Общей экономической задачей каждого химического предприятия является получение химических веществ высокого качества и в достаточном количестве, чтобы их реализация приносила прибыль. С этим связано требование, чтобы все ресурсы использовались как можно более эффективно. Однако этого можно достичь лишь в том случае, если максимально эффективен сам химический процесс. В химической промышленности вместо понятия «реагенты» гораздо чаще используются термины «исходные материалы», «сырьевые материалы» или просто сырьё», иногда — «руда». Чтобы какой-либо процесс был экономически оправдан, необходимо достичь оптимального выхода целевого продукта из сырьевых материалов. Оптимальный выход не обязательно совпадает с теоретическим выходом или даже с максимально достижимым выходом. Получение максимально достижимого выхода может, например, потребовать слишком большого расхода какого-либо дорогостоящего исходного материала, или же слишком длительного проведения процесса, или же создаются экстремальные условия (очень высокие температуры или давления), чреватые опасными аварийными ситуациями и т.п., — всё это может сделать максимально достижимый выход экономически невыгодным.
Фактический выход каждого конкретного химического процесса может зависеть от целого ряда факторов, главные из них — температура, давление, присутствие катализатора, чистота исходных материалов, эффективность извлечения конечного продукта. Промышленное производство веществ подразумевает отличное знание теоретических закономерностей протекания химических реакций (энергетика химических реакций, химическая кинетика и катализ, химическое равновесие).
Все перечисленные ниже факторы важны, в особенности, если речь идёт о таких многотоннажных производствах, таких, как, например, производство аммиака.
Проектировщики химических предприятий создают сверхмощные установки по производству аммиака. Так, например, созданы установки, производящие 1000-1200 тонн аммиака в сутки. В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 5 млн. тонн аммиака.
1. Способы получения аммиака
аммиак цианамидный процесс десульфуратор
Первым промышленным процессом, который использовался для получения аммиака, был цианамидный процесс. При нагревании извести СаО и углерода получали карбид кальция СаС2. Затем карбид нагревали в атмосфере азота и получали цианамид кальция СаСN2; далее аммиак получали гидролизом цианамида:
СаСN2(тв) + 3Н2О = 2NН3↑ + СаСО3(тв)
Химические процессы и явления при эксплуатации холодильных машин и аппаратов
... роль в развитии химической промышленности сыграли прогресс холодильной техники и возможность использования огромных количеств холода. Искусственное охлаждение входит как необходимое звено в большое количество процессов химической технологии. ... нагретого участка вещества передается соседним, более холодным. Это можно наблюдать, например, при нагреве одного конца куска медной проволоки над пламенем ...
Этот процесс требовал больших затрат энергии и экономически был невыгоден.
В 1908 г. Немецкий химик Ф. Габер обнаружил, что аммиак можно получать из водорода и атмосферного азота на железном катализаторе. Первый завод по производству аммиака этим методом использовал водород, который получали электролизом воды. В последствии водород стали получать из воды путём 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 аммиака используются для получения полимеров, взрывчатых веществ, красителей и других продуктов.
Современный процесс получения аммиак основан на его синтезе из азота и водорода с использованием специального катализатора:
N2 + 3Н2 ↔ 2NН3 ↑ + 45,9 кДж (1)
Поскольку данная реакция обратимая, возникает вопрос: при каких температурах и давления выгоднее всего добиваться максимального выхода
продукта? Так как реакция экзотермическая, то исходя из принципа Ле Шателье ясно, что чем ниже температура процесса, тем больше равновесие будет сдвигаться в сторону образования аммиака, и можно предположить, что следует максимально понижать температуру. Но в действительности всё обстоит сложнее: при низких температурах реакция практически не идёт, поэтому приходится принимать компромиссное решение. Поскольку для установления оптимального состояния равновесия реакции требуется низкая температура, а для достижения удовлетворительной скорости — высокая температура, на практике процесс проводят при температуре ≈ 400 – 500 оС.
Но даже при такой высокой температуре для достижения достаточной скорости реакции требуется присутствие специального катализатора. В качестве катализатора используется губчатое железо, активированное оксидами калия и алюминия.
Из уравнения реакции видно, что общее число молей уменьшается от 4 до 2. Согласно принципу Ле Шателье в таком случае 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 увеличение давления. В таблице 1 количественно показано влияние температуры и давления на выход аммиака (процентное содержание аммиака в равновесной смеси) по реакции.
Из этой таблицы видно, что повышение температуры при любом давлении заметно снижает содержание аммиака в газовой смеси, однако при температурах ниже 500 оС скорость реакции очень мала, поэтому на 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, то здесь используется давления порядка 300 – 100 атм, но чаще всего «среднее» давление ≈ 250 атм. Хотя при этих условиях только около 20% исходных веществ превращается в аммиак, однако в результате использования циркуляционной технологической схемы (введение непрореагировавших Н2 и N2 вновь в реакцию) суммарная степень превращения исходных веществ в аммиак является очень высокой.
2. Современный процесс получения аммиака
Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно просто выглядящее уравнение реакции (1), являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе (рис.1).
Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор. Десульфуратор — техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.
Вторая стадия промышленного синтеза аммиака предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода).
Конверсия метана — это обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 оС и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды:
СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2 (2)
Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака по реакции (1) — для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступают на стадии (3), однако на этой стадии происходят другие процессы.
Происходит частичное сгорание водорода в кислороде воздуха:
2Н2 + О2 = Н2О(пар)
В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается снова с образованием водорода, как на второй стадии по торой стадии по им образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).
На рис.1 стадия (4) обозначена как реакция «сдвига», но проходить она может при двух температурных режимах и разных катализаторах. Окисление
СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:
СО + Н2О(пар) ↔ СО2 + Н2 (3)
Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe3О4 и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 оС. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.
На пятой степени оксид углерода (IV) «вымывают» из газовой смеси при помощи поглощения щелочным раствором:
КОН + СО2 = К2СО3.
Реакция «сдвига» (3) обратимая и после 4-й стадии в газовой смеси на самом деле остаётся ещё ≈ 0,5% СО. Этого количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака(1).
На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородом в метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 оС:
СО + 3Н2 ↔ СН4 +Н2О
Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси. Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 оС. Именно этот процесс и описывается с точностью реакцией (1).
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/poluchenie-ammiaka/
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.
