проведена практическа работа за намиране на начини за извличането му. Производството на амоняк започва да се въвежда с използване на атмосферни азотни резерви.

Нуждата от вещества на основата на азот се наблюдава в почти всички известни сектори на икономиката.

Намиране на начини за задоволяване на индустриалното търсене

Човечеството е изминало дълъг път към прилагането на уравнението за производството на материя:

N2 + 3H2 \u003d 2NH3

Производството на амоняк в промишлеността е реализирано за първи път през 1913 г. чрез каталитичен синтез от водород и азот. Методът е открит от Ф. Хабер през 1908г.

Отворената технология е решила дългогодишен проблем за много учени различни страни... До този момент не беше възможно да се свърже азот под формата на NH3. Този химичен процес се нарича цианамидна реакция. Когато температурата на вар и въглерод се повиши, се получава веществото CaC 2 (калциев карбид). Чрез нагряване на азот и се постига получаване на калциев цианамид CaCN 2, от който се отделя амоняк чрез хидролиза.

Въвеждане на технологии за производство на амоняк

Производството на NH 3 в световен мащаб за индустриална консумация започва с закупуването на технологичен патент от F. Haber от A. Mittasch, представител на завода за сода в Баден. В началото на 1911 г. синтезът на амоняк в малко растение става редовен. К. Бош създава голям контактен апарат, базиран на разработките на Ф. Хабер. Това беше оригиналното оборудване, което осигурява процес на синтез за извличане на амоняк в производствен мащаб. К. Бош пое цялото ръководство по този въпрос.

Спестяването на енергийни разходи включва участието на определени катализатори в реакциите на синтез.

Група учени, работещи за намиране на подходящи съставки, предложиха следното: железен катализатор, към който бяха добавени калий и алуминиеви оксиди и който все още се счита за един от най-добре осигуряващите производство на амоняк в индустрията.

09.09.1913 г. започва работата си първият завод в света, използващ технологията на каталитичен синтез. Производственият капацитет постепенно се увеличава и до края на 1917 г. се произвеждат 7 хиляди тона амоняк на месец. През първата година от работата на централата тази цифра беше само 300 тона на месец.

Впоследствие всички други страни също започнаха да използват технологията на синтез с използване на катализатори, които по своята същност не се различаваха много от техниката на Хабер-Бош. Използването на процеси на високо налягане и циркулация се извършва във всеки технологичен процес.

Въведение в синтеза в Русия

В Русия също се използва синтез с използване на катализатори, които осигуряват производството на амоняк. Реакцията изглежда така:

В Русия първият завод за синтез на амоняк започва своята работа през 1928 г. в Чернореченск, а след това производствени мощности са построени в много други градове.

Практическата работа по производството на амоняк непрекъснато набира скорост. В периода от 1960 до 1970 г. синтезът се е увеличил с почти 7 пъти.

В страната се използват смесени каталитични вещества за успешното производство, събиране и разпознаване на амоняк. Изследването на техния състав се извършва от група учени, ръководени от С. С. Лачинов. Именно тази група намери най-ефективните материали за технологията на синтез.

Освен това непрекъснато се провеждат изследвания на кинетиката на процеса. Научните разработки в тази област са извършени от М. И. Темкин, както и от негови колеги. През 1938 г. този учен, заедно с колегата си В. М. Пижев, направи важно откритиеподобряване на производството на амоняк. Уравнението на кинетиката на синтеза, съставено от тези химици, сега се прилага в целия свят.

Съвременен процес на синтез

Процесът на производство на амоняк с помощта на катализатор, използван в днешното производство, е обратим. Следователно въпросът за оптималното ниво на влияние на показателите върху постигането на максимален изход на продуктите е много актуален.

Процесът протича при висока температура: 400-500 ˚С. Използва се катализатор за осигуряване на необходимата скорост на реакцията. Съвременното производство на NH 3 включва използването на високо налягане - около 100-300 атм.

Заедно с използването на циркулационна система може да се получи достатъчно голяма маса изходни материали, превърнати в амоняк.

Модерно производство

Системата за работа на всяка амонячна централа е доста сложна и съдържа няколко етапа. Технологията за получаване на желаното вещество се извършва на 6 етапа. В процеса на извършване на синтеза се получава, събира и разпознава амоняк.

Началният етап е извличане на сяра от природен газ с помощта на десулфуризатор. Тази манипулация се изисква поради факта, че сярата е каталитична отрова и убива никеловия катализатор дори на етапа на възстановяване на водорода.

На втория етап се осъществява превръщането на метана, което протича с използването на висока температура и налягане с помощта на никелов катализатор.

На третия етап се получава частично изгаряне на водород в атмосферен кислород. Резултатът е смес от водна пара, въглероден окис и азот.

На четвъртия етап настъпва реакция на срязване, която протича с различни катализатори и два различни температурни условия... Първоначално се използва Fe 3 O 4 и процесът протича при температура 400 С. Във втория етап се включва меден катализатор, по-ефективен по своя ефект, което позволява производството да се извършва при ниски температури.

Следващият пети етап включва премахване на ненужния въглероден окис (VI) от газовата смес чрез използване на технологията на абсорбиране с алкален разтвор.

На последния етап въглеродният оксид (II) се отстранява чрез реакцията на превръщане на водорода в метан чрез никелов катализатор и висока температура.

Получената газова смес съдържа 75% водород и 25% азот. Той се компресира под голям натиск и след това се охлажда.

Именно тези манипулации описва формулата за освобождаване на амоняк:

N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 kJ

Въпреки че този процес не изглежда много сложен, всички горепосочени действия за неговото прилагане показват трудностите при получаване на амоняк в промишлен мащаб.

Качеството на крайния продукт се влияе от липсата на примеси в суровината.

Изминавайки дълъг път от малък лабораторен опит до мащабно производство, производството на амоняк днес е търсен и незаменим клон на химическата промишленост. Този процес непрекъснато се подобрява, като осигурява качество, ефективност и необходимото количество продукт за всяка клетка на националната икономика.

- средната концентрация на лишаване от правоспособност (ICt50) осигурява загуба на работоспособност на 50% от засегнатите;

- средната прагова концентрация (PCt50) - причинява първоначалните симптоми на увреждане при 50% от засегнатите (g · min / m3);

- средно аритметично смъртоносна доза (LDt50) при инжектиране в стомаха - води до смърт на 50% от засегнатите след еднократно инжектиране в стомаха (mg / kg).

За оценка на степента на токсичност на AHOV кожно-резорбтивно действие се използват стойностите на средната летална токсичност (LDt50) и средната прагова токсичност (PDt50). Мерни единици - g / човек, mg / човек, ml / kg.

Средната летална доза при еднократно приложение върху кожата води до смърт на 50% от засегнатите.

Физикохимични свойства на амоняка

При оценка на потенциалната опасност химични вещества необходимо е да се вземат предвид не само токсичните, но и физикохимичните свойства, които характеризират поведението им в атмосферата, на земята и във водата. По-специално, най-важният физически параметър, който определя естеството на поведението на токсичните вещества с инхалационно действие по време на емисии (разливи), е максималната концентрация на парите му във въздуха. В индустриалната токсикология се използва индикатор, който отчита както токсичните свойства, така и летливостта на веществата - коефициентът на възможността за инхалационно отравяне (CVIO). Този коефициент е равен на съотношението на максимално възможната концентрация на пари на вещество при 200 ° С към неговата летална концентрация (Таблица П. 4.1)

По някои от своите свойства (точка на кипене -33 ° C, критична температура -132 ° C), амонякът е подобен на хлора. Подобно на хлора, амонякът се съхранява удобно в течна форма. Зависимостите на налягането на парите - температура и фракция на моментално изпаряващата се течност в адиабатната апроксимационна температура за амоняк и хлор са много близки. Амонякът обаче се транспортира главно като охладена течност (в хладилни превозни средства). Имайте предвид, че в САЩ има тръбопроводи, които транспортират амоняк през цялата страна.

Промишлено значение на амоняка и неговите области на приложение

Амонякът е един от първите по отношение на производството. Всяка година в света се произвеждат около 100 милиона тона от това съединение. Амонякът се използва за производството на азотна киселина (HNO3), която се използва за производство на торове и много други продукти; азотсъдържащи соли [(NH4) 2SO4, NH4NO3, NaNO3, Ca (NO3) 2], урея, циановодородна киселина.

Амонякът се използва и при производството на сода по амонячен метод, в органичен синтез, за \u200b\u200bприготвяне на водни разтвори (амоняк), които се използват широко в химическата промишленост и в медицината. Течен амоняк, както и водни разтвори използва се като течни торове. Амонякът е добър разтворител за значителен клас азотсъдържащи съединения. Големи количества амоняк се използват за амонизиране на суперфосфат.

Изпаряването на амоняка става с поглъщането на значително количество топлина от околната среда. Поради това амонякът се използва и като евтин хладилен агент в промишлените хладилни инсталации. В този случай течният амоняк трябва да отговаря на изискванията на ГОСТ 6221 - 90 "Течен амоняк технически". Течен технически клас амоняк се използва като хладилен агент.Съдържанието на вода не трябва да надвишава 0,1%.

Амонякът се използва и за направата на синтетични влакна като найлон и найлон. В леката промишленост се използва за почистване и боядисване на памук, вълна и коприна. В нефтохимическата индустрия амонякът се използва за неутрализиране на киселинните отпадъци, а при производството на естествен каучук амонякът помага за запазването на латекса, докато пътува от плантация до фабрика. В стоманодобивната промишленост амонякът се използва за азотиране - насищане на повърхностните слоеве на стоманата с азот, което значително увеличава нейната твърдост.

Общи правила за проектиране и безопасна експлоатация на амонячни хладилни агрегати

Общи понятия за хладилни агрегати

Хладилна система - съвкупност от съдържащи хладилен агент и свързани помежду си части, които образуват един затворен хладилен кръг за циркулиране на хладилен агент за подаване и отвеждане на топлината.

Хладилен агрегат - агрегати, възли и други компоненти на хладилната система и цялото оборудване, необходимо за тяхната работа.

Абсорбционна (или адсорбционна) хладилна система - система, при която се извършва студено производство в резултат на изпаряване на хладилния агент; Абсорберът (адсорбер) абсорбира парите на хладилния агент, които впоследствие се отделят от него при нагряване с увеличаване на парциалното налягане и след това се кондензират под това налягане при охлаждане.

Хладилен агент (хладилен агент) - използва се в хладилната система работна средакойто абсорбира топлина при ниски температури и налягания и отделя топлина при по-високи температури и налягания. Този процес е придружен от промяна в агрегираното състояние на работната среда.

Охлаждаща течност - всяка течност, използвана за пренос на топлина, без да променя агрегатното си състояние.

Изисквания за хардуерното проектиране на хладилни агрегати

1) Хладилният агрегат трябва да бъде оборудван с устройства, които предотвратяват попадането на капки течен амоняк в смукателната кухина на компресорите

2) Изпарителният блок за охлаждане на охлаждащата течност трябва да включва устройство за отделяне на капчици течност от паро-течната амонячна смес и връщане на отделената течност към изпарителя.

3) За отделяне на течната фаза от транспортираната паро-течна смес в хладилни системи с директно разширение са предвидени приемници за всяка точка на кипене, съчетаващи функциите на течен сепаратор. За тези цели е разрешено да се предвиждат отделни сепаратори за течности, свързани с тръбопроводи с циркулационни (защитни) приемници, които не комбинират функциите на сепаратор за течности.

4) Геометричният обем на циркулационните приемници с щранг, съчетаващ функциите на сепаратор за течности, за всяка точка на кипене в помпени вериги с долно и горно подаване на амоняк към охлаждащите устройства трябва да се изчислява по формулите, дадени в.

5) За аварийно (ремонтно) освобождаване от течен амоняк на охлаждащи устройства, апарати, съдове и блокове, както и за отстраняване на кондензат при размразяване на охлаждащите устройства с горещи пари, е необходимо да се осигури приемник за източване, проектиран да приема амоняк от най-интензивния за амоняк апарат, съд или блок.

6) Геометричният обем на приемника за източване трябва да бъде взет от условието, че той е запълнен с не повече от 80%.

7) Геометричният обем на линейните приемници на хладилните агрегати трябва да се приема като не повече от 30% от общия геометричен обем на охлаждащите устройства на помещенията, амонячната част на технологичните устройства и изпарителите.

8) За хладилни машини с дозирано зареждане с амоняк линейният приемник не е предвиден.

Азотът с водород образува няколко съединения, най-важното от които е амоняк NH 3. Връзката между водородните и азотните атоми в амонячната молекула е ковалентна и окислителните състояния се разпределят по следния начин: (N -3 H + 3) 0.

Според техните физични свойства амонякът е безцветен газ с остра миризма. Той е по-лек от въздуха и по-разтворим във вода от други газове. Така че в един обем вода могат да се разтворят 1,2 хиляди обема амоняк.

При охлаждане, придружено от повишаване на налягането, амонякът лесно се превръща в безцветна течност. Обратната реакция на прехода на течен амоняк към пара е ендотермична и се абсорбира много топлина. Точката на кипене на амоняка е 34 o C.

Производство на амоняк в промишлеността

При производството амонякът се извлича чрез синтезирането му от азот и водород:

N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + Q,

където (+ Q) означава, че реакцията протича с отделянето на топлина, т.е. е екзотермичен.

Поради факта, че тази реакция е придружена от отделяне на топлина, тя изисква:

• леко нагряване (400 - 500 за С);
• високо налягане (200 - 1000 атм);
• наличието на катализатори (Pt или Fe в метална форма, с добавка на Al 2 O 3 и K 2 O).

Всичко това помага да се измести химическото равновесие на тази реакция към образуването на нейните продукти.

Вторият индустриален метод за извличане на амоняк е коксуването на въглища, тъй като съдържа 2% азот. Тук амонякът се образува като страничен продукт от сухата дестилация.

Лабораторни методи за получаване на амоняк

В лаборатория амонякът може да се получи по два начина:

1. слабо нагряване на смес от амониев хлорид с гасена вар:
   2NH 4 Cl + Ca (OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
2. нагряване на сух амониев хлорид с концентриран разтвор на разяждаща алкала:
   NH 4 Cl + KOH → NH 3 + KCl + H 2 O.

Производството на азот играе критична роля в съвременната химическа индустрия. Трябва да се отбележи, че азотните съединения се използват както в производството на органични, така и в неорганични вещества... Специална позиция в азотната индустрия е производството на амоняк. С "участието" на този най-ценен компонент се произвеждат торове, азотна киселина, експлозиви, хладилни агенти и много други. При цялата си полезност амонякът е доста силна отрова, въпреки факта, че се използва в медицината под формата на амоняк.

Самият амоняк като вещество е открит за първи път в края на 18 век. Той е описан като отделно вещество от англичанина Джоузеф Пристли. 11 години по-късно е проучен французинът Клод Луи Бертолет химичен състав от това вещество. Необходимостта от получаване на амоняк в промишлени количества започва да се появява рязко в края на 19 век, когато залежите на чилийски нитрат, от който се получават основно азотни съединения, започват да се изчерпват. Именно "алкален въздух" се превърна в най-обещаващия компонент за производството на различни химични съединениякоито оказаха огромно влияние върху различни страни човешки живот: от военни дела до земеделие.

Но този проблем е решен едва в началото на 20-ти век, когато се появява метод за получаване на амоняк чрез директен синтез от азот и водород. Така от появата на проблема до неговото решение премина доста дълъг период, през който бяха направени няколко открития, които позволиха на „приказката да се сбъдне“.

Характеристики и етапи на производствения процес

Процесът на производство на амоняк се характеризира с висока консумация на енергия, което е основният му недостатък. Ето защо непрекъснато се извършват научни разработки, които са предназначени да решават проблемите с пестенето на енергия. По-специално се разработват методи за оползотворяване на отделената енергия, както и за комбиниране, например, на производството на амоняк и карбамид. Всичко това допринася за намаляване на цената на дейностите на предприятията и увеличаване на тяхната полезна възвръщаемост.

Производството на амоняк се основава на принципа на циркулация, според който процесът протича непрекъснато, а остатъците от оригиналните компоненти се отделят от крайния продукт и се използват отново, непрекъснатост: процесът на синтез протича без прекъсване, принципът на топлообмен, както и принципът на цикличност. Както можете да видите, всички тези принципи са тясно взаимосвързани.

Самата технологична схема на производство на амоняк зависи преди всичко от суровината, от която се получава крайният продукт. Факт е, че за разлика от азота, който се съдържа във въздуха големи количества, водородът в чиста форма практически не присъства в природата и отделянето му от водата е доста трудоемък и енергоемък процес.

Следователно въглеводородите, съдържащи се в природния газ, се използват главно като суровини за производството на амоняк. В момента природният газ е една от основите на амонячната индустрия. Преди да влезе в колоната за синтез, газът преминава през няколко етапа на обработка. Процесът започва с факта, че суровината се пречиства от сяра с помощта на десулфуризатор.

След това идва така нареченият процес на реформинг, който се състои в това, че в хода си въглеводородите първо се превръщат в метан, след което се случва доста сложен процес на превръщане на метана в смес от водна пара, въглероден окис, въглероден диоксид и водород. В този случай сместа също се пречиства от въглероден диоксид, след което водородът постъпва в колоната за синтез под високо налягане заедно с азота. По този начин, преди да започне производството на амоняк директно, технологията включва предварителна обработка на суровините.

Всички процеси на реформиране, както и синтеза на самия краен продукт, се извършват в високо налягане и висока температура. Именно това води до голямото им потребление на енергия. В този случай тези параметри се променят на всички етапи от производството.

Самата колона обикновено е направена от стомана. Съдържа катализатор, чийто състав може да бъде различен. След като премине през цикъла на синтез, сместа попада в хладилника, където амонякът се отделя от него в течна форма, а компонентите, останали след реакцията, се връщат към производството. Тази функция технологичен процес се дължи на факта, че реакцията на синтеза на амоняк е обратима и в хода на технологичния процес част от крайния продукт се разлага на оригиналните компоненти.

По този начин производството на амоняк в промишлеността, въпреки привидната простота на реакцията, която е в основата на процеса, всъщност е доста сложна технологична задача.

Създаването на интегрирани производствени мощности и разработването на нови технологии са от особено значение

Както бе споменато по-горе, технологията непрекъснато се усъвършенства и основната насока на мерките за подобряването й е да се намали енергийната интензивност на самия процес. И там, където е трудно да се направи това по различни причини, се използват методи за възстановяване на топлината, които също могат да бъдат от полза. Освен това някои амонячни заводи използват странични продукти за други химически индустрии. По този начин например може да се комбинира производството на метанол и амоняк. Този метод се състои в това, че метанолът се синтезира от въглероден окис и вода, образувани по време на риформинга.

Беше казано и за комбинираното производство на амоняк и карбамид. Тази комбинация е възможна например чрез взаимодействие на въглеродния диоксид, получен при риформинга, с произведения амоняк. Този метод, разбира се, изисква инсталирането на допълнително оборудване. Това обаче може да увеличи добавената стойност за конкретно предприятие.

Друга особеност на индустриалното производство на амоняк е, че неговата цикличност също допринася за нулеви отпадъци. Освен това се използват както получената енергия, така и страничните продукти. Дори сярата, получена по време на пречистването на суровините, се използва в други химически индустрии. В допълнение към горните мерки, има и постоянно търсене на оптималната комбинация от налягане и температура, при която се извършва процесът. В крайна сметка крайният добив на основния продукт зависи от комбинацията от тези параметри.

Като се има предвид всичко изброено по-горе, с пълна отговорност може да се заключи, че съвременната амонячна инсталация е доста сложен комплекс от структури. Но такъв комплекс винаги се основава на инсталацията, разработена през 1909 г. от германския учен Фриц Хабер, който в допълнение към това изобретение се прочу с това, че стана „бащата на химическото оръжие“. По ирония на съдбата този учен получи Нобелова награда Спокойствие. Въпреки това е ясно, че стойността на неговия принос за развитието на съвременната химическа индустрия не подлежи на съмнение.

По този начин, използвайки примера за промишлено производство на амоняк, може да се види как един на пръв поглед неизменен процес може да се подобри през годините. Можете също така да видите как едно изобретение може да положи основите за развитието на цяла индустрия (и освен това не маловажна) на съвременното производство в продължение на много години.

В момента амонячните растения са разположени по целия свят. Освен това непрекъснато се изграждат нови предприятия. Този факт за пореден път подчертава значението на този тип химическо производство... Всъщност в много региони глобусът наличността например на азотни торове се превърна в жизненоважна необходимост. Могат да се цитират много други примери, но фактът остава. Освен това огромна част от продуктите на газовата индустрия се търсят при производството на амоняк, което му позволява да се развива стабилно. Тези няколко примера ясно показват, че е трудно да се надцени ролята на производството на амоняк. Следователно можем да заключим, че азотната промишленост ще съществува дълго време и нейните продукти винаги ще бъдат постоянно търсени.

По този начин, говорейки за производството на амоняк, трябва да се разбере, че говорим за много сериозно производство, което оказва огромно влияние върху функционирането на различни области, като икономическа дейност, и просто живота на хората. И е напълно възможно значението на тази индустрия да нараства в бъдеще.

Общинска образователна институция

Новосафоновская гимназия

Производство на амоняк: кратко описание на

Прокопиевски район 2006

Въведение

1. Методи за получаване на амоняк

2. Съвременен процес на получаване на амоняк

Списък на използваната литература

Въведение

Общото икономическо предизвикателство всяко химическо предприятие трябва да получава химикали с високо качество и в достатъчни количества, за да направи продажбата им печеливша. С това е свързано изискването всички ресурси да се използват възможно най-ефективно. Това обаче може да се постигне само ако самият химичен процес е най-ефективен. В химическата промишленост, вместо понятието "реагенти", понятията "суровини", "суровини" или просто суровини се използват много по-често, понякога - "руда". За да бъде икономически обоснован всеки процес, е необходимо да се постигне оптимален добив на целевия продукт от суровини. Оптималният добив не съвпада непременно с теоретичния добив или дори с максимално постижимия добив. Получаването на максимално постижимия добив може например да изисква твърде много консумация на скъп изходен материал, или процесът е твърде дълъг, или се създават екстремни условия (много високи температури или налягания), изпълнени с опасни аварийни ситуации и т.н., - всичко това може да направи максимално постижимия добив икономически неизгоден.

Действителният добив на всеки специфичен химичен процес може да зависи от редица фактори, като основните са температурата, налягането, наличието на катализатор, чистотата на изходните материали и ефективността на възстановяването на крайния продукт. Промишленото производство на вещества предполага отлично познаване на теоретичните закони, регулиращи хода на химичните реакции (енергетика на химичните реакции, химическа кинетика и катализа, химическо равновесие).

Всички изброени по-долу фактори са важни, особено що се отнася до такива големи тонажни индустрии, като например производството на амоняк.

Дизайнерите на химически заводи създават супермощни амонячни заводи. Например, създадени са инсталации, които произвеждат 1000-1200 тона амоняк на ден. В момента всяка година в света се произвеждат около 5 милиона тона амоняк.

1. Методи за получаване на амоняк

амоняк цианамид процес десулфуризатор

Първият промишлен процес, използван за получаване на амоняк, е процесът на цианамид. Когато варовият CaO и въглеродът се нагряват, се получава калциев карбид CaC2. След това карбидът се нагрява в азотна атмосфера, за да се получи калциев цианамид CaCN2; след това се получава амоняк чрез хидролиза на цианамид:

CaCN2 (телевизия) + 3H2O \u003d 2NH3\u200d\u200d + CaCO3 (телевизия)

Този процес беше енергоемък и икономически неблагоприятен.

През 1908 г. германският химик Ф. Хабер открива, че амонякът може да се получи от водород и атмосферен азот върху железен катализатор. Първият завод за производство на амоняк по този метод използва водород, който се получава чрез електролиза на вода. Впоследствие водородът започва да се получава от вода чрез редукция с кокс. Този метод за получаване на водород е много по-икономичен. След откритието на Хабер производството на амоняк започва да расте бързо, това не е изненадващо, тъй като за получаването на азотсъдържащи торове са необходими огромни количества амоняк. Около 80% от целия амоняк, произведен в света, се използва за тяхното производство. Заедно с азотсъдържащите торове азотът се внася в почвата в разтворима форма, от която се нуждаят повечето растения. Останалите ≈20% от произведения амоняк се използват за получаване на полимери, експлозиви, багрила и други продукти.

Съвременният процес за производство на амоняк се основава на неговия синтез от азот и водород, като се използва специален катализатор:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)

Тъй като тази реакция е обратима, възниква въпросът: при какви температури и налягания е най-изгодно да се постигне максимален добив

продукт? Тъй като реакцията е екзотермична, въз основа на принципа на Le Chatelier, е ясно, че колкото по-ниска е температурата на процеса, толкова повече равновесието ще се измести към образуването на амоняк и може да се приеме, че температурата трябва да бъде намалена възможно най-много. Но в действителност всичко е по-сложно: при ниски температури реакцията практически не протича, така че трябва да се вземе компромисно решение. Тъй като за установяване на оптималното равновесно състояние на реакцията е необходимо ниска температура, а за постигане на задоволителна скорост - висока температура, на практика процесът се извършва при температура около 400 - 500 ° C.

Но дори при такава висока температура е необходим специален катализатор, за да се постигне достатъчна скорост на реакция. Като катализатор се използва гъбесто желязо, активирано с калий и алуминиеви оксиди.

От уравнението на реакцията може да се види, че общият брой на бенките намалява от 4 на 2. Съгласно принципа на Le Chatelier, в този случай е изгодно да се извърши процесът чрез увеличаване на налягането. Но това заключение е само качествено; на практика трябва да знаете точно колко ще се увеличи изхода на NH3 (с 10% или само с 0,1%) с увеличаване на налягането. Таблица 1 показва количествено ефекта от температурата и налягането върху добива на амоняк (процент амоняк в равновесната смес) чрез реакция.

От тази таблица може да се види, че повишаването на температурата при всяко налягане значително намалява съдържанието на амоняк в газовата смес, но при температури под 500 ° C скоростта на реакцията е много ниска, поради което на практика процесът обикновено се извършва при температура от 450 ° C.

маса 1

Що се отнася до налягането, тук се използват налягания от порядъка на 300 - 100 атм, но най-често "средното" налягане е ≈ 250 атм. Въпреки че при тези условия само около 20% от изходните материали се превръщат в амоняк, но в резултат на използването на циркулираща технологична схема (въвеждане на нереагирали Н2 и N2 отново в реакцията), общото превръщане на изходните материали в амоняк е много високо.

2. Съвременен процес на получаване на амоняк

Експлоатацията на модерна амонячна централа е много сложна. Това твърдение изглежда изненадващо, ако се съсредоточите само върху доста просто изглеждащото уравнение на реакцията (1), което е в основата на синтеза на амоняк. Твърдението за сложността на индустриалния синтез на амоняк обаче няма да изглежда прекомерно след първото запознаване със схемата на действие на амонячна централа, работеща на природен газ (фиг. 1). Първият етап в процеса на синтез на амоняк включва десулфуризатор. Десулфуризаторът е техническо устройство за отстраняване на сярата от природния газ. Това е абсолютно необходима стъпка, тъй като сярата е каталитична отрова и "отравя" никеловия катализатор в следващия етап на производство на водород.

Вторият етап на индустриалния синтез на амоняк включва превръщането на метана (промишлено производство на водород). Превръщането на метана е обратима реакция, протичаща при 700 - 800 ° C и налягане 30 - 40 atm с използване на никелов катализатор при смесване на метан с водна пара:

CH4 + H2O, CO + 3H2 (2)

Изглежда, че водородът, образуван от тази реакция, вече може да се използва за синтеза на амоняк съгласно реакция (1) - за това е необходимо да се пусне въздух, съдържащ азот в реактора. Това се прави на етап (3), но на този етап протичат и други процеси.

Настъпва частично изгаряне на водород в атмосферен кислород:

2H2 + O2 \u003d H2O (пара)

В резултат на този етап се получава смес от водна пара, въглероден окис (II) и азот. Водните пари от своя страна отново се редуцират с образуването на водород, както във втория етап според втория етап според тях, след първите три етапи има смес от водород, азот и "нежелан" въглероден окис (II).

На фиг. 1 етап (4) е обозначен като реакция на "смяна", но може да се осъществи при две температурни условия и различни катализатори. Окисление

CO, образуван в двата предходни етапа, до CO2 се извършва точно според тази реакция:

СО + Н2О (пара) ↔ СО2 + Н2 (3)

Процесът на "смяна" се извършва последователно в два "ректора на смяна". Първият от тях използва катализатора Fe3O4 и процесът протича при достатъчно висока температура от порядъка на 400 ° C. Вторият процес използва по-ефективен меден катализатор и успява да протече процеса при по-ниска температура.

При петата степен въглеродният оксид (IV) се "измива" от газовата смес чрез абсорбиране с алкален разтвор:

KOH + CO2 \u003d K2CO3.

Реакцията на "смяна" (3) е обратима и след 4-ия етап в газовата смес всъщност остава около 0,5% CO. Това количество CO е напълно достатъчно, за да унищожи железния катализатор на основния етап на синтеза на амоняк (1). На 6-ия етап въглеродният оксид (II) се отстранява чрез реакцията на превръщане с водород в метан на специален никелов катализатор при температури от 300 - 400 ° C:

CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O

Газовата смес, която сега съдържа ≈ 75% водород и 25% азот, се компресира; в същото време налягането му се увеличава от 25 - 30 на 200 - 250 атм. В съответствие с уравнението на Клиперон-Менделеев, такова компресиране води до много рязко повишаване на температурата на сместа. Веднага след компресията е необходимо да се охлади до 350 - 450 ° C. Този процес е описан с точност чрез реакция (1).

Списък на използваната литература

1. Н.Е. Кузменко, В.В. Еремин, В.А. Попков. Химия. Теория и задачи. - М.: ONIX 21 век "," Мир и образование ", 2003.