Муниципальноеобразовательное учреждение
Новосафоновскаясредняя общеобразовательная школа
Производствоаммиака: краткая характеристика
Прокопьевскийрайон 2006
Содержание
Введение
1.Способы получения аммиака
2. Современный процесс получения аммиака
Список использованной литературы
Введение
Общей экономической задачейкаждого химического предприятия является получение химических веществ высокого качестваи в достаточном количестве, чтобы их реализация приносила прибыль. С этим связанотребование, чтобы все ресурсы использовались как можно более эффективно. Однакоэтого можно достичь лишь в том случае, если максимально эффективен сам химическийпроцесс. В химической промышленности вместо понятия «реагенты» гораздо чаще используютсятермины «исходные материалы», «сырьевые материалы» или просто сырьё», иногда — «руда».Чтобы какой-либо процесс был экономически оправдан, необходимо достичь оптимальноговыхода целевого продукта из сырьевых материалов. Оптимальный выход не обязательносовпадает с теоретическим выходом или даже с максимально достижимым выходом. Получениемаксимально достижимого выхода может, например, потребовать слишком большого расходакакого-либо дорогостоящего исходного материала, или же слишком длительного проведенияпроцесса, или же создаются экстремальные условия (очень высокие температуры илидавления), чреватые опасными аварийными ситуациями и т.п., — всё это может сделатьмаксимально достижимый выход экономически невыгодным.
Фактический выход каждогоконкретного химического процесса может зависеть от целого ряда факторов, главныеиз них — температура, давление, присутствие катализатора, чистота исходных материалов,эффективность извлечения конечного продукта. Промышленное производство веществ подразумеваетотличное знание теоретических закономерностей протекания химических реакций (энергетикахимических реакций, химическая кинетика и катализ, химическое равновесие).
Все перечисленные ниже факторыважны, в особенности, если речь идёт о таких многотоннажных производствах, таких,как, например, производство аммиака.
Проектировщики химическихпредприятий создают сверхмощные установки по производству аммиака. Так, например,созданы установки, производящие 1000-1200 тонн аммиака в сутки. В настоящее времяво всём мире ежегодно производится около 5 млн. тонн аммиака.
1. Способы полученияаммиака
аммиак цианамидныйпроцесс десульфуратор
Первым промышленным процессом,который использовался для получения аммиака, был цианамидный процесс. При нагреванииизвести СаО и углерода получали карбид кальция СаС2. Затем карбид нагревали в атмосфереазота и получали цианамид кальция СаСN2; далее аммиак получали гидролизом цианамида:
СаСN2(тв) + 3Н2О = 2NН3↑ + СаСО3(тв)
Этот процесс требовал большихзатрат энергии и экономически был невыгоден.
В 1908 г. Немецкий химик Ф.Габер обнаружил, что аммиак можно получать из водорода и атмосферного азота на железномкатализаторе. Первый завод по производству аммиака этим методом использовал водород,который получали электролизом воды. В последствии водород стали получать из водыпутём восстановления коксом. Такой способ получения водорода намного экономичнее.После открытия Габера стремительно стало расти производство аммиака, это неудивительно,поскольку огромные количества аммиака необходимы для получения азот содержащих удобрений.На изготовление их используется приблизительно 80% всего получаемого в мире аммиака.Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме азот,в котором нуждается большинство растений. Остальные ≈20% производимого аммиакаиспользуются для получения полимеров, взрывчатых веществ, красителей и других продуктов.
Современный процесс полученияаммиак основан на его синтезе из азота и водорода с использованием специальногокатализатора:
N2 + 3Н2 ↔ 2NН3 ↑ + 45,9 кДж (1)
Поскольку данная реакция обратимая,возникает вопрос: при каких температурах и давления выгоднее всего добиваться максимальноговыхода
продукта? Так как реакция экзотермическая,то исходя из принципа Ле Шателье ясно, что чем ниже температура процесса, тем большеравновесие будет сдвигаться в сторону образования аммиака, и можно предположить,что следует максимально понижать температуру. Но в действительности всё обстоитсложнее: при низких температурах реакция практически не идёт, поэтому приходитсяпринимать компромиссное решение. Поскольку для установления оптимального состоянияравновесия реакции требуется низкая температура, а для достижения удовлетворительнойскорости — высокая температура, на практике процесс проводят при температуре ≈400 – 500 оС.
Но даже при такой высокойтемпературе для достижения достаточной скорости реакции требуется присутствие специальногокатализатора. В качестве катализатора используется губчатое железо, активированноеоксидами калия и алюминия.
Из уравнения реакции видно,что общее число молей уменьшается от 4 до 2. Согласно принципу Ле Шателье в такомслучае процесс выгодно проводить, повышая давление. Но этот вывод лишь качественный,анна практике нужно точно знать, насколько увеличится выход NН3 (на 10% или всего на 0,1%) при увеличениедавления. В таблице 1 количественно показано влияние температуры и давления на выходаммиака (процентное содержание аммиака в равновесной смеси) по реакции.
Из этой таблицы видно, чтоповышение температуры при любом давлении заметно снижает содержание аммиака в газовойсмеси, однако при температурах ниже 500 оС скорость реакции очень мала, поэтомуна практике процесс обычно проводят при температуре 450 оС.
Таблица 1
Температура,
оС Содержание аммиака в объёмн. % при разных давлениях 1 атм 100 атм 300 атм 800 атм 400 0,41 25,4 48,2 79,3 450 0,21 16,1 35,9 62,7 500 0,12 14,9 25,8 51,1 550 0,07 6,8 18,2 40,2 600 0,05 4,5 12,8 30,9
Что касается давления, тоздесь используется давления порядка 300 – 100 атм, но чаще всего «среднее» давление≈ 250 атм. Хотя при этих условиях только около 20% исходных веществ превращаетсяв аммиак, однако в результате использования циркуляционной технологической схемы(введение непрореагировавших Н2 и N2 вновь в реакцию) суммарная степень превращения исходных веществ в аммиакявляется очень высокой.
2. Современный процессполучения аммиака
Работа современного аммиачногозавода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться»только лишь на достаточно просто выглядящее уравнение реакции (1), являющееся основойсинтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака непокажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачногозавода, работающего на природном газе (рис.1). Первая стадия в процессе синтезааммиака включает десульфуратор. Десульфуратор — техническое устройство по удалениюсеры из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляетсобой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадииполучения водорода.
Вторая стадия промышленногосинтеза аммиака предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода).Конверсия метана — это обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 оС и давлении30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды:
СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2(2)
Образовавшийся по данной реакцииводород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака по реакции (1)— для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступаютна стадии (3), однако на этой стадии происходят другие процессы.
Происходит частичное сгораниеводорода в кислороде воздуха:
2Н2 + О2 = Н2О(пар)
В результате на этой стадииполучается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается сновас образованием водорода, как на второй стадии по торой стадии по им образом, послепервых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода(II).
На рис.1 стадия (4) обозначенакак реакция «сдвига», но проходить она может при двух температурных режимах и разныхкатализаторах. Окисление
СО, образующегося на двухпредыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:
СО + Н2О(пар) ↔ СО2+ Н2 (3)
Процесс «сдвига» проводятпоследовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализаторFe3О4 и процесс проходит при достаточновысокой температуре порядка 400 оС. Во втором процессе используется более эффективныймедный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.
На пятой степени оксид углерода(IV) «вымывают» из газовой смеси при помощипоглощения щелочным раствором:
КОН + СО2 = К2СО3.
Реакция «сдвига» (3) обратимаяи после 4-й стадии в газовой смеси на самом деле остаётся ещё ≈ 0,5% СО. Этогоколичества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главнойстадии синтеза аммиака(1). На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородомв метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 оС:
СО + 3Н2 ↔ СН4 +Н2О
Газовую смесь, которая теперьсодержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этомвозрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделееватакое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси. Сразу же послесжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 оС. Именно этот процесс и описываетсяс точностью реакцией (1).
Список использованной литературы
1.Н.Е. Кузьменко, В.В. Ерёмин, В.А.Попков. Химия. Теория и задачи. — М.: ОНИКС 21 век», «Мир и образование», 2003.
2.Н.Е. Кузьменко, В.В. Ерёмин.Сборник задач по химии с решениями. — М.: ОНИКС 21 век», «Мир и образование»,2003.