Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 10. ПОДГРУППА АЗОТА

§ 10.4. Химические основы производства аммиака

Теория синтеза аммиака из простых веществ достаточно сложная. Здесь только отмечаются оптимальные условия процесса, что основываются на принципе смещения химического равновесия.

Поскольку эта реакция экзотермическая, то при понижении температуры равновесие сместится в сторону образования аммиака. Однако при этом значительно уменьшается скорость реакции. Поэтому синтез аммиака приходится вести при 500-550 °С и при наличии катализатора. А поскольку катализатор ускоряет прямую и обратную реакции одинаково, а повышение температуры смещает равновесие в сторону исходных веществ, то эти условия невыгодны для промышленного производства. Следовательно, в соответствии с принципом смещения равновесия для противодействия воздействию повышенной температуры необходимо использовать высокое давление.

Для синтеза аммиака применяют давление от 15 до 100 МПа. В зависимости от давления, который применяют, различают три способы производства синтетического аммиака: низкого (10-15 МПа), среднего (25-30 МПа) и высокого (50-100 МПа) давления. Самым распространенным является средний.

Негативно влияют на скорость образование аммиака вредные примеси: сероводород, оксид углерода (II), вода и др.

Рис. 10.3. Схема производства синтетического аммиака

Они снижают активность катализатора. Для устранения этого влияния азотоводневу смесь старательно очищают, особенно от сернистых соединений.

Однако и при таких условиях только часть азотоводневої смеси превращается в аммиак. Для более полного использования исходных веществ аммиак, образовавшийся сжижают под действием низких температур, а азотоводневу смесь, которая не прореагировала, снова направляют в реактор.

Технологический процесс, при котором вещества, которые не прореагировали, отделяются от продуктов реакции и снова возвращаются в реакционный аппарат для дальнейшего использования, называется циркуляционным.

Посредством такой циркуляции использование азотоводневої смеси достигает 95 %.

Синтез аммиака является важнейшим способом связывания атмосферного азота. Схему производства синтетического аммиака приведены на рис. 10.3. Смесь 3 объемов водорода и 1 объема азота всасывается компрессором 1 и сжимается до необходимого давления. Затем смесь азотоводнева подается к маслоотделителя 2 (для удаления частиц масла) и фильтра 3, заполненного прокаленным углем. Очищенная смесь направляется в контакт ного аппарата 4 с катализатором (губчатое железо с примесью оксидов алюминия, калия, кальция, кремния), где и происходит образование аммиака:

³/₂ Н₂ + ¹/₂ N₂ ⇆ NH₃, ∆ Н = -46 кДж/моль.

Перед пуском всей системы контактный аппарат нагревают до 400-500°С, а затем температура в системе поддерживается той теплотой, которая выделяется во время реакции. Поскольку процесс образование аммиака оборотный, то газовая смесь, выходящая из контактного аппарата, содержит лишь 20-30 % аммиака. Эту смесь подают к трубчатого холодильника 5, где под давлением аммиак сжижается. Азот и водород, которые не вступили в реакцию, циркуляционным насосом снова нагнетаются в контактный аппарат 4, а жидкий аммиак собирается в сборщики 6.