A fórmula para obtenção de amônia na indústria. Princípios científicos gerais de produção química (no exemplo da produção industrial de amônia, ácido sulfúrico, metanol)
Vários fatores influenciam o processo de produção da quantidade ideal de um produto químico, bem como a obtenção de sua qualidade máxima. A produção de amônia depende dos parâmetros de pressão, temperatura, presença de catalisador, das substâncias utilizadas e do método de extração do material resultante. Esses parâmetros devem ser devidamente balanceados para obter o maior lucro do processo de produção.
Propriedades da amônia
Quando temperatura do quarto e umidade normal, a amônia está em estado gasoso e tem um odor muito repulsivo. É dotado de um efeito venenoso e irritante nas membranas mucosas do corpo. A produção e propriedades da amônia dependem da participação da água no processo, uma vez que esta substância é muito solúvel em características normais. meio Ambiente.
A amônia é um composto de hidrogênio e nitrogênio. Sua fórmula química é NH 3.
Este produto químico atua como um agente redutor ativo, que libera nitrogênio livre como resultado da combustão. A amônia exibe as características de bases e álcalis.
Reação de uma substância com água
Dissolver NH 3 em água dá água com amônia. Máximo em temperatura normal, 700 volumes de amônia podem ser dissolvidos em 1 volume de um elemento aquoso. Essa substância é conhecida como amônia e é amplamente utilizada na indústria de fertilizantes, em instalações tecnológicas.
O NH 3 obtido por dissolução em água é parcialmente ionizado por suas qualidades.
A amônia é usada em um dos métodos de laboratório para a obtenção deste elemento.
Obtenção de uma substância em laboratório
O primeiro método para produzir amônia é fazer a amônia ferver, após o que o vapor resultante é seco e o composto químico necessário é coletado. A obtenção de amônia no laboratório também é possível por aquecimento de cal apagada e cloreto de amônio sólido.
A reação para a obtenção de amônia é a seguinte:
2NH 4 Cl + Ca (OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O
Durante esta reação, um precipitado se forma branco... Este é um sal CaCl 2, e também se formam água e a amônia desejada. Para a desumidificação da substância desejada, esta é passada por uma mistura de cal em combinação com sódio.
A obtenção de amônia em laboratório não fornece a tecnologia ideal para sua produção nas quantidades necessárias. Há muitos anos as pessoas procuram maneiras de extrair a substância em escala industrial.
As origens do estabelecimento de tecnologias de produção
Durante 1775-1780, foram realizados experimentos sobre a ligação de moléculas de nitrogênio livre da atmosfera. O químico sueco K. Schelle encontrou uma reação que parecia
Na 2 CO 3 + 4C + N 2 \u003d 2NaCN + 3CO
Com base nisso, em 1895, N. Caro e A. Frank desenvolveram um método para a ligação de moléculas de nitrogênio livre:
CaC 2 + N 2 \u003d CaCN 2 + C
Essa opção exigia muita energia e não era economicamente lucrativa, portanto, com o tempo, foi abandonada.
Outro método bastante caro foi o processo de interação das moléculas de nitrogênio e oxigênio descoberto pelos químicos ingleses D. Priestley e G. Cavendish:
Crescente demanda por amônia
Em 1870, esse produto químico era considerado um produto indesejado pela indústria do gás e era praticamente inútil. No entanto, após 30 anos, tornou-se muito popular na indústria de coque de subprodutos.
Primeiro, a necessidade crescente de amônia foi reabastecida separando-a do carvão. Mas com o aumento de 10 vezes no consumo da substância, foi realizado um trabalho prático para encontrar formas de extraí-la. A produção de amônia começou a ser introduzida a partir das reservas de nitrogênio atmosférico.
A necessidade de substâncias à base de nitrogênio foi observada em quase todos os setores conhecidos da economia.
Encontrando maneiras de atender à demanda industrial
A humanidade percorreu um longo caminho para a implementação da equação para a produção de matéria:
N 2 + 3H 2 \u003d 2NH 3
A produção de amônia na indústria foi realizada pela primeira vez em 1913 por síntese catalítica de hidrogênio e nitrogênio. O método foi descoberto por F. Haber em 1908.
A tecnologia aberta resolveu um problema antigo para muitos cientistas países diferentes... Até o momento, não era possível ligar o nitrogênio na forma de NH 3. Esse processo químico é chamado de reação da cianamida. Quando a temperatura da cal e do carbono aumentou, a substância CaC 2 (carboneto de cálcio) foi obtida. Pelo aquecimento do nitrogênio e obtenção da cianamida cálcio CaCN 2, a partir do qual a liberação de amônia ocorreu por hidrólise.
Introdução de tecnologias para a produção de amônia
A produção de NH 3 em escala global de consumo industrial começou com a compra de uma patente de tecnologia de F. Haber pelo representante da Fábrica de Refrigerantes de Baden A. Mittasch. No início de 1911, a síntese de amônia em uma pequena planta tornou-se regular. K. Bosch criou um grande aparelho de contato baseado nos desenvolvimentos de F. Haber. Era o equipamento original para fornecer um processo de síntese para extração de amônia em escala de produção. K. Bosch assumiu toda a liderança nesta questão.
A economia de custos de energia envolveu a participação de certos catalisadores nas reações de síntese.
Um grupo de cientistas trabalhando para encontrar constituintes adequados propôs o seguinte: um catalisador de ferro, ao qual foram adicionados óxidos de potássio e alumínio, e que ainda é considerado um dos melhores provedores de produção de amônia na indústria.
09/09/1913 iniciou seus trabalhos a primeira planta do mundo utilizando a tecnologia de síntese catalítica. A capacidade de produção foi aumentando gradativamente e, no final de 1917, eram produzidas 7 mil toneladas de amônia por mês. No primeiro ano de operação da planta, esse número era de apenas 300 toneladas por mês.
Posteriormente, todos os outros países também passaram a utilizar a tecnologia de síntese com o uso de catalisadores, que em sua essência não diferia muito da técnica de Haber-Bosch. A utilização de processos de alta pressão e circulação ocorreu em qualquer processo tecnológico.
Introdução de síntese na Rússia
Na Rússia, a síntese também foi utilizada com o uso de catalisadores que garantem a produção de amônia. A reação é assim:
Na Rússia, a primeira planta de síntese de amônia começou seu trabalho em 1928 em Chernorechensk e, em seguida, instalações de produção foram construídas em muitas outras cidades.
O trabalho prático na produção de amônia está constantemente ganhando impulso. No período de 1960 a 1970, a síntese aumentou quase 7 vezes.
No país, substâncias catalíticas mistas são utilizadas para o sucesso na produção, coleta e reconhecimento da amônia. O estudo de sua composição é realizado por um grupo de cientistas liderado por S. S. Lachinov. Foi este grupo que encontrou os materiais mais eficazes para a tecnologia de síntese.
Além disso, a cinética do processo está sendo pesquisada constantemente. Desenvolvimentos científicos nesta área foram realizados por M. I. Temkin, bem como seus colegas. Em 1938, este cientista, juntamente com seu colega V.M. Pyzhev, fez descoberta importantemelhorando a produção de amônia. A equação da cinética de síntese, compilada por esses químicos, é agora aplicada em todo o mundo.
Processo de síntese moderno
O processo de produção de amônia com a ajuda de um catalisador usado na produção atual é reversível. Portanto, a questão do nível ótimo de influência dos indicadores sobre o alcance da produção máxima dos produtos é muito relevante.
O processo ocorre em alta temperatura: 400-500 ˚С. Um catalisador é usado para fornecer a taxa de reação necessária. A produção moderna de NH 3 envolve o uso de alta pressão - cerca de 100-300 atm.
Juntamente com o uso de um sistema de circulação, uma massa suficientemente grande de materiais iniciais convertidos em amônia pode ser obtida.
Produção moderna
O sistema de operação de qualquer planta de amônia é bastante complexo e contém várias etapas. A tecnologia de obtenção da substância desejada é realizada em 6 etapas. No processo de realização da síntese, a amônia é obtida, coletada e reconhecida.
A etapa inicial é a extração do enxofre do gás natural por meio de um dessulfurizador. Essa manipulação é necessária devido ao fato de que o enxofre é um veneno catalítico e mata o catalisador de níquel mesmo na fase de recuperação de hidrogênio.
No segundo estágio, ocorre a conversão do metano, que prossegue com o uso de alta temperatura e pressão com catalisador de níquel.
No terceiro estágio, ocorre a combustão parcial do hidrogênio no oxigênio atmosférico. O resultado é uma mistura de vapor d'água, monóxido de carbono e nitrogênio.
No quarto estágio, ocorre uma reação de cisalhamento, que ocorre com diferentes catalisadores e dois diferentes condições de temperatura... Inicialmente é utilizado Fe 3 O 4, e o processo ocorre à temperatura de 400 ° C. Na segunda etapa, é envolvido um catalisador de cobre, mais eficaz em seu efeito, que permite que a produção seja realizada em baixas temperaturas.
O próximo quinto estágio envolve a eliminação do monóxido de carbono (VI) desnecessário da mistura de gases usando a tecnologia de absorção com uma solução alcalina.
Na etapa final, o monóxido de carbono (II) é removido por meio da reação de conversão de hidrogênio em metano por meio de um catalisador de níquel e alta temperatura.
A mistura de gases resultante contém 75% de hidrogênio e 25% de nitrogênio. É comprimido sob grande pressão e depois resfriado.
São essas manipulações que a fórmula de liberação de amônia descreve:
N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 kJ
Embora este processo não pareça muito complicado, todas as ações acima para sua implementação indicam a dificuldade de obtenção de amônia em escala industrial.
A qualidade do produto final é afetada pela ausência de impurezas na matéria-prima.
Tendo percorrido um longo caminho desde a experiência de um pequeno laboratório até a produção em grande escala, a produção de amônia é hoje um ramo exigido e insubstituível da indústria química. Esse processo está em constante aprimoramento, proporcionando qualidade, eficiência e quantidade de produto necessária para cada célula da economia nacional.
- a concentração incapacitante média (ICt50) garante a incapacitação de 50% dos afetados;
- a concentração limite média (PCt50) - causa os sintomas iniciais de dano em 50% dos afetados (g · min / m3);
- média dose letal (LDt50) quando injetado no estômago - leva à morte de 50% do afetado após uma única injeção no estômago (mg / kg).
Para avaliar o grau de toxicidade da ação de reabsorção cutânea do AHOV, são usados \u200b\u200bos valores da toxicidade letal média (LDt50) e do limiar de toxicidade médio (PDt50). Unidades de medida - g / pessoa, mg / pessoa, ml / kg.
A dose letal média em uma única aplicação na pele leva à morte de 50% dos afetados.
Propriedades físico-químicas da amônia
Ao avaliar o perigo potencial substancias químicas é necessário levar em consideração não só as propriedades tóxicas, mas também as propriedades físico-químicas que caracterizam seu comportamento na atmosfera, no solo e na água. Em particular, o parâmetro físico mais importante que determina a natureza do comportamento das substâncias tóxicas de ação inalatória durante as emissões (derramamentos) é a concentração máxima de seus vapores no ar. Na toxicologia industrial, é utilizado um indicador que leva em consideração tanto as propriedades tóxicas quanto a volatilidade das substâncias - o coeficiente de possibilidade de intoxicação por inalação (CVIO). Este coeficiente é igual à razão entre a concentração máxima possível de vapores de uma substância a 200C e sua concentração letal (Tabela P. 4.1)
Em algumas de suas propriedades (ponto de ebulição -33 ° C, temperatura crítica -132 ° C), a amônia é semelhante ao cloro. Como o cloro, a amônia é convenientemente armazenada na forma líquida. As dependências da pressão de vapor - temperatura e fração do líquido de evaporação instantânea na temperatura de aproximação adiabática para amônia e cloro são muito próximas. No entanto, a amônia é principalmente transportada como um líquido refrigerado (em veículos refrigerados). Observe que existem dutos nos Estados Unidos que transportam amônia por todo o país.
Importância industrial da amônia e seus campos de aplicação
A amônia é uma das primeiras em termos de produção. Cerca de 100 milhões de toneladas deste composto são produzidas anualmente em todo o mundo. A amônia é usada para fazer ácido nítrico (HNO3), que é usado para fazer fertilizantes e muitos outros produtos; sais contendo nitrogênio [(NH4) 2SO4, NH4NO3, NaNO3, Ca (NO3) 2], ureia, ácido cianídrico.
A amônia também é utilizada na produção de refrigerantes pelo método da amônia, em síntese orgânica, para o preparo de soluções aquosas (amônia), que são amplamente utilizadas na indústria química e na medicina. Amoníaco líquido, bem como soluções aquosas usado como fertilizantes líquidos. A amônia é um bom solvente para uma classe significativa de compostos contendo nitrogênio. Grandes quantidades de amônia são usadas para amonizar o superfosfato.
A evaporação da amônia ocorre com a absorção de uma quantidade significativa de calor do meio ambiente. Portanto, a amônia também é usada como um refrigerante barato em instalações de refrigeração industrial. Nesse caso, a amônia líquida deve atender aos requisitos de GOST 6221-90 "Técnica de amônia líquida". Como refrigerante, utiliza-se amoníaco líquido de grau técnico A. O teor de água não deve exceder 0,1%.
A amônia também é usada para fazer fibras sintéticas, como náilon e náilon. Na indústria leve, é utilizado na limpeza e tingimento do algodão, lã e seda. Na indústria petroquímica, a amônia é usada para neutralizar resíduos ácidos e, na produção de borracha natural, a amônia ajuda a preservar o látex ao viajar da plantação para a fábrica. Na indústria siderúrgica, a amônia é utilizada para nitretação - saturação das camadas superficiais do aço com nitrogênio, o que aumenta significativamente sua dureza.
Regras gerais para o projeto e operação segura de unidades de refrigeração de amônia
Conceitos gerais de unidades de refrigeração
Sistema de refrigeração - um conjunto de peças contendo refrigerante e interconectadas que formam um circuito fechado de refrigeração para a circulação do refrigerante com a finalidade de fornecer e remover calor.
Unidade de refrigeração - unidades, conjuntos e demais componentes do sistema de refrigeração e todos os equipamentos necessários ao seu funcionamento.
Sistema de refrigeração por absorção (ou adsorção) - um sistema no qual a produção de frio é realizada como resultado da evaporação do refrigerante; O absorvedor (adsorvedor) absorve os vapores do refrigerante, que são posteriormente liberados dele quando aquecidos com um aumento na pressão parcial e então condensam sob essa pressão durante o resfriamento.
Refrigerante (refrigerante) - usado no sistema de refrigeração ambiente de trabalhoque absorve calor em baixas temperaturas e pressões e libera calor em altas temperaturas e pressões. Este processo é acompanhado por uma mudança no estado de agregação do ambiente de trabalho.
Refrigerante - qualquer líquido usado para transferir calor sem alterar seu estado de agregação.
Requisitos para o projeto de hardware de unidades de refrigeração
1) A unidade de refrigeração deve estar equipada com dispositivos que impeçam que gotas de amônia líquida entrem na cavidade de sucção dos compressores.
2) A unidade evaporadora para resfriar o refrigerante deve incluir um dispositivo para separar as gotas de líquido da mistura vapor-líquido de amônia e retornar o líquido separado para o evaporador.
3) Para separação da fase líquida da mistura vapor-líquido transportada em sistemas de refrigeração com expansão direta, são fornecidos receptores de circulação (ou proteção) para cada ponto de ebulição, combinando as funções de separador de líquido. É permitido fornecer, para esses fins, separadores de líquidos separados, conectados por dutos, com receptores de circulação (protetores) que não combinam as funções de um separador de líquidos.
4) O volume geométrico dos receptores de circulação com riser, combinando as funções de separador de líquido, para cada ponto de ebulição em circuitos de bombeamento com suprimento inferior e superior de amônia para dispositivos de resfriamento deve ser calculado usando as fórmulas fornecidas em.
5) Para liberação de emergência (reparo) de amônia líquida de dispositivos de resfriamento, aparelhos, recipientes e blocos, bem como para remover condensado durante o descongelamento de dispositivos de resfriamento com vapores quentes, é necessário fornecer um receptor de dreno projetado para receber amônia do aparelho, recipiente ou bloco com maior concentração de amônia.
6) O volume geométrico do receptor do dreno deve ser tomado desde que seja preenchido em no máximo 80%.
7) O volume geométrico dos receptores lineares das unidades de refrigeração não deve ser superior a 30% do volume geométrico total dos dispositivos de resfriamento das instalações, parte amônia dos dispositivos tecnológicos e evaporadores.
8) Para máquinas de refrigeração com carga de amônia dosada, o receptor linear não é fornecido.
O nitrogênio com o hidrogênio forma vários compostos, sendo o mais importante o amônia NH 3. A ligação entre os átomos de hidrogênio e nitrogênio na molécula de amônia é covalente, e os estados de oxidação são distribuídos da seguinte forma: (N -3 H + 3) 0.
De acordo com o propriedades físicas a amônia é um gás incolor com um odor pungente. É mais leve que o ar e mais solúvel em água do que outros gases. Assim, em um volume de água, 1,2 mil volumes de amônia podem se dissolver.
Após o resfriamento acompanhado por um aumento na pressão, a amônia rapidamente se transforma em um líquido incolor. A reação reversa da transição da amônia líquida para o vapor é endotérmica e muito calor é absorvido. O ponto de ebulição da amônia é 34 o C.
Produção de amônia na indústria
Na produção, a amônia é extraída por meio da síntese de nitrogênio e hidrogênio:
N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + Q,
onde (+ Q) significa que a reação prossegue com a liberação de calor, ou seja, é exotérmico.
Devido ao fato de que esta reação é acompanhada pela liberação de calor, ela requer:
- ligeiro aquecimento (400 - 500 cerca de C);
- alta pressão (200 - 1000 atm);
- a presença de catalisadores (Pt ou Fe na forma metálica, com adição de Al 2 O 3 e K 2 O).
Tudo isso ajuda a mudar o equilíbrio químico dessa reação para a formação de seus produtos.
O segundo método industrial de extração de amônia é a coqueificação de carvão, pois contém 2% de nitrogênio. Aqui, a amônia é formada como um subproduto da destilação a seco.
Métodos de laboratório para produção de amônia
Em um laboratório, a amônia pode ser obtida de duas maneiras:
- aquecimento fraco de uma mistura de cloreto de amônio com cal apagada:
2NH4Cl + Ca (OH) 2 → CaCl2 + 2NH3 + 2H2O; - aquecimento de cloreto de amônio seco com uma solução concentrada de álcali cáustico:
NH4Cl + KOH → NH3 + KCl + H2O.
A produção de nitrogênio desempenha um papel crítico na indústria química moderna. Deve-se notar que os compostos de nitrogênio são usados \u200b\u200btanto na produção de orgânicos como substâncias inorgânicas... Um item especial na indústria do nitrogênio é a produção de amônia. É com a “participação” desse componente tão valioso que se produzem os fertilizantes, Ácido nítrico, explosivos, refrigerantes e muito mais. Apesar de toda a sua utilidade, a amônia é bastante veneno forte, apesar de ser utilizado na medicina na forma de amônia.
A própria amônia como substância foi descoberta no final do século XVIII. Foi descrito como uma substância separada pelo inglês Joseph Priestley. 11 anos depois, o francês Claude Louis Berthollet foi estudado composição química desta substância. A necessidade de obtenção de amônia em quantidades industriais começou a emergir agudamente no final do século 19, quando os depósitos de nitrato chileno, do qual eram obtidos principalmente compostos de nitrogênio, começaram a se esgotar. É o "ar alcalino" que se tornou o componente mais promissor para a produção de diversos compostos químicosque teve um grande impacto sobre lados diferentes vida humana: dos assuntos militares à agricultura.
Mas esse problema só foi resolvido no início do século XX, quando surgiu um método de produção de amônia por síntese direta de nitrogênio e hidrogênio. Assim, do aparecimento do problema à sua solução, passou-se um período bastante longo, durante o qual foram feitas várias descobertas que permitiram que o "conto de fadas se tornasse realidade"
Características e etapas do processo de produção
O processo de produção de amônia é caracterizado pelo alto consumo de energia, que é sua principal desvantagem. É por isso que se realizam constantemente desenvolvimentos científicos, que visam resolver os problemas de economia de energia. Em particular, métodos estão sendo desenvolvidos para aproveitar a energia liberada, bem como combinar, por exemplo, a produção de amônia e uréia. Tudo isso contribui para a redução do custo das atividades das empresas e para o aumento do seu retorno útil.
A produção de amônia é baseada no princípio da circulação, segundo o qual o processo é executado continuamente, e os restos dos componentes originais são separados do produto final e usados \u200b\u200bnovamente, continuidade: o processo de síntese ocorre sem interrupção, o princípio da troca de calor, bem como o princípio da ciclicidade. Como você pode ver, todos esses princípios estão intimamente interligados.
O próprio esquema tecnológico de produção de amônia depende, em primeiro lugar, da matéria-prima com a qual o produto final é obtido. O fato é que, ao contrário do nitrogênio, que está contido no ar em grandes quantidades, o hidrogênio em sua forma pura praticamente não está presente na natureza, e separá-lo da água é um processo bastante trabalhoso e que consome muita energia.
Portanto, os hidrocarbonetos contidos no gás natural são usados \u200b\u200bprincipalmente como matéria-prima para a produção de amônia. Atualmente, é o gás natural uma das bases da indústria da amônia. Antes de entrar na coluna de síntese, o gás passa por vários estágios de processamento. O processo começa com o fato de a matéria-prima ser purificada do enxofre por meio de um dessulfurizador.
Em seguida, vem o chamado processo de reforma, que consiste no fato de que em seu curso os hidrocarbonetos são primeiro convertidos em metano, ocorrendo então um processo bastante complexo de conversão do metano em uma mistura de vapor d'água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio. Nesse caso, a mistura também é purificada do dióxido de carbono, após o que o hidrogênio entra na coluna de síntese sob alta pressão junto com o nitrogênio. Assim, antes de iniciar a produção de amônia diretamente, a tecnologia envolve o processamento preliminar da matéria-prima.
Todos os processos de reforma, bem como a síntese do próprio produto final, ocorrem em alta pressão e alta temperatura. Isso é o que leva ao seu alto consumo de energia. Nesse caso, esses parâmetros mudam em todas as etapas da produção.
A coluna em si geralmente é feita de aço. Ele contém um catalisador, cuja composição pode ser diferente. Após passar pelo ciclo de síntese, a mistura vai para a geladeira, onde a amônia é separada na forma líquida, e os componentes remanescentes após a reação voltam à produção. Este recurso processo tecnológico é causada pelo fato de que a reação de síntese de amônia é reversível e, no decorrer do processo tecnológico, parte do produto final se decompõe nos componentes originais.
Assim, a produção de amônia na indústria, apesar da aparente simplicidade da reação que está por trás do processo, é de fato uma tarefa tecnológica bastante complexa.
A criação de instalações de produção integrada e o desenvolvimento de novas tecnologias são de particular importância
Conforme mencionado acima, a tecnologia está em constante aprimoramento e a principal direção das medidas para aprimorá-la é reduzir a intensidade energética do próprio processo. E onde for difícil fazer isso por vários motivos, métodos de recuperação de calor são usados, o que também pode ser benéfico. Além disso, algumas fábricas de amônia usam subprodutos para outras indústrias químicas. Assim, por exemplo, a produção de metanol e amônia pode ser combinada. Este método consiste no fato de o metanol ser sintetizado a partir do monóxido de carbono e da água formada durante a reforma.
Também foi dito sobre a produção combinada de amônia e ureia. Essa combinação é possível, por exemplo, pela reação do dióxido de carbono obtido da reforma com a amônia produzida. Este método, é claro, requer a instalação de equipamentos adicionais. No entanto, pode aumentar o valor agregado para uma determinada empresa.
Outra característica da produção industrial de amônia é que sua natureza cíclica também contribui para o desperdício zero. Além disso, tanto a energia recebida quanto os subprodutos são aproveitados. Mesmo o enxofre obtido durante a purificação de matérias-primas é usado em outras indústrias químicas. Além das medidas acima, também há uma busca constante pela combinação ótima de pressão e temperatura na qual o processo ocorre. Afinal, o rendimento final do produto principal depende da combinação desses parâmetros.
Considerando tudo isso, pode-se concluir com total responsabilidade que uma planta de amônia moderna é um complexo de estruturas bastante complexo. Mas tal complexo é sempre baseado em uma instalação desenvolvida em 1909 pelo cientista alemão Fritz Haber, que, além dessa invenção, ficou famoso por se tornar o “pai das armas químicas”. Ironicamente, este cientista recebeu premio Nobel Paz. No entanto, é claro que o valor de sua contribuição para o desenvolvimento da indústria química moderna está fora de dúvida.
Assim, usando o exemplo da produção industrial de amônia, pode-se ver como um processo aparentemente imutável pode ser aprimorado ao longo dos anos. Você também pode ver como uma invenção pode estabelecer a base para o desenvolvimento de uma indústria inteira (e, além disso, não insignificante) de produção moderna por muitos anos.
Atualmente, as fábricas de amônia estão localizadas em todo o mundo. Além disso, novas empresas estão em constante construção. Este fato mais uma vez enfatiza a importância deste tipo produção química... Na verdade, em muitas regiões o Globo a disponibilidade de fertilizantes de nitrogênio, por exemplo, tornou-se uma necessidade vital. Muitos outros exemplos podem ser citados, mas o fato permanece. Além disso, grande parte dos produtos da indústria do gás é demandada na produção de amônia, o que permite seu desenvolvimento constante. Esses poucos exemplos mostram claramente que o papel da produção de amônia é difícil de superestimar. Portanto, podemos concluir que a indústria de nitrogênio existirá por muito tempo, e seus produtos sempre terão uma demanda constante.
Assim, falando em produção de amônia, deve-se entender que estamos falando de uma produção muito séria, que tem um impacto enorme no funcionamento de várias áreas, como por exemplo. atividade econômica, e apenas a vida das pessoas. É bem possível que a importância dessa indústria cresça no futuro.
Instituição educacional municipal
Escola secundária Novosafonovskaya
Produção de amônia: uma breve descrição de
Distrito de Prokopyevsky 2006
Introdução
1. Métodos para produção de amônia
2. Processo moderno de obtenção de amônia
Lista de literatura usada
Introdução
O general desafio econômico toda empresa química deve obter produtos químicos de alta qualidade e em quantidade suficiente para tornar lucrativa sua venda. Relacionado a isso está o requisito de que todos os recursos sejam usados \u200b\u200bda forma mais eficiente possível. No entanto, isso só pode ser alcançado se o próprio processo químico for mais eficaz. Na indústria química, ao invés do conceito de “reagentes”, os termos “matérias-primas”, “matérias-primas” ou simplesmente matérias-primas são muito mais usados, às vezes - “minério”. Para que qualquer processo seja economicamente justificado, é necessário atingir o rendimento ideal do produto alvo a partir das matérias-primas. O rendimento ideal não corresponde necessariamente ao rendimento teórico ou mesmo ao rendimento máximo alcançável. A obtenção do rendimento máximo alcançável pode, por exemplo, exigir muito consumo de qualquer material de partida caro, ou um processo muito longo, ou condições extremas (temperaturas ou pressões muito altas) são criadas, repletas de emergências perigosas, etc., - tudo isso pode tornar o rendimento máximo alcançável economicamente não lucrativo.
O rendimento real de cada processo químico específico pode depender de vários fatores, sendo os principais a temperatura, a pressão, a presença de um catalisador, a pureza dos materiais de partida e a eficiência de recuperação do produto final. A produção industrial de substâncias implica um excelente conhecimento das leis teóricas do curso das reações químicas (energética das reações químicas, cinética e catálise química, equilíbrio químico).
Todos os fatores listados a seguir são importantes, principalmente quando se trata de indústrias de grande tonelagem, como, por exemplo, a produção de amônia.
Projetistas de plantas químicas criam plantas de amônia superpoderosas. Por exemplo, foram criadas instalações que produzem 1.000-1200 toneladas de amônia por dia. Atualmente, cerca de 5 milhões de toneladas de amônia são produzidas anualmente em todo o mundo.
1. Métodos para obter amônia
dessulfurizador de processo de cianamida de amônia
O primeiro processo industrial usado para produzir amônia foi o processo de cianamida. Quando o CaO cal e o carbono foram aquecidos, foi obtido o carboneto de cálcio CaC2. Em seguida, o carboneto foi aquecido sob atmosfera de nitrogênio para obter cianamida de cálcio CaCN2; então a amônia foi obtida por hidrólise de cianamida:
CaCN2 (tv) + 3H2O \u003d 2NH3\u200d\u200d + CaCO3 (tv)
Este processo consumia muita energia e era economicamente desvantajoso.
Em 1908, o químico alemão F. Haber descobriu que a amônia pode ser obtida a partir do hidrogênio e do nitrogênio atmosférico em um catalisador de ferro. A primeira planta de produção de amônia com esse método utilizava hidrogênio, obtido por eletrólise da água. Posteriormente, o hidrogênio passou a ser obtido da água por redução com coque. Este método de produção de hidrogênio é muito mais econômico. Após a descoberta de Haber, a produção de amônia começou a crescer rapidamente, o que não é surpreendente, uma vez que enormes quantidades de amônia são necessárias para obter fertilizantes contendo nitrogênio. Cerca de 80% de toda a amônia produzida no mundo é utilizada para sua fabricação. Junto com os fertilizantes contendo nitrogênio, o nitrogênio é introduzido no solo em uma forma solúvel, necessária à maioria das plantas. O restante ≈20% da amônia produzida é usado para obter polímeros, explosivos, corantes e outros produtos.
O processo moderno de produção de amônia é baseado em sua síntese a partir de nitrogênio e hidrogênio usando um catalisador especial:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)
Uma vez que esta reação é reversível, surge a pergunta: em quais temperaturas e pressões é mais lucrativo atingir o rendimento máximo
produtos? Como a reação é exotérmica, com base no princípio de Le Chatelier, é claro que quanto mais baixa a temperatura do processo, mais o equilíbrio mudará para a formação de amônia, e pode-se supor que a temperatura deve ser reduzida o máximo possível. Mas, na realidade, tudo é mais complicado: em baixas temperaturas, a reação praticamente não ocorre, então uma decisão de compromisso deve ser tomada. Uma vez que o estabelecimento de um estado de equilíbrio ideal da reação requer temperatura baixa, e para atingir uma velocidade satisfatória - uma alta temperatura, na prática o processo é realizado a uma temperatura de cerca de 400 - 500 ° C.
Mas, mesmo em uma temperatura tão alta, um catalisador especial é necessário para atingir uma taxa de reação suficiente. O ferro esponja ativado com óxidos de potássio e alumínio é utilizado como catalisador.
Pode-se verificar pela equação da reação que o número total de moles diminui de 4 para 2. Segundo o princípio de Le Chatelier, neste caso é vantajoso realizar o processo aumentando a pressão. Mas essa conclusão é apenas qualitativa; na prática, você precisa saber exatamente quanto a saída de NH3 aumentará (em 10% ou apenas 0,1%) com o aumento da pressão. A Tabela 1 mostra quantitativamente o efeito da temperatura e pressão no rendimento de amônia (porcentagem de amônia na mistura de equilíbrio) por reação.
Pode-se observar nesta tabela que um aumento de temperatura em qualquer pressão reduz significativamente o teor de amônia na mistura de gases, porém, em temperaturas abaixo de 500 ° C, a taxa de reação é muito baixa, portanto, na prática, o processo é normalmente realizado a uma temperatura de 450 ° C.
tabela 1
Quanto à pressão, pressões da ordem de 300 - 100 atm são usadas aqui, mas na maioria das vezes a pressão "média" é de ≈ 250 atm. Embora sob essas condições, apenas cerca de 20% dos materiais de partida são convertidos em amônia, no entanto, como resultado do uso de um esquema tecnológico circulante (introdução de H2 e N2 não reagidos novamente na reação), a conversão total dos materiais de partida em amônia é muito alta.
2. Processo moderno de obtenção de amônia
A operação de uma planta de amônia moderna é muito complexa. Esta afirmação parece surpreendente se você "focar" apenas na equação de reação (1) de aparência bastante simples, que é a base para a síntese de amônia. No entanto, a afirmação sobre a complexidade da síntese industrial de amônia não parecerá excessiva após o primeiro conhecimento do esquema de ação de uma planta de amônia operando com gás natural (Fig. 1). O primeiro estágio do processo de síntese de amônia inclui um dessulfurizador. O dessulfurizador é um dispositivo técnico para remover o enxofre do gás natural. Esta é uma etapa absolutamente necessária, uma vez que o enxofre é um veneno catalítico e "envenena" o catalisador de níquel na etapa subsequente de produção de hidrogênio.
A segunda etapa da síntese industrial de amônia envolve a conversão de metano (produção industrial de hidrogênio). A conversão de metano é uma reação reversível que prossegue a 700-800 ° C e a uma pressão de 30-40 atm usando um catalisador de níquel ao misturar metano com vapor de água:
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (2)
O hidrogênio formado por essa reação, ao que parece, já pode ser usado para a síntese de amônia de acordo com a reação (1) - para isso, é necessário colocar ar contendo nitrogênio no reator. Isso é feito no estágio (3), mas neste estágio outros processos ocorrem.
Há uma combustão parcial de hidrogênio no oxigênio atmosférico:
2H2 + O2 \u003d H2O (vapor)
Como resultado, nesta fase é obtida uma mistura de vapor d'água, monóxido de carbono (II) e nitrogênio. O vapor d'água, por sua vez, é reduzido novamente com a formação do hidrogênio, como na segunda etapa de acordo com a segunda etapa, após primeiros três estágios há uma mistura de hidrogênio, nitrogênio e monóxido de carbono (II) "indesejável".
Na Fig. 1, o estágio (4) é designado como uma reação de "deslocamento", mas pode ocorrer em duas condições de temperatura e diferentes catalisadores. Oxidação
O CO, formado nas duas etapas anteriores, a CO2 é realizado exatamente de acordo com esta reação:
СО + Н2О (vapor) ↔ СО2 + Н2 (3)
O processo de "turno" é realizado sequencialmente em dois "reitores de turno". O primeiro deles usa o catalisador Fe3O4 e o processo ocorre a uma temperatura suficientemente elevada da ordem de 400 ° C. O segundo processo usa um catalisador de cobre mais eficiente e consegue executar o processo em uma temperatura mais baixa.
No quinto grau, o monóxido de carbono (IV) é "lavado" da mistura de gases por absorção com uma solução alcalina:
KOH + CO2 \u003d K2CO3.
A reação de "deslocamento" (3) é reversível e, após o 4º estágio, cerca de 0,5% de CO permanece na mistura gasosa. Essa quantidade de CO é suficiente para destruir o catalisador de ferro no estágio principal da síntese de amônia (1). No 6º estágio, o monóxido de carbono (II) é removido pela reação de conversão com hidrogênio em metano em um catalisador de níquel especial a temperaturas de 300 - 400 ° C:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
A mistura de gases, que agora contém ≈ 75% de hidrogênio e 25% de nitrogênio, é comprimida; ao mesmo tempo, sua pressão aumenta de 25 - 30 para 200 - 250 atm. De acordo com a equação de Cliperon-Mendeleev, essa compressão leva a um aumento muito acentuado da temperatura da mistura. Imediatamente após a compressão, é necessário resfriar até 350 - 450 ° C. É este processo que é descrito com precisão pela reação (1).
Lista de literatura usada
1.N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. Química. Teoria e tarefas. - M.: ONIX século 21 "," Paz e Educação ", 2003.
