La formule pour obtenir de l'ammoniac dans l'industrie. Principes scientifiques généraux de la production chimique (sur l'exemple de la production industrielle d'ammoniac, d'acide sulfurique, de méthanol)
Un certain nombre de facteurs affectent la production de la quantité optimale d'un produit chimique, ainsi que l'obtention de sa qualité maximale. La production d'ammoniac dépend des paramètres de pression, de température, de la présence d'un catalyseur, des substances utilisées et de la méthode d'extraction du matériau résultant. Ces paramètres doivent être correctement équilibrés afin de tirer le meilleur parti du processus de production.
Propriétés de l'ammoniac
Lorsque température ambiante et l'humidité de l'air normale, l'ammoniac est à l'état gazeux et a une odeur très répulsive. Il est doté d'un effet toxique et irritant sur les muqueuses du corps. La réception et les propriétés de l'ammoniac dépendent de la participation de l'eau dans le processus, car cette substance est très soluble dans les caractéristiques normales environnement.
L'ammoniac est un composé d'hydrogène et d'azote. Sa formule chimique est NH 3.
Ce produit chimique agit comme un agent réducteur actif, qui libère de l'azote libre à la suite de la combustion. L'ammoniac présente les caractéristiques des bases et des alcalis.
Réaction d'une substance avec l'eau
La dissolution de NH 3 dans l'eau donne de l'eau ammoniacale. Au maximum à température ordinaire, 700 volumes d'ammoniac peuvent être dissous dans 1 volume d'un élément aqueux. Cette substance est connue sous le nom d'ammoniac et est largement utilisée dans l'industrie des engrais, dans les installations technologiques.
Le NH 3 obtenu par dissolution dans l'eau est partiellement ionisé au niveau de ses qualités.
L'ammoniac est utilisé dans l'une des méthodes de laboratoire pour obtenir cet élément.
Obtention d'une substance en laboratoire
La première méthode de production d'ammoniac consiste à porter l'ammoniac à ébullition, après quoi la vapeur résultante est séchée et le composé chimique requis est collecté. L'obtention d'ammoniac en laboratoire est également possible en chauffant de la chaux éteinte et du chlorure d'ammonium solide.
La réaction de production d'ammoniac est la suivante:
2NH 4 Cl + Ca (OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O
Au cours de cette réaction, un précipité se forme. blanc... Il s'agit d'un sel de CaCl 2, et de l'eau et l'ammoniac souhaité se forment également. Pour effectuer la déshumidification de la substance requise, elle est passée à travers un mélange de chaux en combinaison avec du sodium.
L'obtention d'ammoniac en laboratoire ne fournit pas la technologie la plus optimale pour sa production dans les quantités requises. Depuis de nombreuses années, les gens recherchent des moyens d'extraire la substance à l'échelle industrielle.
Les origines de la mise en place des technologies de production
De 1775 à 1780, des expériences ont été menées sur la liaison des molécules d'azote libres de l'atmosphère. Le chimiste suédois K. Schelle a trouvé une réaction qui ressemblait à
Na 2 CO 3 + 4C + N 2 \u003d 2NaCN + 3CO
Sur cette base, en 1895, N. Caro et A. Frank ont \u200b\u200bdéveloppé une méthode pour lier les molécules d'azote libres:
CaC 2 + N 2 \u003d CaCN 2 + C
Cette option nécessitait beaucoup d'énergie et n'était pas rentable sur le plan économique, elle a donc été abandonnée avec le temps.
Une autre méthode assez coûteuse était le processus d'interaction des molécules d'azote et d'oxygène découvert par les chimistes anglais D. Priestley et G. Cavendish:
Croissance de la demande d'ammoniac
En 1870, ce produit chimique était considéré comme un produit indésirable par l'industrie du gaz et était pratiquement inutile. Cependant, après 30 ans, il est devenu très populaire dans l'industrie du coke de sous-produits.
Dans un premier temps, la demande accrue d'ammoniac a été reconstituée en la séparant du charbon. Mais avec une augmentation de 10 fois la consommation de la substance, des travaux pratiques ont été menés pour trouver des moyens de l'extraire. La production d'ammoniac a commencé à être introduite en utilisant les réserves d'azote atmosphérique.
Le besoin de substances à base d'azote a été observé dans presque tous les secteurs connus de l'économie.
Trouver des moyens de répondre à la demande industrielle
L'humanité a parcouru un long chemin vers la mise en œuvre de l'équation de production de matière:
N 2 + 3H 2 \u003d 2NH 3
La production d'ammoniac dans l'industrie a été réalisée pour la première fois en 1913 par synthèse catalytique à partir d'hydrogène et d'azote. La méthode a été découverte par F. Haber en 1908.
La technologie ouverte a résolu un problème de longue date pour de nombreux scientifiques différents pays... Jusqu'à ce point, il n'était pas possible de lier l'azote sous forme de NH 3. Ce processus chimique s'appelle la réaction cyanamide. Au fur et à mesure que la température de la chaux et du carbone augmentait, la substance CaC 2 (carbure de calcium) était obtenue. En chauffant de l'azote, on obtient le cyanamide calcique CaCN 2, à partir duquel le dégagement d'ammoniac a eu lieu par hydrolyse.
Introduction de technologies pour la production d'ammoniac
La production de NH 3 à l'échelle mondiale pour la consommation industrielle a commencé avec l'achat d'un brevet pour les technologies de F. Haber par le représentant de l'usine de soude de Baden A. Mittasch. Au début de 1911, la synthèse d'ammoniac dans une petite usine est devenue régulière. K. Bosch a créé un grand appareil de contact basé sur les développements de F. Haber. C'était l'équipement d'origine pour fournir un processus de synthèse pour l'extraction de l'ammoniac à l'échelle de la production. K. Bosch a pris en charge toute la direction sur cette question.
Les économies d'énergie ont impliqué la participation de certains catalyseurs aux réactions de synthèse.
Un groupe de scientifiques travaillant pour trouver des constituants appropriés a proposé ce qui suit: un catalyseur de fer, auquel des oxydes de potassium et d'aluminium ont été ajoutés, et qui est toujours considéré comme l'un des meilleurs producteurs d'ammoniac de l'industrie.
09/09/1913 la première usine au monde utilisant la technologie de la synthèse catalytique a commencé ses travaux. Les capacités de production ont été progressivement augmentées et à la fin de 1917, 7 000 tonnes d'ammoniac étaient produites par mois. Au cours de la première année d'exploitation de l'usine, ce chiffre n'était que de 300 tonnes par mois.
Par la suite, tous les autres pays ont également commencé à utiliser la technologie de synthèse avec l'utilisation de catalyseurs, qui dans son essence ne différaient pas beaucoup de la technique Haber-Bosch. L'utilisation de procédés à haute pression et de circulation a eu lieu dans n'importe quel processus technologique.
Introduction à la synthèse en Russie
En Russie, la synthèse a également été utilisée avec l'utilisation de catalyseurs qui assurent la production d'ammoniac. La réaction ressemble à ceci:
En Russie, la toute première usine de synthèse d'ammoniac a commencé ses travaux en 1928 à Tchernorechensk, puis des installations de production ont été construites dans de nombreuses autres villes.
Les travaux pratiques sur la production d'ammoniac ne cessent de prendre de l'ampleur. Dans la période de 1960 à 1970, la synthèse a augmenté de près de 7 fois.
Dans le pays, des substances catalytiques mixtes sont utilisées pour réussir la production, la collecte et la reconnaissance de l'ammoniac. L'étude de leur composition est réalisée par un groupe de scientifiques dirigé par S. S. Lachinov. C'est ce groupe qui a trouvé les matériaux les plus efficaces pour la technologie de synthèse.
De plus, la cinétique du processus est constamment étudiée. Les développements scientifiques dans ce domaine ont été réalisés par M. I. Temkin, ainsi que ses collègues. En 1938, ce scientifique, avec son collègue V.M. Pyzhev, a fait découverte importanteaméliorer la production d'ammoniac. L'équation de cinétique de synthèse, compilée par ces chimistes, est désormais appliquée dans le monde entier.
Processus de synthèse moderne
Le processus de production d'ammoniac assisté par catalyseur utilisé dans la production actuelle est réversible. Par conséquent, la question du niveau optimal d'influence des indicateurs sur la réalisation de la production maximale de produits est très urgente.
Le processus se déroule à une température élevée: 400-500 ˚С. Un catalyseur est utilisé pour fournir la vitesse de réaction requise. La production moderne de NH 3 implique l'utilisation de haute pression - environ 100 à 300 atm.
Avec l'utilisation d'un système de circulation, une masse suffisamment importante de matériaux initiaux convertis en ammoniac peut être obtenue.
Production moderne
Le système de fonctionnement de toute usine d'ammoniac est assez complexe et comprend plusieurs étapes. La technologie pour obtenir la substance souhaitée est réalisée en 6 étapes. Au cours de la synthèse, l'ammoniac est obtenu, collecté et reconnu.
La première étape consiste à extraire le soufre du gaz naturel à l'aide d'un désulfurateur. Cette manipulation est nécessaire du fait que le soufre est un poison catalytique et tue le catalyseur au nickel même au stade de la récupération de l'hydrogène.
À la deuxième étape, la conversion du méthane a lieu, qui se déroule avec l'utilisation d'une température et d'une pression élevées à l'aide d'un catalyseur au nickel.
Au troisième stade, une combustion partielle de l'hydrogène dans l'oxygène atmosphérique se produit. Le résultat est un mélange de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone et d'azote.
À la quatrième étape, une réaction de décalage se produit, qui a lieu avec différents catalyseurs et deux différents conditions de température... Initialement, Fe 3 O 4 est utilisé et le processus se déroule à une température de 400 ˚С. Dans la deuxième étape, il s'agit d'un catalyseur au cuivre, plus efficace dans son effet, qui permet de réaliser la production à basse température.
La cinquième étape suivante consiste à éliminer le monoxyde de carbone (VI) inutile du mélange gazeux en utilisant la technologie d'absorption avec une solution alcaline.
Au stade final, le monoxyde de carbone (II) est éliminé en utilisant la réaction de conversion de l'hydrogène en méthane à travers un catalyseur au nickel et à haute température.
Le mélange gazeux résultant contient 75% d'hydrogène et 25% d'azote. Il est comprimé sous grande pression puis refroidi.
Ce sont ces manipulations que décrit la formule de libération d'ammoniac:
N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 kJ
Bien que ce procédé ne paraisse pas très compliqué, toutes les actions ci-dessus pour sa mise en œuvre indiquent la difficulté d'obtenir de l'ammoniac à l'échelle industrielle.
La qualité du produit final est affectée par l'absence d'impuretés dans la matière première.
De l'expérience du petit laboratoire à la production à grande échelle, la production d'ammoniac est aujourd'hui une branche demandée et irremplaçable de l'industrie chimique. Ce processus est constamment amélioré, garantissant la qualité, l'efficacité et la quantité de produit requise pour chaque cellule de l'économie nationale.
- la concentration moyenne incapacitante (ICt50) assure l'incapacité de 50% des personnes atteintes;
- la concentration seuil moyenne (PCt50) - provoque les premiers symptômes de dommage chez 50% des personnes touchées (g · min / m3);
- moyen dose létale (DLt50) lorsqu'il est injecté dans l'estomac - entraîne la mort de 50% des personnes touchées après une seule injection dans l'estomac (mg / kg).
Pour évaluer le degré de toxicité de l'action de résorption cutanée de l'AHOV, les valeurs de la toxicité létale moyenne (DLt50) et de la toxicité seuil moyenne (PDt50) sont utilisées. Unités de mesure - g / personne, mg / personne, ml / kg.
La dose létale moyenne en une seule application sur la peau entraîne la mort de 50% des personnes atteintes.
Propriétés physicochimiques de l'ammoniac
Lors de l'évaluation du danger potentiel substances chimiques il est nécessaire de prendre en compte non seulement les propriétés toxiques, mais aussi physico-chimiques qui caractérisent leur comportement dans l'atmosphère, sur le sol et dans l'eau. En particulier, le paramètre physique le plus important qui détermine le comportement des substances toxiques de l'action d'inhalation lors des émissions (déversements) est la concentration maximale de ses vapeurs dans l'air. En toxicologie industrielle, un indicateur est utilisé qui prend en compte à la fois les propriétés toxiques et la volatilité des substances - le coefficient de possibilité d'intoxication par inhalation (CVIO). Ce coefficient est égal au rapport de la concentration maximale possible de vapeur d'une substance à 200 ° C sur sa concentration létale (tableau P. 4.1)
Dans certaines de ses propriétés (point d'ébullition -33 ° C, température critique -132 ° C), l'ammoniac est similaire au chlore. Tout comme le chlore, l'ammoniac est commodément stocké sous une forme liquéfiée. Les dépendances de la pression de vapeur - température et fraction de liquide qui s'évapore instantanément dans la température d'approximation adiabatique pour l'ammoniac et le chlore sont très proches. Cependant, l'ammoniac est principalement transporté sous forme de liquide réfrigéré (dans des véhicules réfrigérés). Notez qu'il existe des pipelines aux États-Unis qui transportent de l'ammoniac à travers le pays.
Importance industrielle de l'ammoniac et de ses domaines d'application
L'ammoniac occupe l'une des premières places en termes de production. Environ 100 millions de tonnes de ce composé sont produites chaque année dans le monde. L'ammoniac est utilisé pour fabriquer de l'acide nitrique (HNO3), qui est utilisé pour fabriquer des engrais et de nombreux autres produits; sels azotés [(NH4) 2SO4, NH4NO3, NaNO3, Ca (NO3) 2], urée, acide cyanhydrique.
L'ammoniac est également utilisé dans la production de soude par la méthode de l'ammoniac, en synthèse organique, pour la préparation de solutions aqueuses (ammoniac), largement utilisées dans l'industrie chimique et en médecine. L'ammoniac liquide, ainsi que solutions aqueuses utilisé comme engrais liquide. L'ammoniac est un bon solvant pour une classe importante de composés azotés. De grandes quantités d'ammoniac sont utilisées pour l'ammonisation du superphosphate.
L'évaporation de l'ammoniac se produit avec l'absorption d'une quantité importante de chaleur de l'environnement. Par conséquent, l'ammoniac est également utilisé comme réfrigérant bon marché dans les installations de réfrigération industrielle. Dans ce cas, l'ammoniac liquide doit être conforme aux exigences de GOST 6221 - 90 "Ammoniac liquide technique". L'ammoniac liquide de qualité technique A est utilisé comme réfrigérant, mais la teneur en eau ne doit pas dépasser 0,1%.
L'ammoniac est également utilisé pour fabriquer des fibres synthétiques telles que le nylon et le nylon. Dans l'industrie légère, il est utilisé pour le nettoyage et la teinture du coton, de la laine et de la soie. Dans l'industrie pétrochimique, l'ammoniac est utilisé pour neutraliser les déchets acides, et dans la production de caoutchouc naturel, l'ammoniac aide à préserver le latex lorsqu'il se déplace de plantation en usine. Dans l'industrie sidérurgique, l'ammoniac est utilisé pour la nitruration - saturation des couches superficielles de l'acier avec de l'azote, ce qui augmente considérablement sa dureté.
Règles générales pour la conception et le fonctionnement en toute sécurité des unités de réfrigération à l'ammoniac
Concepts généraux des groupes frigorifiques
Système de réfrigération - un ensemble de pièces contenant du réfrigérant et interconnectées qui forment un circuit de réfrigération fermé pour faire circuler le réfrigérant dans le but de fournir et d'éliminer la chaleur.
Unité de réfrigération - unités, ensembles et autres composants du système de réfrigération et tous les équipements nécessaires à leur fonctionnement.
Système de réfrigération à absorption (ou adsorption) - un système dans lequel la production de froid est effectuée à la suite de l'évaporation du réfrigérant; L'absorbeur (adsorbeur) absorbe les vapeurs de fluide frigorigène, qui en sont ensuite libérées lorsqu'il est chauffé avec une augmentation de la pression partielle, puis se condensent sous cette pression lors du refroidissement.
Réfrigérant (réfrigérant) - utilisé dans le système de réfrigération environnement de travailqui absorbe la chaleur à basses températures et pressions et libère de la chaleur à des températures et pressions plus élevées. Ce processus s'accompagne d'un changement de l'état d'agrégation de l'environnement de travail.
Le liquide de refroidissement est tout liquide utilisé pour transférer la chaleur sans changer son état d'agrégation.
Exigences pour la conception matérielle des unités de réfrigération
1) Le groupe frigorifique doit être équipé de dispositifs empêchant les gouttes d'ammoniac liquide de pénétrer dans la cavité d'aspiration des compresseurs.
2) L'unité d'évaporateur pour refroidir le liquide de refroidissement doit comprendre un dispositif pour séparer les gouttelettes de liquide du mélange vapeur-liquide ammoniac et renvoyer le liquide séparé vers l'évaporateur.
3) Pour la séparation de la phase liquide du mélange vapeur-liquide transporté dans les systèmes de réfrigération à détente directe, des réservoirs de circulation (ou de protection) sont prévus pour chaque point d'ébullition, combinant les fonctions d'un séparateur de liquide. Il est permis de prévoir à ces fins des séparateurs de liquide séparés reliés par des canalisations avec des réservoirs de circulation (protecteurs) qui ne combinent pas les fonctions d'un séparateur de liquide.
4) Le volume géométrique des réservoirs de circulation avec colonne montante, combinant les fonctions d'un séparateur de liquide, pour chaque point d'ébullition dans les circuits de pompage avec alimentation inférieure et supérieure d'ammoniac aux dispositifs de refroidissement doit être calculé à l'aide des formules données dans.
5) Pour la libération d'urgence (réparation) de l'ammoniac liquide des dispositifs de refroidissement, des appareils, des récipients et des blocs, ainsi que pour éliminer le condensat lors du dégivrage des dispositifs de refroidissement avec des vapeurs chaudes, il est nécessaire de prévoir un récepteur de vidange conçu pour recevoir l'ammoniac du plus appareil, récipient ou bloc à forte intensité d'ammoniac.
6) Le volume géométrique du récepteur de drain doit être pris à partir de la condition qu'il ne soit pas rempli à plus de 80%.
7) Le volume géométrique des réservoirs linéaires des unités de réfrigération doit être considéré comme ne dépassant pas 30% du volume géométrique total des dispositifs de refroidissement des locaux, de la partie ammoniacale des dispositifs technologiques et des évaporateurs.
8) Pour les machines frigorifiques avec chargement d'ammoniac dosé, un réservoir linéaire n'est pas fourni.
L'azote avec l'hydrogène forme plusieurs composés, dont le plus important est l'ammoniac NH 3. La liaison entre les atomes d'hydrogène et d'azote, dans la molécule d'ammoniac, est covalente et les états d'oxydation sont répartis comme suit: (N -3 H + 3) 0.
Selon eux propriétés physiques L'ammoniac est un gaz incolore avec une odeur piquante. Il est plus léger que l'air et se dissout dans l'eau mieux que les autres gaz. Ainsi, dans un volume d'eau, 1,2 mille volumes d'ammoniac peuvent se dissoudre.
Lors d'un refroidissement accompagné d'une augmentation de la pression, l'ammoniac se transforme facilement en un liquide incolore. La réaction inverse de la transition de l'ammoniac liquide en vapeur est endothermique et une grande quantité de chaleur est absorbée. Le point d'ébullition de l'ammoniac est de 34 o C.
Production d'ammoniac dans l'industrie
En production, l'ammoniac est extrait en le synthétisant à partir d'azote et d'hydrogène:
N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + Q,
où (+ Q) signifie que la réaction se déroule avec le dégagement de chaleur, c.-à-d. est exothermique.
Du fait que cette réaction s'accompagne d'un dégagement de chaleur, elle nécessite:
- léger chauffage (400-500 environ C);
- haute pression (200 - 1000 atm);
- la présence de catalyseurs (Pt ou Fe sous forme métallique, avec addition d'Al 2 O 3 et de K 2 O).
Tout cela contribue à déplacer l'équilibre chimique de cette réaction vers la formation de ses produits.
La deuxième méthode industrielle d'extraction de l'ammoniac est la cokéfaction du charbon, car il contient 2% d'azote. Ici, l'ammoniac est formé comme sous-produit de la distillation sèche.
Méthodes de laboratoire pour produire de l'ammoniac
Dans des conditions de laboratoire, l'ammoniac peut être obtenu de deux manières:
- faible chauffage d'un mélange de chlorure d'ammonium et de chaux éteinte:
2NH 4 Cl + Ca (OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O; - chauffage du chlorure d'ammonium sec avec une solution concentrée d'alcali caustique:
NH 4 Cl + KOH → NH 3 + KCl + H 2 O.
La production d'azote joue un rôle essentiel dans l'industrie chimique moderne. Il convient de noter que les composés azotés sont utilisés à la fois dans la production de matières organiques et substances inorganiques... Un élément spécial dans l'industrie de l'azote est la production d'ammoniac. C'est avec la "participation" de ce composant le plus précieux que les engrais sont produits, acide nitrique, explosifs, réfrigérants et plus encore. Pour toute son utilité, l'ammoniac est tout à fait poison fort, malgré le fait qu'il soit utilisé en médecine sous forme d'ammoniaque.
L'ammoniac lui-même en tant que substance a été découvert pour la première fois à la fin du 18ème siècle. L'Anglais Joseph Priestley l'a décrit comme une substance distincte. 11 ans plus tard, le Français Claude Louis Berthollet a été étudié composition chimique de cette substance. Le besoin d'obtenir de l'ammoniac en quantités industrielles a commencé à se manifester fortement à la fin du XIXe siècle, lorsque les gisements de nitrate chilien, à partir desquels les composés azotés étaient principalement obtenus, ont commencé à s'épuiser. C'est «l'air alcalin» qui est devenu le composant le plus prometteur pour la production de divers composants chimiquesqui a eu un impact énorme sur différents côtés la vie humaine: des affaires militaires à l'agriculture.
Mais ce problème n'a été résolu qu'au début du XXe siècle, lorsqu'une méthode de production d'ammoniac par synthèse directe à partir d'azote et d'hydrogène est apparue. Ainsi, de l'apparition du problème à sa solution, une période assez longue s'est écoulée, au cours de laquelle plusieurs découvertes ont été faites qui ont permis au «conte de fées de se réaliser».
Caractéristiques et étapes du processus de production
Le processus de production d'ammoniac se caractérise par une consommation d'énergie élevée, ce qui est son principal inconvénient. C'est pourquoi des développements scientifiques sont constamment menés, qui visent à résoudre les problèmes d'économie d'énergie. En particulier, des méthodes d'utilisation de l'énergie libérée sont en cours de développement, ainsi que la combinaison, par exemple, de la production d'ammoniac et d'urée. Tout cela contribue à la réduction du coût des activités des entreprises et à une augmentation de leur rentabilité utile.
La production d'ammoniac est basée sur le principe de circulation, selon lequel le processus se déroule en continu, et les restes des composants d'origine sont séparés du produit final et réutilisés, continuité: le processus de synthèse se déroule sans arrêt, le principe de la chaleur l'échange, ainsi que le principe de cyclicité. Comme vous pouvez le voir, tous ces principes sont étroitement liés.
Le schéma très technologique de la production d'ammoniac dépend tout d'abord des matières premières à partir desquelles le produit final est obtenu. Le fait est que, contrairement à l'azote, qui est contenu dans l'air dans grandes quantités, l'hydrogène sous sa forme pure n'est pratiquement pas présent dans la nature et sa séparation de l'eau est un processus assez laborieux et énergivore.
Par conséquent, les hydrocarbures contenus dans le gaz naturel sont principalement utilisés comme matières premières pour la production d'ammoniac. Actuellement, c'est le gaz naturel qui est l'un des fondements de l'industrie de l'ammoniac. Avant d'entrer dans la colonne de synthèse, le gaz passe par plusieurs étapes de traitement. Le processus commence par le fait que la matière première est purifiée du soufre à l'aide d'un désulfuriseur.
Vient ensuite le processus dit de reformage, qui consiste en ce que, au cours de son cours, les hydrocarbures sont d'abord convertis en méthane, puis un processus assez complexe de conversion du méthane en un mélange de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et d'hydrogène se produit. Dans ce cas, le mélange est également purifié du dioxyde de carbone, après quoi l'hydrogène entre dans la colonne de synthèse sous haute pression avec de l'azote. Ainsi, avant de démarrer directement la production d'ammoniac, la technologie implique le traitement préalable des matières premières.
Tous les processus de reformage, ainsi que la synthèse du produit final lui-même, se produisent à haute pression et haute température. C'est ce qui conduit à leur forte consommation d'énergie. Dans ce cas, les paramètres spécifiés changent à toutes les étapes de la production.
La colonne elle-même est généralement en acier. Il contient un catalyseur dont la composition peut être différente. Après avoir traversé le cycle de synthèse, le mélange entre dans le réfrigérateur, où l'ammoniac sous forme liquide en est séparé, et les composants restants après la réaction retournent à la production. Cette fonctionnalité processus technologique est causée par le fait que la réaction de synthèse de l'ammoniac est réversible et qu'au cours du processus technologique, une partie du produit final se décompose en composants initiaux.
Ainsi, la production d'ammoniac dans l'industrie, malgré la simplicité apparente de la réaction qui sous-tend le procédé, est en fait un problème technologique assez complexe.
La création d'installations de production intégrées et le développement de nouvelles technologies revêtent une importance particulière
Comme mentionné ci-dessus, la technologie est constamment améliorée et la principale direction des mesures pour l'améliorer est de réduire l'intensité énergétique du processus lui-même. Et là où cela est difficile pour diverses raisons, des méthodes de récupération de chaleur sont utilisées, ce qui peut également être bénéfique. En outre, certaines usines d'ammoniac utilisent des sous-produits pour d'autres industries chimiques. Cela peut être utilisé pour combiner, par exemple, la production de méthanol et d'ammoniac. Cette méthode consiste en ce que le méthanol est synthétisé à partir de monoxyde de carbone et d'eau formés lors du reformage.
On a également parlé de la production combinée d'ammoniac et d'urée. Cette combinaison est possible, par exemple, en faisant réagir le dioxyde de carbone issu du reformage avec l'ammoniac produit. Cette méthode nécessite bien entendu l'installation d'équipements supplémentaires. Cependant, cela peut améliorer la valeur d'une entreprise particulière.
Une autre caractéristique de la production industrielle d'ammoniac est que son caractère cyclique contribue également au zéro déchet. De plus, à la fois l'énergie reçue et les sous-produits sont utilisés. Même le soufre obtenu lors de la purification des matières premières est utilisé dans d'autres industries chimiques. En plus de ces mesures, il y a également une recherche constante de la combinaison optimale de pression et de température à laquelle le processus se déroule. En effet, le rendement final du produit principal dépend de la combinaison de ces paramètres.
Compte tenu de tout ce qui précède, on peut conclure en toute responsabilité qu’une usine d’ammoniac moderne est un complexe de structures plutôt complexe. Mais un tel complexe est toujours basé sur une installation développée en 1909 par le scientifique allemand Fritz Haber, qui, en plus de cette invention, est devenu célèbre pour devenir le «père des armes chimiques». Ironiquement, ce scientifique a reçu prix Nobel Paix. Néanmoins, il est clair que la valeur de sa contribution au développement de l'industrie chimique moderne ne fait aucun doute.
Ainsi, en utilisant l'exemple de la production industrielle d'ammoniac, on peut voir comment un processus apparemment inchangé peut être amélioré au fil des ans. Vous pouvez également voir comment une invention peut jeter les bases du développement de toute une industrie (et, de plus, non négligeable) de production moderne pendant de nombreuses années.
Actuellement, les usines d'ammoniac sont situées partout dans le monde. De plus, de nouvelles entreprises se construisent constamment. Ce fait souligne une fois de plus l'importance de ce type. production chimique... En effet, dans de nombreuses régions le globe la disponibilité des engrais azotés, par exemple, est devenue une nécessité vitale. De nombreux autres exemples peuvent être cités, mais le fait demeure. De plus, une grande partie des produits de l'industrie gazière est demandée précisément dans la production d'ammoniac, ce qui lui permet de se développer régulièrement. Ces quelques exemples montrent clairement que le rôle de la production d'ammoniac est difficile à surestimer. Par conséquent, nous pouvons conclure que l'industrie de l'azote existera pendant longtemps et que ses produits seront toujours en demande constante.
Ainsi, en parlant de production d'ammoniac, il faut comprendre que nous parlons d'une production très sérieuse, qui a un impact énorme sur le fonctionnement de différents domaines, à la fois l'activité économique et la vie juste des gens. Et il est fort possible que l'importance de cette industrie augmente à l'avenir.
Établissement d'enseignement municipal
École secondaire Novosafonovskaya
Production d'ammoniac: une brève description de
District de Prokopyevsky 2006
introduction
1. Méthodes de production d'ammoniac
2. Processus moderne d'obtention d'ammoniac
Liste de la littérature utilisée
introduction
Le général défi économique toute entreprise chimique doit obtenir des produits chimiques de haute qualité et en quantités suffisantes pour rentabiliser leur vente. À cela s'ajoute l'exigence que toutes les ressources soient utilisées aussi efficacement que possible. Cependant, cela ne peut être réalisé que si le processus chimique lui-même est le plus efficace. Dans l'industrie chimique, au lieu du concept de "réactifs", les termes "matières premières", "matières premières" ou simplement matières premières sont utilisés beaucoup plus souvent, parfois - "minerai". Pour que tout procédé soit économiquement justifié, il est nécessaire d'obtenir le rendement optimal du produit cible à partir des matières premières. Le rendement optimal ne correspond pas nécessairement au rendement théorique ni même au rendement maximal réalisable. L'obtention du rendement maximal réalisable peut, par exemple, nécessiter une consommation excessive de toute matière de départ coûteuse, ou le processus est trop long, ou des conditions extrêmes sont créées (températures ou pressions très élevées), pleines d'urgences dangereuses, etc., - tous cela peut rendre le rendement maximum réalisable économiquement non rentable.
Le rendement réel de chaque procédé chimique spécifique peut dépendre d'un certain nombre de facteurs, les principaux étant la température, la pression, la présence d'un catalyseur, la pureté des matières de départ et l'efficacité de récupération du produit final. La production industrielle de substances implique une excellente connaissance des lois théoriques du déroulement des réactions chimiques (énergétique des réactions chimiques, cinétique et catalyse chimiques, équilibre chimique).
Tous les facteurs énumérés ci-dessous sont importants, en particulier lorsqu'il s'agit d'industries à gros tonnage, comme, par exemple, la production d'ammoniac.
Les concepteurs d'usines chimiques construisent des usines d'ammoniac robustes. Par exemple, des installations ont été créées qui produisent 1 000 à 1 200 tonnes d'ammoniac par jour. À l'heure actuelle, environ 5 millions de tonnes d'ammoniac sont produites chaque année dans le monde.
1. Méthodes de production d'ammoniac
désulfurateur de procédé de cyanamide d'ammoniaque
Le premier procédé industriel utilisé pour produire de l'ammoniac a été le procédé au cyanamide. Lorsque la chaux CaO et le carbone ont été chauffés, on a obtenu du carbure de calcium CaC2. Ensuite, le carbure a été chauffé sous atmosphère d'azote pour obtenir du cyanamide de calcium CaCN2; puis l'ammoniac a été obtenu par hydrolyse du cyanamide:
CaCN2 (tv) + 3H2O \u003d 2NH3\u200d\u200d + CaCO3 (tv)
Ce procédé était énergivore et économiquement désavantageux.
En 1908, le chimiste allemand F. Haber a découvert que l'ammoniac peut être obtenu à partir d'hydrogène et d'azote atmosphérique sur un catalyseur au fer. La première usine de production d'ammoniac utilisant cette méthode utilisait de l'hydrogène, obtenu par électrolyse de l'eau. Par la suite, l'hydrogène a commencé à être obtenu à partir d'eau par réduction avec du coke. Cette méthode de production d'hydrogène est beaucoup plus économique. Après la découverte de Haber, la production d'ammoniac a commencé à croître rapidement, ce n'est pas surprenant, car d'énormes quantités d'ammoniac sont nécessaires pour obtenir des engrais contenant de l'azote. Environ 80% de tout l'ammoniac produit dans le monde est utilisé pour leur fabrication. Avec les engrais azotés, l'azote est introduit dans le sol sous une forme soluble, dont la plupart des plantes ont besoin. Les ≈20% restants de l'ammoniac produit sont utilisés pour obtenir des polymères, des explosifs, des colorants et d'autres produits.
Le procédé moderne de production d'ammoniac est basé sur sa synthèse à partir d'azote et d'hydrogène à l'aide d'un catalyseur spécial:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)
Cette réaction étant réversible, la question se pose: à quelles températures et pressions est-il le plus rentable d'atteindre le rendement maximum
produit? La réaction étant exothermique, basée sur le principe de Le Chatelier, il est clair que plus la température du procédé est basse, plus l'équilibre se déplacera vers la formation d'ammoniac, et on peut supposer que la température doit être abaissée autant que possible. Mais en réalité, tout est plus compliqué: à basse température, la réaction n'a pratiquement pas lieu, il faut donc prendre une décision de compromis. Étant donné que l'établissement d'un état d'équilibre optimal de la réaction nécessite basse température, et pour atteindre une vitesse satisfaisante - une température élevée, en pratique, le procédé est effectué à une température d'environ 400 à 500 ° C.
Mais même à une température aussi élevée, la présence d'un catalyseur spécial est nécessaire pour obtenir une vitesse de réaction suffisante. Le fer éponge activé avec des oxydes de potassium et d'aluminium est utilisé comme catalyseur.
On peut voir à partir de l'équation de réaction que le nombre total de moles diminue de 4 à 2. Selon le principe de Le Chatelier, dans ce cas, il est avantageux de réaliser le procédé en augmentant la pression. Mais cette conclusion n'est que qualitative; en pratique, vous devez savoir exactement dans quelle mesure le rendement en NH3 augmentera (de 10% ou seulement de 0,1%) avec l'augmentation de la pression. Le tableau 1 montre quantitativement l'effet de la température et de la pression sur le rendement en ammoniac (pourcentage d'ammoniac dans le mélange d'équilibre) au cours de la réaction.
On peut voir à partir de ce tableau qu'une augmentation de la température à n'importe quelle pression réduit considérablement la teneur en ammoniac dans le mélange gazeux, cependant, à des températures inférieures à 500 ° C, la vitesse de réaction est très faible, par conséquent, en pratique, le processus est généralement réalisée à une température de 450 ° C
Tableau 1
Quant à la pression, des pressions de l'ordre de 300 à 100 atm sont utilisées ici, mais le plus souvent la pression «moyenne» est de ≈ 250 atm. Bien que dans ces conditions seulement environ 20% des matières de départ soient converties en ammoniac, cependant, à la suite de l'utilisation d'un schéma technologique en circulation (réintroduction de H2 et N2 n'ayant pas réagi dans la réaction), la conversion totale des matières de départ en ammoniac est très haut.
2. Processus moderne d'obtention d'ammoniac
Le fonctionnement d'une usine d'ammoniac moderne est très complexe. Cette affirmation semble surprenante si vous "vous concentrez" uniquement sur l'équation de réaction plutôt simple (1), qui est la base de la synthèse de l'ammoniac. Cependant, l'affirmation sur la complexité de la synthèse industrielle de l'ammoniac ne paraîtra pas excessive après la première connaissance du schéma de l'usine d'ammoniac fonctionnant au gaz naturel (Fig. 1). La première étape du processus de synthèse de l'ammoniac comprend un désulfurateur. Le désulfuriseur est un dispositif technique permettant d'éliminer le soufre du gaz naturel. C'est une étape absolument nécessaire, car le soufre est un poison catalytique et "empoisonne" le catalyseur au nickel dans l'étape de production d'hydrogène suivante.
La deuxième étape de la synthèse industrielle de l'ammoniac implique la conversion du méthane (production industrielle d'hydrogène). La conversion du méthane est une réaction réversible se déroulant à 700 - 800 ° C et une pression de 30 - 40 atm utilisant un catalyseur au nickel lors du mélange de méthane avec de la vapeur d'eau:
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (2)
L'hydrogène formé par cette réaction, semble-t-il, peut déjà être utilisé pour la synthèse d'ammoniac par la réaction (1) - pour cela, il est nécessaire de faire couler de l'air contenant de l'azote dans le réacteur. Cela se fait à l'étape (3), mais à ce stade, d'autres processus ont lieu.
La combustion partielle de l'hydrogène se produit dans l'oxygène atmosphérique:
2H2 + O2 \u003d H2O (vapeur)
En conséquence, à ce stade, un mélange de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone (II) et d'azote est obtenu. La vapeur d'eau, à son tour, est à nouveau réduite avec la formation d'hydrogène, comme dans la deuxième étape selon la deuxième étape selon eux, après trois premiers étapes il y a un mélange d'hydrogène, d'azote et de monoxyde de carbone "indésirable" (II).
Sur la figure 1, l'étape (4) est désignée comme une réaction de "décalage", mais elle peut avoir lieu à deux conditions de température et différents catalyseurs. Oxydation
Le CO, formé dans les deux étapes précédentes, en CO2 est réalisé exactement selon cette réaction:
CO + H2O (vapeur) ↔ CO2 + H2 (3)
Le processus de "décalage" est exécuté séquentiellement dans deux "recteurs de décalage". Le premier d'entre eux utilise le catalyseur Fe3O4 et le procédé se déroule à une température suffisamment élevée de l'ordre de 400 ° C. Le deuxième processus utilise un catalyseur au cuivre plus efficace et parvient à exécuter le processus à une température plus basse.
Au cinquième degré, le monoxyde de carbone (IV) est "éliminé" du mélange gazeux par absorption avec une solution alcaline:
KOH + CO2 \u003d K2CO3.
La réaction de "shift" (3) est réversible, et après la 4ème étape dans le mélange gazeux, en fait, il reste encore ≈ 0,5% de CO. Cette quantité de CO est bien suffisante pour ruiner le catalyseur de fer au stade principal de la synthèse d'ammoniac (1). À la 6ème étape, le monoxyde de carbone (II) est éliminé par la réaction de conversion avec l'hydrogène en méthane sur un catalyseur spécial au nickel à des températures de 300 à 400 ° C:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
Le mélange gazeux, qui contient désormais ≈ 75% d'hydrogène et 25% d'azote, est comprimé; sa pression dans ce cas augmente de 25 - 30 à 200 - 250 atm. Conformément à l'équation de Cliperon-Mendeleev, une telle compression conduit à une très forte augmentation de la température du mélange. Immédiatement après la compression, il est nécessaire de refroidir à 350-450 ° C. C'est ce processus qui est décrit avec précision par la réaction (1).
Liste de la littérature utilisée
1.N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. Chimie. Théorie et tâches. - M.: ONIX 21e siècle "," Paix et éducation ", 2003.
