Процесс получения аммиака. Современный процесс производства аммиака

Аммиак - легкий бесцветный газ, имеющий неприятный резкий запах. Он очень важен для химической промышленности, так как в его составе имеется атом азота и три атома водорода. Аммиак применяется в основном для получения азотосодержащих удобрений, сульфата аммония и мочевины, для получения взрывчатых веществ, полимеров и других продуктов, так же аммиак применяется и в медицине.

Получение аммиака в промышленности не простой, трудоемкий и дорогостоящий процесс, основанный на синтезе его из водорода и азота при помощи катализатора, высокой температуры и под давлением. Активированное оксидами калия и алюминия губчатое железо используется как катализатор. Промышленные установки по синтезу аммиака основаны на циркуляции газов. Это выглядит следующим образом: прореагировавшая смесь газов, в которой содержится аммиак, охлаждается и происходит конденсация и отделение аммиака, а азот с водородом, которые не вступали в реакцию перемешиваются с новой порцией газов и вновь подаются на катализатор.

Рассмотрим данный процесс производственного синтеза аммиака, который происходит в несколько стадий, более подробно. На первой стадии производится удаление серы из природного газа при помощи технического устройства десульфуратора. На втором этапе осуществляется процесс конверсии метана при температуре 800 градусов по Цельсию на никелевом катализаторе: Образовавшийся после данной реакции водород пригоден для синтеза аммиака и в реактор подается воздух, содержащий азот. На этой стадии так же происходит частичное сгорание углерода после его взаимодействия с кислородом, который так же содержится в воздухе: 2 H2O + O2->H2О (пар).

Результатом данной стадии производства является получение смеси водяного пара и оксидов углерода (вторичного) и азота. Третья стадия идет в два процесса. Так называемый процесс “сдвига” идет в двух реакторах “сдвига”. В первом применяется катализатор Fe3O4 и реакция идет при высоких температурах, порядка 400 градусов по Цельсию . Во втором реакторе используется более производительный медный катализатор, и процесс проводится при более низкой температуре. Четвертый этап включает в себя очистку газовой смеси от оксида углерода (IV).

Данную очистку проводят с помощью промывания газовой смеси щелочным раствором, который поглощает оксид. Реакция 2 H2O + O2H2О (пар) обратимая и после третьего этапа в газовой смеси остаётся ещё приблизительно 0,5% оксида углерода. Этого количества достаточно, чтобы испортить железный катализатор. На четвертом этапе оксид углерода (II) ликвидируют конверсией водорода в метан на никелевом катализаторе при температурах 400 градусов по Цельсию: СО + 3Н2 ->СН4 +Н2О

Газовая смесь , которая ориентировочно содержит? 74.5% водорода и 25,5% азота, подвергают сжатию. Сжатие приводит к стремительному повышению температуры смеси. После сжатия смесь охлаждают до 350 градусов по Цельсию. Этот процесс описывается с реакцией: N2 + 3Н2 — 2NН3 ^ + 45,9 кДж. (процесс Гербера)

Связанные статьи:

	Строительный гипс, состоящий из плотных пород гипса, производят при помощи трех основных операций. Сначала гипсовый камень дробят, затем происходит помол полученного сырья, и...
	Химическими отходами называются отходы химической промышленности, которые содержат вредные вещества, представляющие угрозу для человека своим токсическим воздействия на организм. Химическая промышленность – это отрасль промышленности, занимающаяся...

Аммиак (NH 3) - соединение азота и водорода. Это лёгкий газ с резким запахом. Получение аммиака в промышленности и лабораториях необходимо для производства удобрений, полимеров, азотной кислоты и других веществ.

В промышленности

Аммиак промышленным путём получают из азота, соединяя его с водородом. Азот берут из воздуха, водород - из воды. Впервые метод разработал немецкий химик Фриц Габер. Промышленный способ получения аммиака стали называть процессом Габера.

Реакция проходит с уменьшением объёма и выделением энергии в виде тепла:

3H 2 + N 2 → 2NH 3 + Q.

Реакция обратима, поэтому необходимо соблюсти несколько условий. При высоком давлении и низких температурах объём полученного аммиака увеличивается. Однако низкие температуры замедляют скорость реакции, а повышение температуры способствует увеличению скорости обратной реакции.

Опытным путём были найдены необходимые условия для проведения реакции:

• температура - 500°C;
• давление - 350 атм;
• катализатор - оксид железа Fe 3 O 4 (магнетит) с примесями оксидов серебра, калия, кальция и других веществ.

При таких условиях получившийся газ содержит 30 % аммиака. Чтобы избежать обратной реакции, вещество быстро охлаждают. При низких температурах получившийся газ превращается в жидкость. Неизрасходованные газы - азот и водород - возвращаются обратно в колонну для синтеза. Такой способ помогает быстро получить большие объёмы аммиака, максимально используя сырьё.

Рис. 1. Получение аммиака промышленным путём.

Чтобы найти нужный катализатор, было испробовано 20 тысяч разных веществ.

В лаборатории

Для получения аммиака в лаборатории используется реакция щелочей на соли аммония:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

Также аммиак лабораторным путём можно получить из хлорида аммония, нагретого вместе с гашёной известью, или разложением гидроксида аммония:

• 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
• NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O.

Рис. 2. Получение аммиака в лаборатории.

Полностью осушить аммиак можно с помощью смеси извести с едким натрием, через которую пропускают полученный газ. Для этой же цели жидкий аммиак смешивают с металлическим натрием и подвергают дистилляции.

Аммиак легче воздуха, поэтому для его сбора пробирку держат вверх дном.

Применение

Аммиак используется в разных отраслях:

• в сельском хозяйстве - для производства азотсодержащих удобрений;
• в промышленности - для производства полимеров, взрывчатых веществ, искусственного льда;
• в химии - для изготовления азотной кислоты, соды;
• в медицине - в качестве нашатырного спирта.

Рис. 3. Производство удобрений.

Что мы узнали?

Аммиак получают промышленным и лабораторным путём. Для получения в промышленных масштабах используется азот и водород. Смешиваясь под высокой температурой, давлением и под действием катализатора, простые вещества образуют аммиак. Чтобы реакция при высокой температуре не пошла в обратную сторону, газ охлаждают. В лаборатории аммиак получают при реакции солей аммония со щелочами, гашёной известью или путём разложения гидроксида аммония. Аммиак применяется в химической промышленности, сельском хозяйстве, медицине, химии.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 263.

1) 4FeS 2 + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

2) 2SO 2 + O 2 V 2 O 5 → 2SO 3

3) nSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3 (олеум)

Измельчённый очищенный влажный пирит (серный колчедан) сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое «. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом.
Из печи выходит печной газ, состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Газ очищают от примесей твёрдых частиц (в циклоне и электрофильтре) и паров воды (в сушильной башне).
В контактном аппарате происходит окисление сернистого газа с использованием катализатора V 2 O 5 (пятиокись ванадия) для увеличения скорости реакции. Процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому подбирают оптимальные условия протекания прямой реакции - повышенное давление (т.к прямая реакция идет с уменьшением общего объема) и температура не выше 500 С (т.к реакция экзотермическая).

В поглотительной башне происходит поглощение оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой.
Поглощение водой не используют, т.к оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, поэтому образующаяся серная кислота закипает и превращается в пар. Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3

Промышленное получение аммиака

Предварительно получают азотоводородную смесь. Водород получают конверсией метана (из природного газа):

СН 4 + Н 2 О(г) → СО + ЗН 2 — Q

2СН 4 + О 2 → 2СО + 4Н 2 + Q

СО + Н 2 О(г) → СО 2 + Н 2 + Q

Азот получают из жидкого воздуха.

В турбокомпрессоре происходит сжатие смеси до необходимого давления 25·10 6 Па. В колонне синтеза газы реагируют при 450-500 °С в присутствии катализатора (пористое железо с примесями Al 2 O 3 и K 2 O) :
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 + 92 кДж (выход 10-20% аммиака)

Образующийся аммиак отделяют от непрореагировавших азота и водорода сжижением в холодильнике, возвращая непрореагировавшую азотоводородную смесь в колонну синтеза.
Процесс непрерывный, циркуляционный.

Применение: производство азотных удобрений, взрывчатых веществ, пластических масс и др.

Производство метилового спирта

До промышленного освоения каталитического способа получения метанол получали при сухой перегонке дерева (отсюда его название «древесный спирт»). В данное время этот способ имеет второстепенное значение.

Современный способ:

Сырье: синтез-газ - смесь оксида углерода (II) с водородом (1:2).

Вспомогательные материалы: катализаторы (ZnO и CuO).

Основной химический процесс: синтез-газ при температуре 250 °С и давлении 7 МПа превращается каталитически в метанол:

СО + 2Н 2 ↔ СНзОН + Q

Особенности технологического процесса: при прохождении газовой смеси через слой катализатора образуется 10-15% метанола, который конденсируют, а непрореагировавшую смесь смешивают со свежей порцией синтез — газа и после нагревания снова направляют в слой катализатора (циркуляция). Общий выход — 85%.

Условия проведения синтеза метанола и аммиака при среднем давлении сходны, а сырье (природный газ) общее для обоих процессов. Поэтому чаще всего производства метанола и аммиака объединяют (азотно-туковые заводы).

Аммиак – NH 3

Аммиак (в европейских языках его название звучит как «аммониак») своим названием обязан оазису Аммона в Северной Африке, расположенному на перекрестке караванных путей. В жарком климате мочевина (NH 2) 2 CO, содержащаяся в продуктах жизнедеятельности животных, разлагается особенно быстро. Одним из продуктов разложения и является аммиак. По другим сведениям, аммиак получил своё название от древнеегипетского слова амониан . Так называли людей, поклоняющихся богу Амону. Они во время своих ритуальных обрядов нюхали нашатырь NH 4 Cl, который при нагревании испаряет аммиак.

1. Строение молекулы

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине . Три неспаренныхp-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH 4 + .

Вид химической связи: ковалентная полярная, три одинарные σ - сигма связи N-H

2. Физические свойства аммиака

При нормальных условиях - бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. Растворимость NH 3 в воде чрезвычайно велика - около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

3.

4. Химические свойства аммиака

Для аммиака характерны реакции:

1. с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления)
2. без изменения степени окисления атома азота (присоединение)

5. Применение аммиака

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест; ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак выпускается в жидком виде или в виде водного раствора – аммиачной воды, которая обычно содержит 25% NH 3 . Огромные количества аммиака далее используются для получения азотной кислоты , которая идет на производство удобрений и множества других продуктов. Аммиачную воду применяют также непосредственно в виде удобрения, а иногда поля поливают из цистерн непосредственно жидким аммиаком. Из аммиака получают различные соли аммония, мочевину, уротропин . Его применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках.

Аммиак используется также для получения синтетических волокон , например, найлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка . В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. Аммиак используется также при производстве соды по методу Сольве. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость.

Медики используют водные растворы аммиака (нашатырный спирт) в повседневной практике: ватка, смоченная в нашатырном спирте, выводит человека из обморочного состояния. Для человека аммиак в такой дозе не опасен.

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр №1 "Горение аммиака"

Тренажёр №2 "Химические свойства аммиака"

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Осуществить превращения по схеме:

а) Азот→ Аммиак → Оксид азота (II)

б) Нитрат аммония → Аммиак → Азот

в) Аммиак → Хлорид аммония → Аммиак → Сульфат аммония

Азотная промышленность сегодня — одна из ведущих отраслей. Применение аммиака распространилось на холодильную технику (R717, медицину или сельское хозяйство (удобрения).

Первостепенное внимание уделяется именно производству азотных удобрений (а значит — и их основам, в том числе аммиаку, спрос на который вырос за последние два десятилетия на 20%).

Но производство аммиака отличается, в первую очередь, высокой энергоемкостью. Вся история этого производства — борьба за понижение используемых энергий (механической, тепловой, электрической).

Синтез аммиака раскрывает формула:

N2 + 3H2 = 2NH3 + Q

Реакция экзотермическая, обратимая, с уменьшением объема. Поскольку реакция экзотермическая, понижение температуры сместит равновесие к образованию аммиака, однако значительно снизится. Производство аммиака должно идти при высоких температурах (синтез проходит при 500 градусах Цельсия). Повышение t° приведет к Давление от 15 до 100 Мпа позволяет противодействовать влиянию температуры (низкое давление — от 10 до 15 Мпа, среднее давление — от 25 до 30 Мпа, высокое давление — свыше 50 МПа). Из них предпочтительнее среднее.

Катализатором служит с добавками кальция, кремния, калия, оксидов алюминия.

Вредные примеси вода, сероводород) отрицательно сказываются на скорости течения реакции, отравляя катализатор, снижая тем самым его активность и уменьшая сроки службы. Это означает, что сероводородная смесь должна обязательно пройти тщательную очистку. Но даже после очистки в аммиак превращается лишь часть этой смеси. Поэтому оставшуюся непрореагировавшую долю вновь отправляют в реактор.

Как происходит производство аммиака?

В трубопровод подают уже подготовленную смесь из трех частей водорода и одной азота. Она проходит через турбокомпрессор, где сжимается до указанного выше давления, и направляется в колонну синтеза с катализатором на встроенных полках. Процесс, как мы выяснили, сильно экзотермический. Выделяющимся теплом нагревается азотоводородная смесь. Из колонны выходит около 25 процентов аммиака и непрореагировавшие азот с водородом. Весь состав поступает в холодильник, где смесь охлаждается. Аммиак под давлением становится жидким. Теперь в работу вступает сепаратор, задача которого — отделить аммиак в сборник в нижней части и непрореагировавшую смесь, которая возвращается обратно в колонну. Благодаря такой циркуляции азотоводородная смесь используется на 95 процентов. Жидкий аммиак по аммиакопроводу поступает на специальный склад.

Все аппараты, использующиеся в производстве, максимально герметичны, что исключает утечку. Используется лишь энергия происходящих внутри экзотермических реакций. Схема замкнутая, малоотходная. Затраты снижены благодаря непрерывному и автоматизированному процессу.

Производство аммиака не может не влиять на окружающую среду. Неизбежны газовые выбросы, включающие в себя аммиак, оксиды углерода и азота и прочие примеси. Выделяется низкопотенциальная теплота. Сбрасывается вода после промывки систем охлаждения и самого реактора.

Поэтому в производство аммиака необходимо включать каталитическую очистку с наличием газа-восстановителя. Снижения количества сточных вод можно добиться заменой на турбокомпрессоры. Низкопотенциальная теплота может быть утилизирована вводом теплоты высокопотенциальной. Однако это увеличит загрязненность дымовыми газами.

Энерготехнологическая схема, включающая парогазовый цикл, где используются как тепло пара, так и продукты сгорания топлива, одновременно и повысит эффективность производства, и уменьшит выбросы.