Producția de amoniac la scară de laborator și industrială. Materii prime pentru producerea amoniacului. Sinteza amoniacului dintr-un amestec de azot-hidrogen (ABC) Schema producției industriale de amoniac

Amoniacul este o substanță probabil familiară oricărui adult. Totul ține de rolul fiziologic pe care îl joacă amoniacul.

Creșterea rapidă a volumelor de producție de amoniac este în mod tradițional facilitată de disponibilitatea relativă a materiilor prime necesare producerii acestuia.

Formula chimică a amoniacului este bine cunoscută de toată lumea încă de la școală - NH 3. Din ea este evident: pentru obținerea acestuia sunt necesare azot și hidrogen.

Aerul atmosferic obișnuit este o sursă excelentă de azot aici. Această resursă este aproape nelimitată. Astfel, baza de materie primă pentru producția de amoniac (și, în consecință, întreaga industrie a azotului) este limitată de hidrogen. Sau mai degrabă, combustibilul necesar pentru a-l obține.

De regulă, gazele naturale sunt utilizate în aceste scopuri. Această împrejurare, apropo, a contribuit în mare măsură la dezvoltarea industriei interne de azot: Rusia este bogată în gaze.

Cu toate acestea, dacă cineva are impresia din cele de mai sus că producția de amoniac pe scară largă este un proces simplu și accesibil, atunci acest lucru este cu siguranță greșit. Crearea unei producții cu adevărat eficiente a necesitat eforturi științifice serioase și soluții tehnologice.

Este suficient să spunem că procesul de producere a amoniacului în practică se realizează în prezența unui catalizator la o temperatură de aproximativ 500°C și o presiune de 350 atmosfere. Acest lucru arată clar cât de intensă energetică este producția corespunzătoare. Dar crearea unor astfel de condiții face posibilă obținerea randamentului substanței necesare la un nivel de aproximativ 30 la sută.

În general, potrivit experților, istoria dezvoltării producției de amoniac pe scară largă ar trebui considerată ca o luptă constantă pentru a crește utilizarea utilă a energiei: electrică, termică și mecanică. Dar acest proces a dat în cele din urmă rezultate excelente. Dacă în primele instalații industriale eficiența era de doar aproximativ 10 la sută, atunci în instalațiile moderne performante capabile să producă o jumătate de milion de tone de produse pe an, această cifră este de cinci ori mai mare.

Funcționarea unei fabrici moderne de amoniac este foarte complexă. Această afirmație pare surprinzătoare dacă „te concentrezi” doar pe o ecuație de reacție destul de simplă, care este baza pentru sinteza amoniacului. Cu toate acestea, afirmația despre complexitatea sintezei industriale a amoniacului nu va părea excesivă după prima cunoaștere cu schema de funcționare a unei instalații de amoniac care funcționează pe gaze naturale.

Primul stagiuîn procesul de sinteză a amoniacului, include un desulfurizant - un dispozitiv tehnic pentru îndepărtarea sulfului din gazele naturale. Acesta este un pas absolut necesar deoarece sulful este o otravă catalitică și „otrăvește” catalizatorul de nichel în etapa ulterioară de producere a hidrogenului.

A doua faza sinteza industrială presupune conversia metanului (producția industrială de hidrogen). Conversia metanului este o reacție reversibilă care are loc la 700 – 800 °C și o presiune de 30 – 40 atm folosind un catalizator de nichel atunci când metanul este amestecat cu vapori de apă: CH 4 + H 2 O ↔ CO + 3H 2

Hidrogenul format în această reacție, s-ar părea, poate fi deja utilizat pentru sinteza amoniacului - pentru aceasta este necesar să se introducă aer care conține azot în reactor. Aceasta este ceea ce fac ei, dar alte procese au loc în această etapă. Arderea parțială a hidrogenului are loc în oxigenul aerului:

2H 2 + O 2 = H 2 O (abur)

Rezultatul în această etapă este un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon (II) și azot. Vaporii de apă, la rândul lor, se reduc din nou pentru a forma hidrogen, ca în a doua etapă. Astfel, după primele trei etape există un amestec de hidrogen, azot și monoxid de carbon (II) „nedorit”.

Oxidarea CO2 format în cele două etape anterioare la CO2 se realizează tocmai conform acestei reacții:

CO + H 2 O (abur) ↔ CO 2 + H 2 (3)

Procesul de „schimbare” se desfășoară secvenţial în doi „rectori de schimb”. Prima dintre ele folosește un catalizator Fe 3 O 4 și procesul are loc la o temperatură destul de ridicată de aproximativ 400 ° C. Al doilea proces folosește un catalizator de cupru mai eficient și poate fi efectuat la o temperatură mai scăzută.

La a cincea etapă, monoxidul de carbon (IV) este îndepărtat din amestecul de gaze prin absorbție cu o soluție de aMDEA (metil dietanol amină activată).

La început, dioxidul de carbon este absorbit, apoi este desorbit și îndepărtat din proces.

Cu toate acestea, calitatea purificării aMDEA nu este suficientă pentru ca amestecul de azot-hidrogen să fie utilizat pentru sinteza amoniacului. Cantitatea rămasă de CO este suficientă pentru a ruina catalizatorul de fier în etapa principală a sintezei amoniacului (1). În a șasea etapă, monoxidul de carbon (II) este îndepărtat printr-o reacție de conversie cu hidrogen în metan pe un catalizator special de nichel la temperaturi de 300 – 400 ºС:

CO + 3H2 ↔ CH4 +H2O

Amestecul gazos, care conține acum ≈75% hidrogen și 25% azot, este comprimat; presiunea acestuia crește de la 25 – 30 la 200 – 250 atm. În conformitate cu ecuația Clayperon-Mendeleev, o astfel de compresie duce la o creștere foarte bruscă a temperaturii amestecului. Imediat după compresie, este necesar să se răcească la 350 - 450 ºС.

Înapoi567891011121314151617181920Următorul

VEZI MAI MULT:

PRODUCEREA DE AMONIAC

Pentru viața normală a plantelor și animalelor, azotul este necesar doar în formă asimilabilă. Cu toate acestea, datorită inerției chimice ridicate a azotului, resursele sale inepuizabile * sunt practic inaccesibile naturii vii. Pentru a rezolva problema alimentară, umanitatea transformă azotul într-o formă asimilabilă, „legându-l” în cel mai simplu compus - amoniacul, din care se obține apoi acid azotic și îngrășăminte minerale.

Rata de creștere a producției de amoniac este în continuă creștere. În același timp, creșterea cantitativă a producției este însoțită de modificări calitative în structura bazei de producție. Capacitatea unităților individuale de sinteză a amoniacului este mărită ** sunt introduși noi catalizatori și adsorbanți eficienți, sunt dezvoltate echipamente avansate și scheme tehnologice pentru a asigura o utilizare mai completă a materiilor prime și a combustibilului.

În ultimii ani, datorită recuperării mai bune a căldurii, producția de amoniac a putut fi organizată după principiul tehnologiei energetice, în care procesul este complet autosuficient în abur și energie mecanică.

Producția de amoniac constă în trei etape: obținerea unui amestec de azot-hidrogen, purificarea acestuia și sinteza propriu-zisă a amoniacului.

Primul stagiu - obţinerea unui amestec azot-hidrogen. Materiile prime pentru producerea amoniacului sunt azotul și hidrogenul. Din aer se izolează azotul - un amestec de gaze care conține în volum 78,05% azot, 20,95% oxigen, 0,94% argon și în cantități mici dioxid de carbon, neon, heliu, cripton și xenon. Pentru a face acest lucru, aerul este transferat într-o stare lichidă prin răcire profundă și apoi separat în părțile sale componente prin rectificare, pe baza diferenței de puncte de fierbere ale gazelor individuale.

Hidrogenul este produs într-unul din următoarele moduri: prin electroliza apei sau a soluțiilor apoase de sare de masă; din gazul cuptorului de cocs prin lichefierea secvențială a tuturor componentelor sale, cu excepția hidrogenului; conversia monoxidului de carbon din gazul generator; conversia metanului sau a omologilor săi.

Producția de hidrogen este cea mai scumpă etapă de producție. În prezent, cea mai mare parte a hidrogenului pentru sinteza amoniacului este obținut din cele mai ieftine tipuri de materii prime - gaze care conțin metan și omologii acestuia. Acestea includ gaze asociate din producția de petrol, gaze naturale și gaze de rafinare a petrolului. În prezența vaporilor de apă și a oxigenului, metanul este transformat în hidrogen:

CH 4 + H 2 O CO + H 2 - Q

CH4 + 0,502CO + 2H2+ Q

iar monoxidul de carbon rezultat este transformat în CO2 și H2:

CO + H20C02 + H2+ Q

Conversia gazelor naturale se realizează la presiune atmosferică sau la presiune ridicată cu utilizarea catalizatorilor (conversie catalitică) sau fără aceștia (conversie la temperatură înaltă). Adesea procesul pe un catalizator de nichel este efectuat astfel încât concentrația reziduală de metan să fie de 8 - 10%. La această concentrație de metan, conversia sa ulterioară cu aer (adică un amestec de azot și oxigen într-un raport de 4:1) face posibilă obținerea imediată a unui amestec de azot-hidrogen cu un raport de N2:H2 = 1:3. . Acest lucru elimină necesitatea de a construi instalații de separare a aerului costisitoare și consumatoare de energie și îmbunătățește semnificativ performanța tehnică și economică a procesului.

Cu toate acestea, amestecul rezultat de azot, hidrogen și azot-hidrogen este contaminat cu compuși de sulf din gazul natural, precum și cu oxizi și dioxizi de carbon formați în timpul conversiei.

Datorită sensibilității ridicate a catalizatorului de sinteză a amoniacului la aceste impurități, care îi reduc foarte mult activitatea și provoacă otrăviri ireversibile (în special compuși care conțin sulf), gazul este complet purificat.

A doua faza - purificarea gazelor. Pentruîndepărtarea impurităților compușilor cu sulf, cum ar fi disulfura de carbon CS 2, disulfura de carbon COS și mercaptanii R-SH; aceștia sunt hidrogenați pe un catalizator de cobalt-molibden la o temperatură de 350-450 ° C pentru a colecta cu ușurință hidrogenul sulfurat

9H 2 + impurități (CS 2 + COS + R - SH) 4H 2 S + 2CH 4 4+ H 2 O

Hidrogenul sulfurat rezultat este îndepărtat din gaz folosind diverși absorbanți, de exemplu oxid de zinc: ZnO + H 2 S à ZnS + H 2 O

După o astfel de purificare, gazul nu conține mai mult de 1 mg/m3 de hidrogen sulfurat.

Purificarea gazelor din CO 2 se realizează folosind absorbante de lichide. Purificarea apei, care consuma cantități mari de apă și energie pentru a o pompa, a fost înlocuită cu o purificare mai eficientă folosind soluții apoase de etanolamine sau soluții fierbinți de potasiu activat cu arsenic. La spălarea gazului cu soluţiile apoase indicate, impurităţile de CO 2 formează carbonaţi şi bicarbonaţi. Regenerarea absorbantelor cu îndepărtarea CO 2 într-un desorbitor se realizează: pentru etanolamine - prin încălzire la 120 °C, pentru soluții de potasiu - prin reducerea presiunii.

Impuritățile de CO sunt îndepărtate din gaz prin absorbția unei soluții de cupru-amoniac de acid acetic sau formic slab. Eficiența curățării crește odată cu creșterea presiunii la 30 MPa și scăderea temperaturii la 25 - 0 °C. După curățare, în gaz nu rămâne mai mult de 0,003% CO. La purificarea unui amestec de azot-hidrogen obținut din gazul cuptorului de cocs, CO rămas este îndepărtat prin spălare cu azot lichid. În acest caz, o parte din azot se evaporă și intră în amestecul de azot-hidrogen, oferind un raport de N 2: H 2 aproape de 1: 3. Prin diluarea amestecului cu azot suplimentar, acesta este adus la raportul exact N2:H2 = 1:3 necesar pentru sinteza amoniacului. În cazurile în care cantitățile reziduale de CO și CO 2 din gaz sunt mici (până la 1%), impuritățile sunt îndepărtate prin hidrogenare (metanare) în funcție de reacții.

CO + ZN2CH4 + H20; C02 + 4H2CH4 + 2H2O

Temperatura procesului este de 200 - 400 °C, catalizatorul este nichel depus pe oxid de aluminiu.

Etapa a treia - sinteza amoniacului. Formarea amoniacului prin reacție

N2+3H22NH3+ Q decurge destul de repede numai în prezența catalizatorilor care conțin oxizi de aluminiu, potasiu și calciu ca activatori. Efectul termic al reacției crește odată cu creșterea temperaturii, iar randamentul de echilibru depinde nu numai de temperatură, ci și de presiune.

Sinteza amoniacului este un proces exotermic reversibil.

Conform principiului lui Le Chatelier, îndepărtarea căldurii ar trebui să schimbe reacția spre dreapta. În acest scop, după fiecare contact cu catalizatorul se efectuează răcirea intermediară a amestecului de gaze cu un contracurent mai puțin încălzit. Acest lucru asigură că procesul este autotermic. Cu toate acestea, în ciuda eliminării căldurii, temperatura încă crește ușor în timpul procesului. Prin urmare, coloana de sinteză a amoniacului utilizează catalizatori care funcționează eficient în diferite intervale de temperatură.

Coloanele moderne de sinteză de amoniac cu capacitate unitară mare au patru rafturi cu catalizatori. Pe primul (de-a lungul fluxului de gaz) există un catalizator la temperatură joasă (350-500 °C), pe al doilea - un catalizator la temperatură medie (400-550 °C); pe a treia și a patra - temperatură ridicată (550 - 700 °C).

În plus față de factorii enumerați, randamentul real de amoniac este influențat de activitatea catalizatorului, compoziția amestecului de gaze, caracteristicile de proiectare ale aparatului (cu cât rezistența hidraulică este mai mică, cu atât debitul este mai mare și energia este mai mică. costuri) și durata contactului gazului cu catalizatorul (sau valoarea reciprocă numită viteză volumetrică a gazului). Odată cu creșterea vitezei volumetrice, îndepărtarea amoniacului din 1 m 3 de masă de contact crește brusc. Dar, în același timp, crește volumul amestecului de azot-hidrogen nereacționat. Pentru a evita pierderile, acest amestec trebuie pompat în mod repetat prin catalizator într-un ciclu închis. Acest lucru crește consumul de energie pentru pompare. Din punct de vedere economic, astfel de costuri pot fi minimizate la anumite valori optime ale vitezei volumetrice a gazului (de la 15.000 la 30.000 m 3 de amestec gazos prin 1 m 3 de catalizator pe oră).

Indicatorii tehnici și economici ai acestei producții pot fi îmbunătățiți prin trecerea la tehnologia care economisește energie, resurse și forță de muncă. Acest lucru se realizează prin utilizarea unităților de putere mare, circuite cu apă scăzută și sisteme automate de control al procesului. O atenție deosebită se acordă utilizării căldurii gazelor de ardere care părăsesc cuptorul de încălzire cu metan, precum și fluxurilor de gaze care părăsesc reactorul de hidrogenare a sulfului organic, convertoare de metan și monoxid de carbon, coloane de sinteză a amoniacului, metanator etc.

Căldura de înaltă calitate recuperată este utilizată pentru a produce abur de înaltă presiune. Energia acestui abur din turbine este transformată în energie mecanică pentru comprimarea și deplasarea gazelor cu ajutorul compresoarelor. Căldura de calitate scăzută este utilizată pentru a produce abur de proces de joasă presiune, a încălzi apă, a produce frig etc. Acest principiu de economisire a energiei autoalimentează procesul cu abur și energie mecanică. Pentru zonele lipsite de combustibil, acest lucru face posibilă organizarea producției cu un consum minim de energie. Înlocuirea răcirii cu apă cu răcirea cu aer reduce semnificativ consumul de apă. Aceste principii sunt utilizate în schemele moderne de producție de amoniac folosind unități mari (1500 t/zi) cu capacitate unitară. O astfel de unitate oferă economii anuale la costurile de operare în valoare de 15 milioane de ruble. și investiții de capital de până la 25 de milioane de ruble. Schema specificată include blocuri pentru producerea unui amestec de azot-hidrogen, purificarea gazelor și sinteza amoniacului.

În unitatea de sinteză a amoniacului pentru comprimarea amestecului de azot-hidrogen la 30 MPa și circulația acestuia, căldura recuperată este transformată în energie mecanică de compresie și mișcare (Fig. 7.6). Pentru a face acest lucru, vaporii de apă de înaltă presiune și temperatură obținuți în cazanul de căldură reziduală sunt direcționați către turbina cu abur 7, pe arborele căreia este instalat un turbocompresor. 2.

Turbocompresorul comprimă amestecul proaspăt de azot-hidrogen, iar în ultima etapă se amestecă și cu amestecul de retur N2 + 3H2 care nu a reacționat asupra catalizatorului, conținând până la 2 - 3% NH3. Pentru a capta amoniacul, gazul de după turbocompresor este trecut printr-un frigider cu amoniac 3, unde se condenseaza si se separa usor ca lichid intr-un separator 4. După separator, amestecul de azot și hidrogen trece prin două schimbătoare de căldură 5 și 6, se încălzește până la 425 °C

și este trimis la coloana de sinteză a raftului 7. În comparație cu un aparat de contact tradițional cu un tub dublu de schimb de căldură în coloane radiale de raft, rezistența hidraulică și, prin urmare, pierderile de energie sunt reduse semnificativ. Într-o astfel de coloană cu un diametru interior de până la 2,1 m, o înălțime de până la 25 m și o grosime a peretelui din oțel crom-molibden de 10 - 30 cm, există patru rafturi. Rafturile sunt încărcate cu catalizator în cantități tot mai mari și cu o gamă crescândă de temperaturi de funcționare de la prima la ultima.

Pentru a menține un anumit regim de temperatură de-a lungul înălțimii coloanei, după fiecare raft căldura reacției exoterme este îndepărtată în cazanul de căldură reziduală. Controlul fin al temperaturii se realizează prin introducerea unei anumite cantități de amestec rece în amestecul de gaz fierbinte.

Aproximativ 15-20% din amestecul de azot-hidrogen este transformat în amoniac pe catalizator. Ieșind din coloana de sinteză la o temperatură de 320 - 380 °C, amestecul transferă secvenţial căldură în apa de alimentare a cazanului de căldură reziduală din încălzitorul de apă. 8, și apoi încălzește contra-fluxul de gaz rece în schimbătorul de căldură „fierbinte” 6. Apoi este răcit în aparatul de răcire cu aer 9 și în schimbătorul de căldură „rece” 5. La o presiune de aproximativ 30 MPa într-un astfel de amestec de gaze, amoniacul se condensează deja la o temperatură de 25 - 40 ° C și după separare în separator 10 merge la depozitare.

Un amestec de gaze care conține până la 2 - 3% amoniac necondensat și azot și hidrogen nereacționat de către un turbocompresor 2 revenit la ciclul de producție.

Gradul de conversie a amestecului de azot-hidrogen în amoniac în coloana de sinteză variază de la 15 la 20%. Dar datorită circulației sale repetate într-un circuit închis, randamentul real de amoniac în sistemele de presiune medie este de 91 - 95%. În comparație cu sistemele care funcționează la presiune joasă (10 MPa) și înaltă (100 MPa), sistemele de presiune medie, care sunt cele mai răspândite în practica mondială, rezolvă cu succes problemele eliberării amoniacului la o viteză suficientă a procesului în aparatul de contact. Pe lângă amoniacul lichid, se obține și amoniacul gazos, care este de obicei procesat imediat în uree, azotat de amoniu și acid azotic.

Diagrama tehnologică - producție - amoniac

Pagina 1

Schemele tehnologice pentru producția de amoniac includ de la 5 la 9 blocuri tehnologice principale, cum ar fi purificarea materiei prime, producerea unui amestec de azot-hidrogen, sinteza amoniacului și altele.

Dacă schema tehnologică pentru producția de amoniac include spălarea gazelor cu azot lichid, este recomandabil să se efectueze conversia la temperatură înaltă a gazului natural sub presiune până la 30 am la o temperatură de aproximativ 1350 C. În acest caz, gazul transformat uscat conține aproximativ 96% (CO H2) cu o concentrație de metan rezidual de aproximativ 1% și coeficienți de consum redusi pentru gaze naturale și oxigen.

Dacă schema tehnologică pentru producția de amoniac include spălarea gazelor cu azot lichid, este recomandabil să se efectueze conversia la temperatură înaltă a gazului natural sub presiune de până la 30 MPa la o temperatură de aproximativ 1350 C. În acest caz, gazul transformat uscat conține aproximativ 95 5% (CO H2) cu o concentrație de metan rezidual de aproximativ 1% și coeficienți de consum scăzuti pentru gaze naturale și oxigen.

Dacă schema tehnologică pentru producția de amoniac nu prevede spălarea cu azot lichid, dar există purificarea cupru-amoniac, este recomandabil să se folosească aer îmbogățit cu oxigen pentru conversia la temperatură înaltă a gazelor naturale. În acest caz, concentrația reziduală de metan în gazul transformat nu trebuie să depășească aproximativ 0-5%; realizarea acestui lucru este asociată cu creșterea temperaturii de reacție la 1400 C.

Dacă schema tehnologică pentru producția de amoniac nu prevede spălarea gazelor cu azot lichid, dar există departamente pentru conversia la temperatură joasă a monoxidului de carbon și metanarea, este recomandabil să se folosească aer îmbogățit cu oxigen pentru conversia la temperatură înaltă a naturalului. gaz. În acest caz, concentrația reziduală de metan în gazul transformat nu trebuie să depășească aproximativ 0-5%, ceea ce este asociat cu o creștere a temperaturii de reacție la 1400 C.

În funcție de procesul de producere a amoniacului, uleiul dizolvat și dispersat în gazul comprimat are efecte diferite asupra etapelor ulterioare ale producției de amoniac. Dacă instalația are purificarea cupru-amoniu sub aceeași presiune ca și sinteza, fluxul de gaz care conține ulei intră în primul rând în scruberele de purificare cupru-amoniu, unde contaminează soluția, înrăutățește condițiile de purificare a gazului și regenerarea cupru-amoniului. soluție, crește coeficienții de consum. Există dovezi că purificarea gazului din petrol numai în etapa de purificare cu cupru-amoniac dă.

În funcție de schema tehnologică pentru producția de amoniac, conversia la temperatură înaltă a gazului natural se realizează într-un amestec cu oxigen tehnic sau aer îmbogățit cu oxigen.

În fig. Figura 3 prezintă o diagramă de flux de proces pentru producerea de amoniac din gaze naturale.

Instalația este cea principală în schema tehnologică de producere a amoniacului și funcționarea corectă a regimului în ea determină în cele din urmă compoziția necesară a amestecului de azot-hidrogen pentru sinteza amoniacului. Respectarea regimului termic contribuie la funcționarea normală și stabilă a sistemului de generare a aburului.

Schemele tehnologice create în prezent pentru producția de amoniac cu o capacitate de peste 1000 de tone de MNZ în sushi dintr-o unitate nu prevăd separarea epurării gazului transformat din monoxidul de carbon cu soluții de cupru-amoniu sau spălarea cu azot lichid.

15 prezintă o diagramă simplificată a procesului pentru producerea de amoniac din gaze naturale. După cum puteți vedea, schema este complexă.

Astfel, în prezent sunt implementate scheme tehnologice de producere a amoniacului cu o capacitate de o unitate de 400 tf. Și în perioada viitoare, echipamentele pentru producția de amoniac de până la 800 tf vor fi stăpânite.

Tranziția industriei de azot fix la gaze naturale ieftine reduce semnificativ costurile materiilor prime. În plus, condițiile de lucru în fabricile producătoare de amoniac sintetic sunt îmbunătățite în acest fel. Acest lucru duce, de asemenea, la o simplificare a procesului de producere a amoniacului.

Pagini: 1

Instituție de învățământ municipală

școala secundară Novosafonovskaya

Producția de amoniac: scurtă descriere

districtul Prokopievski 2006

Introducere

1.Metode de obținere a amoniacului

2. Proces modern de producere a amoniacului

Lista literaturii folosite

Introducere

Scopul economic general al fiecărei întreprinderi chimice este de a produce produse chimice de înaltă calitate și în cantitate suficientă, astfel încât vânzarea acestora să fie profitabilă. Legat de aceasta este cerința ca toate resursele să fie utilizate cât mai eficient posibil. Cu toate acestea, acest lucru poate fi realizat numai dacă procesul chimic în sine este cât mai eficient posibil. În industria chimică, în locul conceptului de „reactivi”, termenii „materii prime”, „materii prime” sau pur și simplu materii prime, uneori „minereu”, sunt mult mai des folosiți. Pentru ca orice proces să fie justificat economic, este necesar să se obțină randamentul optim al produsului țintă din materii prime. Randamentul optim nu este neapărat același cu randamentul teoretic sau chiar cu randamentul maxim realizabil. Obținerea producției maxime realizabile poate necesita, de exemplu, un consum prea mare de material de pornire scump, sau procesul poate dura prea mult, sau se creează condiții extreme (temperaturi sau presiuni foarte ridicate) care sunt pline de situații de urgență periculoase etc. , - toate acestea pot face ca randamentul maxim realizabil să fie neviabil din punct de vedere economic.

Randamentul real al oricărui proces chimic dat poate depinde de o serie de factori, principalii fiind temperatura, presiunea, prezența unui catalizator, puritatea materiilor prime și eficiența extracției produsului final. Producția industrială de substanțe presupune o excelentă cunoaștere a legilor teoretice ale reacțiilor chimice (energetica reacțiilor chimice, cinetica și cataliză chimică, echilibrul chimic).

Toți factorii enumerați mai jos sunt importanți, mai ales când vine vorba de producția pe scară largă, cum ar fi, de exemplu, producția de amoniac.

Proiectanții de fabrici chimice creează fabrici de producție de amoniac de mare capacitate. De exemplu, au fost create instalații care produc 1000-1200 de tone de amoniac pe zi. În prezent, aproximativ 5 milioane de tone de amoniac sunt produse anual în întreaga lume.

1. Metode de producere a amoniacului

desulfurizant de proces cu amoniac cianamidă

Primul proces industrial folosit pentru producerea amoniacului a fost procesul cu cianamidă. Când au fost încălzite var CaO și carbon, s-a obținut carbură de calciu CaC2. Carbura a fost apoi încălzită într-o atmosferă de azot pentru a obţine cianamidă de calciu CaCN2; apoi amoniacul a fost obținut prin hidroliza cianamidei:

CaCN2(s) + 3H2O = 2NH3‍‍ + CaCO3(s)

Acest proces necesita multă energie și a fost neprofitabil din punct de vedere economic.

În 1908, chimistul german F. Haber a descoperit că amoniacul poate fi produs din hidrogen și azot atmosferic pe un catalizator de fier. Prima instalație de producere a amoniacului care a folosit această metodă a folosit hidrogen, care a fost obținut prin electroliza apei. Ulterior, hidrogenul a început să fie obținut din apă prin reducere cu cocs. Această metodă de producere a hidrogenului este mult mai economică. După descoperirea lui Haber, producția de amoniac a început să crească rapid; acest lucru nu este surprinzător, deoarece sunt necesare cantități uriașe de amoniac pentru a produce îngrășăminte care conțin azot. Aproximativ 80% din tot amoniacul produs în lume este folosit pentru a le produce. Împreună cu îngrășămintele care conțin azot, azotul este introdus în sol sub formă solubilă, de care au nevoie majoritatea plantelor. Restul de ≈20% din amoniacul produs este folosit pentru a produce polimeri, explozivi, coloranți și alte produse.

Procesul modern de producere a amoniacului se bazează pe sinteza acestuia din azot și hidrogen folosind un catalizator special:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)

Deoarece această reacție este reversibilă, se pune întrebarea: la ce temperaturi și presiuni este cel mai avantajos să se obțină randamentul maxim?

produs? Deoarece reacția este exotermă, bazată pe principiul lui Le Chatelier, este clar că, cu cât temperatura procesului este mai scăzută, cu atât echilibrul se va deplasa spre formarea amoniacului și se poate presupune că temperatura ar trebui să fie mai scăzută cât posibil. Dar, în realitate, totul este mai complicat: la temperaturi scăzute reacția practic nu are loc, așa că trebuie făcută o soluție de compromis. Deoarece este necesară o temperatură scăzută pentru a stabili starea optimă a echilibrului de reacție și este necesară o temperatură ridicată pentru a obține o viteză satisfăcătoare, în practică procesul se desfășoară la o temperatură de ≈ 400 – 500 °C.

Dar chiar și la o temperatură atât de ridicată, prezența unui catalizator special este necesară pentru a obține o viteză de reacție suficientă. Fierul burete activat de oxizii de potasiu și aluminiu este folosit ca catalizator.

Din ecuația reacției reiese clar că numărul total de moli scade de la 4 la 2. Conform principiului lui Le Chatelier, în acest caz este avantajos să se efectueze procesul prin creșterea presiunii. Dar această concluzie este doar calitativă; în practică, trebuie să știți exact cât de mult va crește randamentul de NH3 (cu 10% sau doar 0,1%) odată cu creșterea presiunii. Tabelul 1 cuantifică efectul temperaturii și presiunii asupra randamentului de amoniac (procentul de amoniac în amestecul de echilibru) pentru reacție.

Din acest tabel se poate observa că creșterea temperaturii la orice presiune reduce considerabil conținutul de amoniac din amestecul de gaze, cu toate acestea, la temperaturi sub 500 °C, viteza de reacție este foarte scăzută, astfel încât, în practică, procesul se desfășoară de obicei la o temperatură de 450 °C.

tabelul 1

În ceea ce privește presiunea, aici se folosesc presiuni de ordinul 300 – 100 atm, dar cel mai adesea presiunea „medie” este ≈ 250 atm. Deși în aceste condiții doar aproximativ 20% din substanțele inițiale sunt transformate în amoniac, totuși, ca urmare a utilizării unei scheme tehnologice de circulație (reintroducerea H2 și N2 nereacționat înapoi în reacție), gradul total de conversie a substanțelor inițiale în amoniac este foarte mare.

2. Proces modern de producere a amoniacului

Funcționarea unei fabrici moderne de amoniac este foarte complexă. Această afirmație pare surprinzătoare dacă vă „concentrați” doar pe ecuația de reacție destul de simplă (1), care este baza pentru sinteza amoniacului. Cu toate acestea, afirmația despre complexitatea sintezei industriale a amoniacului nu va părea excesivă după prima cunoaștere cu diagrama de funcționare a unei instalații de amoniac care funcționează pe gaze naturale (Fig. 1). Primul pas în procesul de sinteză a amoniacului implică un desulfurizant. Desulfurizatorul este un dispozitiv tehnic pentru îndepărtarea sulfului din gazele naturale. Acesta este un pas absolut necesar deoarece sulful este o otravă catalitică și „otrăvește” catalizatorul de nichel în etapa ulterioară de producere a hidrogenului.

A doua etapă a sintezei industriale a amoniacului implică conversia metanului (producția industrială de hidrogen). Conversia metanului este o reacție reversibilă care are loc la 700–800 °C și o presiune de 30–40 atm folosind un catalizator de nichel atunci când metanul este amestecat cu vapori de apă:

CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (2)

Hidrogenul format prin această reacție, s-ar părea, poate fi deja utilizat pentru sinteza amoniacului conform reacției (1) - pentru aceasta este necesar să se introducă în reactor aer care conține azot. Acest lucru se face în etapa (3), dar alte procese au loc în această etapă.

Arderea parțială a hidrogenului are loc în oxigenul aerului:

2H2 + O2 = H2O (abur)

Rezultatul în această etapă este un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon (II) și azot. Vaporii de apă, la rândul lor, se reduc din nou pentru a forma hidrogen, ca în a doua etapă conform acestora, după primele trei etape există un amestec de hidrogen, azot și monoxid de carbon „indezirabil” (II).

În Fig. 1, etapa (4) este desemnată ca o reacție de „deplasare”, dar poate avea loc în două condiții de temperatură și catalizatori diferiți. Oxidare

CO format în cele două etape anterioare este convertit în CO2 folosind exact această reacție:

CO + H2O (abur) ↔ CO2 + H2 (3)

Procesul de „schimbare” se desfășoară secvenţial în doi „rectori de schimb”. Prima dintre ele folosește un catalizator Fe3O4 și procesul are loc la o temperatură destul de ridicată de aproximativ 400 °C. Al doilea proces folosește un catalizator de cupru mai eficient și poate fi efectuat la o temperatură mai scăzută.

La gradul al cincilea, monoxidul de carbon (IV) este „spălat” din amestecul de gaz prin absorbție cu o soluție alcalină:

KOH + CO2 = K2CO3.

Reacția de „schift” (3) este reversibilă și după a 4-a etapă, ≈ 0,5% CO rămâne efectiv în amestecul de gaze. Această cantitate de CO este suficientă pentru a ruina catalizatorul de fier în etapa principală a sintezei amoniacului (1). La a 6-a etapă, monoxidul de carbon (II) este îndepărtat printr-o reacție de conversie cu hidrogen în metan pe un catalizator special de nichel la temperaturi de 300 – 400 oC:

CO + 3H2 ↔ CH4 +H2O

Amestecul gazos, care conține acum ≈75% hidrogen și 25% azot, este comprimat; presiunea acestuia crește de la 25 – 30 la 200 – 250 atm.

În conformitate cu ecuația Clayperon-Mendeleev, o astfel de compresie duce la o creștere foarte bruscă a temperaturii amestecului.

Imediat dupa compresie este necesar sa se raceasca la 350 - 450 oC. Acest proces este descris cu acuratețe prin reacția (1).

Lista literaturii folosite

1.N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. Chimie. Teorie și sarcini. - M.: ONIX secolul XXI”, „Lumea și educația”, 2003.

Ce este amoniacul

Amoniacul, sau nitrura de hidrogen, este unul dintre compușii cu azot. Este un gaz incolor cu un miros ascuțit caracteristic, cu formula chimică NH3. Când este înghețat sau sub presiune, amoniacul se transformă în formă lichidă.

Amoniacul este utilizat pe scară largă în industrie și este, de asemenea, o componentă cheie în producția de îngrășăminte cu azot.

Plantele au nevoie de azot pentru dezvoltarea și creșterea corespunzătoare. Utilizarea îngrășămintelor crește conținutul de azot al solului, crescând randamentul culturilor.

Utilizarea amoniacului în agricultură

Amoniacul este folosit în principal pentru a produce multe tipuri de îngrășăminte cu azot, cum ar fi ureea și nitratul (nitrat de amoniu) și sulfatul de amoniu. Cea mai mare parte a producției mondiale de amoniac este vândută utilizatorilor agricoli sau industriali.

Folosit pe scară largă în industrie

Amoniacul este una dintre cele mai importante substanțe pentru industria chimică. Este folosit pentru a produce polimeri, textile, explozivi și etanol. Amoniacul este folosit atât ca solvent, cât și ca lichid de răcire. Amoniacul este folosit în producția de medicamente și produse cosmetice.

Producția de amoniac

Amoniacul este produs prin combinarea azotului și hidrogenului la temperaturi de 380 - 500 de grade Celsius și o presiune de 250 atm în prezența unui catalizator.

Cărbunele, cocs și gazul cuptorului de cocs pot fi folosite ca materii prime pentru producerea amoniacului, dar amoniacul este produs în principal din gaze naturale. Producția de amoniac este foarte consumatoare de energie, iar consumul de gaze naturale este unul dintre cei mai importanți factori care determină profitabilitatea.

Utilizarea amoniacului

Ca îngrășământ

Amoniacul anhidru este utilizat independent ca îngrășământ, care se obține prin lichefierea gazului de amoniac la presiune ridicată. Este un lichid cu un conținut de azot de 82,3%, ceea ce îl face cel mai concentrat și mai rentabil îngrășământ cu azot disponibil.

Multe tipuri de îngrășăminte cu azot sunt produse din amoniac.

Cele mai importante dintre ele sunt ureea, nitratul de amoniu și sulfatul de amoniu.

Ureea (ureea) este făcută din amoniac și dioxid de carbon.

Vine sub formă de granule și microgranule și conține 46% azot, ceea ce îl face cel mai concentrat îngrășământ cu azot disponibil.

Azotatul de amoniu (NH4NO3) este cel mai comun îngrășământ universal cu azot, care conține 35% azot, folosit ca îngrășământ principal și pentru îmbrăcarea superioară.

Sulfatul de amoniu conține 21% azot și până la 24% sulf, prin urmare este și o sursă de nutriție cu sulf. Este bine absorbit, nu este spălat din sol și este utilizat pentru toate culturile agricole.

Utilizare industrială

Amoniacul este unul dintre cele mai importante produse ale industriei chimice. Substanțele produse din amoniac servesc ca bază pentru producția de propilenă, fibre textile, fire, țevi, containere, anvelope, piese auto și telefoane. Din amoniac se produc și explozivi.

Amoniacul lichid este folosit ca solvent și agent frigorific. Amoniacul este, de asemenea, utilizat ca aditiv antigel pentru mortarele uscate.

Derivații de amoniu ai amoniacului sunt utilizați în domeniul medical. Acesta este amoniacul, componentele cosmeticelor și medicamentelor.

O soluție apoasă de amoniac este utilizată ca sursă de azot în procesul de producție a drojdiei. Cererea globală de etanol este în creștere, iar drojdia este singurul tip de microorganism folosit pentru a transforma zahărul în etanol.

Depozitare si transport

Când este înghețat sau sub presiune, amoniacul se transformă în formă lichidă și necesită echipamente și tehnologie speciale pentru transport și depozitare.

Amoniacul lichid este stocat în rezervoare interconectate, echipate cu supape de siguranță. Pentru a crește siguranța, rezervoarele sunt săpate și sunt instalați paleți și pereți suplimentari.

Atunci când se depozitează volume mari de gaze de hidrocarburi, cele mai eficiente instalații de stocare a gazelor subterane sunt. Depozitarea amoniacului în rezervoare izoterme de gaz a devenit larg răspândită.

Amoniacul este transportat în containere speciale de transport pe calea ferată, pe apă și rutier sau prin conducte principale.

Principalii consumatori

Principala cerere pentru produs vine din China, ale cărei întreprinderi consumă aproximativ 30% din amoniacul produs în lume. Câteva alte țări și regiuni demonstrează aproximativ același nivel de consum de amoniac: SUA (10%), țările CSI și Europa de Vest (8-9% fiecare), India (8%).

Cererea de amoniac

Conform previziunilor experților, în 2020, producția de amoniac va fi de aproximativ 190 de milioane de tone pe an. Aproximativ trei sferturi din amoniacul din lume este folosit pentru producerea îngrășămintelor, aproximativ 50% merge doar pentru producția de uree.

În prezent, cererea de uree este în creștere pe piața mondială, așa că se prevede că cererea de amoniac, din care este produsă, va crește cu o rată de cel puțin 2% pe an până în 2020.

Creșterea preconizată a cererii pentru produs creează oportunități pentru instalațiile de producție de uree nou construite.

Obiectivele lecției.

Educational- în timpul lecției, asigurați formarea de noi cunoștințe a elevilor despre amoniac, structura, proprietățile, producția și utilizarea acestuia.
Luați în considerare structura moleculei de amoniac. Prezentați elevilor legăturile de hidrogen. Studiați proprietățile amoniacului. Luați în considerare mecanismul donor-acceptor al formării legăturilor chimice
De dezvoltare- capacitatea de a compara, generaliza, dezvolta gândirea, interesul pentru subiect.
Educational- comportament în sala de chimie, observație la vizionarea unui videoclip, pentru a forma o cultură a informației și comunicării.

Echipamente. Apa amoniacala, NH4Cl si Ca(OH)2 cristalin, fenolftaleina, aparat pentru obtinerea gazelor, HCl (conc.), KMnO4 (pentru obtinerea O2), KI, amidon, hartie de turnesol, cristalizator, cilindru, baghete de sticla, suport de laborator.

ÎN CURILE CURĂRILOR

I. Actualizarea cunoștințelor de bază.

Facem o încălzire chimică.

a) numiți posibilele stări de oxidare ale azotului;

b) în ce cazuri azotul va prezenta proprietăți oxidante și în ce cazuri va prezenta proprietăți reducătoare?

c) enumerați proprietățile fizice ale azotului.

d) care este motivul inerției chimice a azotului?

e) în ce condiții reacționează azotul cu alte substanțe?

f) sub ce formă apare azotul în natură?

h) care este rolul azotului în viața naturii?

II. Învățarea de materiale noi.

1. Structura moleculei.

Când deschizi ușa frigiderului, simți frig. Deci, ce substanță este cauza acestui fenomen?

Lucrați în perechi.

Instrucțiunea nr. 1.

1. Scrieți ecuațiile de reacție pentru compușii hidrogen ai azotului.

2. Desenați formula electronică și structurală a acestui compus.

3. Identificați legătura chimică din această moleculă.

4. Ce caracteristică a structurii electronice vedeți la atomul de azot?

Elevii lucrează independent în perechi cu manualul p.47-48

Apoi, verificăm corectitudinea sarcinii finalizate prin multimedia (diapozitivul nr. 1, 2, 3 și 4) Prezentare .

2. Determinați proprietățile fizice ale amoniacului.

Intrebare problematica. Care este motivul solubilității bune a amoniacului în apă?

Rețeaua cristalină a amoniacului este moleculară; Molecula este ușoară, dar spre deosebire de molecula de azot, este polară.

Prin urmare, ce puncte de fierbere și de topire ar trebui să aibă amoniacul?

Elevi: putem presupune că sunt scăzute.

Deoarece polaritatea moleculei face posibilă conectarea forțelor electrostatice de atracție la forțele intermoleculare pur și simplu.

Structura moleculei permite prezicerea unei solubilități bune în apă.

Acest lucru se datorează apariției unei legături chimice speciale între moleculele sale - hidrogenul. (diapozitivul numărul 5). Atomul de azot are o pereche de electroni liberi în molecula de amoniac, prezența unei sarcini parțiale (+) pe atomul de hidrogen și prezența unei sarcini parțiale (-) pe atomul de azot.

O legătură de hidrogen este o legătură între atomii de hidrogen ai unei molecule și atomii elementelor electronegative ai altei molecule (F, O, N). (diapozitivul nr. 5)

Concluzie: amoniacul se transformă în stare lichidă când presiunea crește. Evaporarea amoniacului lichid cu o scădere a presiunii este însoțită de răcirea puternică a obiectelor din jur. Această proprietate este utilizată în unitățile frigorifice.

Amoniacul este un gaz incolor.
Îmi gâdilă gura.
Înțepă nasul și ustură ochii.
Amoniacul este otrăvitor!
Amoniacul este un solvent.
Modificări de la gaz la lichid
Amoniacul este diamagnetic.
De asemenea, nu conduce curentul.
Amoniac uscat
Explodează în aer.
Se dizolvă în apă.
Explozivi, îngrășăminte

Aceasta nu este o listă completă a utilizărilor sale.

3. Obținerea amoniacului în laborator.

Demonstrăm experiență. Se încălzește un amestec de clorură de amoniu și hidroxid de calciu.

2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2NH 3 + H 2 O

Dizolvam amoniacul rezultat in apa, la care adaugam fenolftaleina. Soluția de amoniac devine purpurie.

De ce soluția de amoniac devine purpurie?

Elevi: există un ion hidroxid în soluție, mediul este alcalin.

Profesor. În apa cu amoniac, cea mai mare parte a amoniacului este conținută sub formă de molecule de NH3, echilibrul este deplasat la stânga (deoarece NH3 este un electrolit slab) și o astfel de apă conține multe molecule de NH3, deci miroase a amoniac. Vă arăt cum să manipulați corect soluțiile de substanțe cu miros puternic.

Demonstrăm decolorarea apei cu amoniac de culoare fenolftaleină atunci când este încălzită. De ce s-a întâmplat asta?

Elevi: a pierde conexiunea.

La încălzire, solubilitatea gazelor (NH3 gaz) scade, amoniacul se evaporă, echilibrul de reacție se deplasează și mai mult spre stânga, iar ionul hidroxid (OH) practic nu rămâne în soluție. Soluția apoasă devine neutră.

Intrebare problematica: Din ce materii prime și în ce moduri se pot produce îngrășăminte cu azot?

Elevi Se presupune că din azotul din aer.

Această sarcină a fost înaintată științei interne de către D.I. Mendeleev, care a scris: „Una dintre sarcinile chimiei aplicate este de a găsi o metodă avantajoasă din punct de vedere tehnic pentru obținerea din azotul aerului a compușilor săi care conțin azot asimilabil. Viitorul agriculturii depinde foarte mult de descoperirea unei astfel de metode.”

Cea mai profitabilă metodă din punct de vedere economic de fixare industrială a azotului atmosferic este sinteza amoniacului din azot și hidrogen:

Profesor: Descrieți această reacție.

Elevi:

exotermic
reversibil
catalitic
eterogen
cu reducerea volumului

Profesor: Ce condiții pentru schimbarea echilibrului sunt necesare pentru a crește randamentul de amoniac?

Elevi: scăderea temperaturii, creșterea presiunii.

Randamentul de amoniac este scăzut, iar sinteza industrială cu astfel de indicatori este neprofitabilă.

Discutăm cu studenții posibilitatea creșterii randamentului practic de amoniac. Un criteriu important pentru eficiența producției este productivitatea reactorului. Analiza datelor cantitative privind creșterea concentrației de amoniac în amestecul de azot-hidrogen pe măsură ce reacția se desfășoară ne permite să ajungem la concluzia: productivitatea reactorului poate fi crescută prin reducerea timpului de reacție. Acest lucru reduce randamentul de amoniac în timpul unei treceri a amestecului de gaz prin reactor, iar gazul nereacționat poate fi reîntors la producție. Astfel, ideea de circulație este un principiu tehnologic important, fezabil din punct de vedere economic, crescând productivitatea reactorului. Există cerințe pentru calitatea materiilor prime; ar trebui să conțină la fel de puține impurități precum argonul și metanul. Materiile prime trebuie curățate temeinic de substanțele toxice pentru catalizator (de exemplu, compușii cu sulf). Catalizatorul pentru sinteza amoniacului este fierul, activat de aditivi (oxizi de aluminiu și potasiu) pentru a conferi o activitate stabilă ridicată.

4. Formarea cationului de amoniu urmează un mecanism donor-acceptor.

Atomul de azot are o pereche de electroni liberi, datorită căreia se formează o altă legătură covalentă cu cationul de hidrogen, care este transferată în amoniac din moleculele de apă sau acizi. (diapozitivul numărul 6)

Conform acestui mecanism, la molecula de amoniac se adaugă cationul de hidrogen +H din molecula de apă și se formează ionul +NH4, în care se formează trei legături covalente prin mecanismul de schimb, iar a patra prin mecanismul donor-acceptor. Cu toate acestea, toate conexiunile sunt egale.

5. Proprietăți chimice.

a) solubilitatea amoniacului în apă.

Experienta demonstrata: Puneți o eprubetă umplută cu amoniac într-un cristalizator cu apă la care s-a adăugat puțin fenolftaleină. Apa umple rapid eprubeta, iar soluția de amoniac devine purpurie.

Solubilitatea amoniacului în apă este foarte mare - 700 de volume de amoniac sunt dizolvate într-un volum de apă. De ce amoniacul se dizolvă bine în apă?

Elevi. Motivul este formarea legăturilor de hidrogen.

Profesor: Ce fel de mediu are o soluție apoasă de amoniac?

Elevi: alcalin.

Profesor: Deci, ce proprietăți ar trebui să aibă o soluție apoasă de amoniac?

Elevi: de bază.

Ce concluzie putem trage de aici?

Concluzie: Amoniacul în soluție apoasă este o bază.

Profesor: dacă o soluție apoasă de amoniac este o bază, atunci cu ce substanțe va interacționa?

Elevi: cu acizi.

Experienta demonstrata:„fum fără foc”, aducem două baghete de sticlă umezite cu soluții concentrate de amoniac și acid clorhidric una la alta. Este mult fum între aceste bețe.

Scrieți ecuația pentru reacția unei soluții apoase de amoniac cu acid clorhidric în forme ionice complete și scurte.

Un elev notează ecuația reacțiilor la tablă, apoi verificăm înregistrările în caiete.

NH3 +HCI = NH4CI

Profesor: ce sare s-a format si da-i un nume?

Elevii dau numele acestei sări.

Formarea cationului de amoniu la interacțiunea cu acizii are loc conform mecanismului donor-acceptor.

Atragem atenția elevilor asupra faptului că donatorul este azotul, iar acceptorul este hidrogenul, deoarece Azotul are o pereche de electroni liberi, iar hidrogenul are un orbital liber.

În amoniac, azotul are o d.o. mai mică. (-3).

Deci, ce va fi amoniacul în reacțiile redox?

Urmărim un videoclip despre interacțiunea amoniacului cu oxigenul (cu și fără catalizator).

După ce am văzut videoclipul, îi rog pe băieți să scrie ecuațiile pentru reacțiile cu oxigenul, să intre în s.o. și coeficienți folosind metoda echilibrului electronic.

Verificăm corectitudinea scrierii ecuațiilor (diapozitivul nr. 7, 8)

Concluzie: azotul din amoniac are un d.o mai mic. (-3), prin urmare azotul poate dona doar electroni, crescându-și s.o., prin urmare amoniacul prezintă doar proprietăți reducătoare. Proprietățile chimice ale amoniacului merg cu o modificare a d.o. azot şi cu formarea unei legături covalente prin mecanismul donor-acceptor.

III. Fixare:

a) după ce semne poate fi recunoscut amoniacul? (prin miros; prin colorarea hârtiei indicatoare umede - devine albastră; prin apariția fumului când se ține o baghetă de sticlă umezită cu acid clorhidric concentrat).

b) ce tip de reacție are loc când amoniacul reacţionează cu acizii? (conexiuni)

c) scrieți ecuațiile pentru reacția amoniacului cu acidul ortofosforic și dați denumirile sărurilor rezultate.

IV. Teme pentru acasă$17 p.52 exercitii 6,7,9- nivel 1; 6-11- Nivelul 2. Pregătiți un mesaj despre utilizarea și semnificația amoniacului.

Instituție de învățământ municipală

școala secundară Novosafonovskaya

Producția de amoniac: scurtă descriere

districtul Prokopievski 2006

Introducere

1.Metode de obținere a amoniacului

2. Proces modern de producere a amoniacului

Lista literaturii folosite

Introducere

Toți factorii enumerați mai jos sunt importanți, mai ales când vine vorba de producția pe scară largă, cum ar fi, de exemplu, producția de amoniac.

1. Metode de producere a amoniacului

desulfurizant de proces cu amoniac cianamidă

CaCN2(s) + 3H2O = 2NH3‍‍ + CaCO3(s)

Acest proces necesita multă energie și a fost neprofitabil din punct de vedere economic.

Procesul modern de producere a amoniacului se bazează pe sinteza acestuia din azot și hidrogen folosind un catalizator special:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)

Deoarece această reacție este reversibilă, se pune întrebarea: la ce temperaturi și presiuni este cel mai avantajos să se obțină randamentul maxim?

tabelul 1

2. Proces modern de producere a amoniacului

CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (2)

Arderea parțială a hidrogenului are loc în oxigenul aerului:

2H2 + O2 = H2O (abur)

Rezultatul în această etapă este un amestec de vapori de apă, monoxid de carbon (II) și azot. Vaporii de apă, la rândul lor, se reduc din nou pentru a forma hidrogen, ca în a doua etapă conform acestora, după primele trei etape există un amestec de hidrogen, azot și monoxid de carbon „indezirabil” (II).

În Fig. 1, etapa (4) este desemnată ca o reacție de „deplasare”, dar poate avea loc în două condiții de temperatură și catalizatori diferiți. Oxidare

CO format în cele două etape anterioare este convertit în CO2 folosind exact această reacție:

CO + H2O (abur) ↔ CO2 + H2 (3)

Procesul de „schimbare” se desfășoară secvenţial în doi „rectori de schimb”. Prima dintre ele folosește un catalizator Fe3O4 și procesul are loc la o temperatură destul de ridicată de aproximativ 400 °C. Al doilea proces folosește un catalizator de cupru mai eficient și poate fi efectuat la o temperatură mai scăzută.

La gradul al cincilea, monoxidul de carbon (IV) este „spălat” din amestecul de gaz prin absorbție cu o soluție alcalină:

KOH + CO2 = K2CO3.

CO + 3H2 ↔ CH4 +H2O

Amestecul gazos, care conține acum ≈75% hidrogen și 25% azot, este comprimat; presiunea acestuia crește de la 25 – 30 la 200 – 250 atm. În conformitate cu ecuația Clayperon-Mendeleev, o astfel de compresie duce la o creștere foarte bruscă a temperaturii amestecului. Imediat dupa compresie este necesar sa se raceasca la 350 - 450 oC. Acest proces este descris cu acuratețe prin reacția (1).

Lista literaturii folosite

1.N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. Chimie. Teorie și sarcini. - M.: ONIX secolul XXI”, „Lumea și educația”, 2003.

1. Legătura chimică în molecula de amoniac: A) ionică; B) polar covalent; B) covalent nepolar. 2. Cum se obține amoniacul în laborator: A) sinteza directă din azot și hidrogen; B) descompunerea termică a sărurilor de amoniu; C) interacțiunea sărurilor de amoniu cu alcalii. 3. Cum se face distincția între clorura de amoniu și clorura de sodiu: A) după miros; B) asupra actiunii nitratului de argint; C) prin acţiunea alcalinelor la încălzire. 4. O soluţie apoasă de amoniac nu reacţionează: A) cu acidul clorhidric; B) cu hidroxid de calciu; b) cu apă. 5. Amoniacul este capabil să se oxideze la azot liber: A) fără catalizator; B) cu hipertensiune arterială; B) cu un catalizator. 6. Mecanismul de formare a ionului de amoniu (cation): A) donor-acceptor; B) ionic; B) radical; 7. Ecuația reacției NaOH + NH 4 Cl = NaCl + NH 3 + H 2 O corespunde unei scurte ecuații ionice: A) NH H + = NH 4 + B) NH 4 + = NH 3 + H + C) NH OH ¯ = NH 3 + H 2 O B B B B A A B

Prepararea amoniacului In laborator, amoniacul se obtine prin incalzirea usoara a unui amestec de hidroxid de calciu si sulfat de amoniu. Scrieți o ecuație pentru reacția de producere a amoniacului. Ca(OH) 2 + 2(NH 4) 2 SO 4 = CaSO 4 + 2NH 3 + 2H 2 O În industrie, amoniacul se obține prin sinteză dintr-un amestec azot-hidrogen de 200 atm, 400ºC, Fe N 2 + 3H 2 2NH 3 sau Ca(OH) 2 + 2NH 4 Cl = CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O experiment

Proprietăți fizice Amoniacul este un gaz incolor cu un miros caracteristic ascuțit, mai ușor decât aerul. Determinați densitatea amoniacului în aer. Cu o ușoară creștere a presiunii sau când este răcit la – 33Cº, amoniacul se lichefiază, transformându-se într-un lichid mobil incolor. Amoniacul este solubil în apă: la temperatura camerei, 700 de volume de amoniac sunt dizolvate într-un volum de apă, iar la 0ºC – 1200 de volume. D aer (NH3) = M (aer) / M (NH3) = 29 g/mol / 17 g/mol = de 1,7 ori

Proprietățile chimice ale NH 3 + H 2 O NH 3 · H 2 O NH OH – 1) Dizolvarea amoniacului în apă este însoțită de interacțiune chimică cu acesta: N H+H+ + H HH HH H H N + donor acceptor cation de amoniu 2) Interacțiunea amoniacului cu acizii: NH 3 + HCl = NH 4 Cl Scrieți ecuațiile reacțiilor amoniacului cu acidul sulfuric (cu formarea de mediu și săruri acide), acidul azotic. NH 3 + H 2 SO 4 = (NH 4) 2 SO 4 NH 3 + H 2 SO 4 = NH 4 HSO 4 Mecanismul de formare a legăturilor – donor-acceptor NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 experiment

3) Oxidarea amoniacului (cu catalizator) 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O Considerăm reacția ca o reacție redox. Numiți agentul oxidant și agentul reducător. N –3 – 5e N oxidare O e 2O –2 4 5 reducerea NH 3 (datorită N –3) – agent reducător; O2 este un agent de oxidare.

4) Oxidarea amoniacului (fără catalizator) 4NH 3 + 3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O Considerăm reacția ca o reacție redox. Numiți agentul oxidant și agentul reducător. N –3 – 5e N oxidare O e 2O –2 4 5 reducerea NH 3 (datorită N –3) – agent reducător; O2 este un agent de oxidare. 5) Amoniacul este capabil să reducă oxizii metalelor slab active NH 3 + СuO N 2 + Cu + H 2 O Considerați reacția ca una redox. Numiți agentul oxidant și agentul reducător. Aranjați coeficienții. 2N –3 – 6e N oxidare Cu e Cu reducere NH 3 (datorită N –3) – agent reducător; CuO (datorită Cu +2) este un agent oxidant. 2NH 3 + 3СuO = N 2 + 3Cu + 3H 2 O experiment

6) Metalele active sunt capabile să înlocuiască atomul de hidrogen în amoniac. O bucată de sodiu picurată în amoniac lichid îl transformă în violet; în timp, culoarea dispare, iar după ce amoniacul se evaporă, pulberea albă de amidă de sodiu rămâne pe fundul paharului: Considerați reacția ca o reacție redox. Numiți agentul oxidant și agentul reducător. Aranjați coeficienții. NH 3 + Na NaNH 2 + H 2 2H e H Na 0 – 1e Na NH 3 (datorită H +1) – agent oxidant, proces de reducere; Na 0 este un agent reducător, un proces de oxidare. 2NH3 + 2Na = 2NaNH2 + H2 amidă de sodiu

Experiment de laborator: Proprietăţile sărurilor de amoniu Efectuaţi o reacţie calitativă la ionul de amoniu. Puneți un amestec de clorură de amoniu și hidroxid de calciu într-o eprubetă și încălziți amestecul. Determinați amoniacul produs prin mirosul său caracteristic și folosind hârtie indicatoare umedă.

N.H.

1. O soluţie apoasă de amoniac are: A) un mediu alcalin; B) mediu acid; B) mediu neutru; D) nu există un răspuns corect între cele date mai sus. 2. Interacţiunea amoniacului cu clorura de hidrogen se referă la reacţiile: A) descompunere; B) conexiuni; B) substituție; D) schimb. 3. Amoniacul reacţionează cu oxidul de cupru (II) încălzit, reducându-l la cupru metal. În acest caz, amoniacul este oxidat în: A) azot liber; B) oxid nitric (IV); B) oxid nitric (II); D) oxid nitric (V). 4. Reacția amoniacului cu: A) oxigenul în absența unui catalizator nu este o reacție redox; B) oxigen în prezenţa unui catalizator; B) acid clorhidric; D) oxid de cupru (II). 5. Metoda de laborator pentru producerea amoniacului este: A) sinteza din azot si hidrogen; B) interacțiunea clorurii de amoniu cu alcalii; B) descompunerea termică a clorurii de amoniu; D) toate răspunsurile de mai sus sunt corecte. 6. Scrieți ecuația pentru reacția amoniacului cu acidul sulfuric în raporturi molare 1:1 și 2:1. Sumele coeficienților din aceste reacții sunt A) 3 și 5; B) 3 și 4; B) 4 și 5; D) 5 și 6. A D A B B B

Proprietățile tehnologice ale amoniacului.

Amoniac (NH3) este un gaz incolor cu miros înțepător și punct de fierbere - 33,4˚Сși punctul de topire - 77,8˚С Amoniac foarte solubil în apă ( 750 litri pe litru de apă), solubilitate limitată în organic solvenți.

Când interacționează cu apa, amoniacul formează hidrați cu următoarea compoziție:

NH3H2OȘi NH32H20

O cantitate mică de molecule de amoniac dizolvate în apă se ionizează ca urmare a reacției:

NH 3 + H 2 O « NH 4 + + OH –

Gradul de disociere este 0,004.

Amoniacul lichid dizolvă metalele alcaline și alcalino-pământoase, fosforul, sulful, iodul și mulți alți compuși anorganici și organici.

La o temperatură de 1300 °C, amoniacul se disociază în azot și hidrogen:

2NH3=N2 + 3H2

Amoniacul uscat formează amestecuri explozive cu aerul, ale căror limite de explozie depind de temperatură.

Lume producție amoniac s-a ridicat la 1980 mai mult de un an 90 de milioane de tone.

Prima plantă asupra producției amoniac a fost permis să intre 1913 an cu productivitate 25 t pe zi.

Materia primă în producerea amoniacului este un amestec de azot-hidrogen (AHM) cu compoziția N 2:H 2 = 1:3. Resursele de azot din atmosferă sunt practic inepuizabile, astfel încât producția de amoniac este determinată în principal de metoda de producere a hidrogenului.

Figura 4.3. – Materii prime pentru producerea amoniacului.

Azot obţinut prin rectificarea (distilarea) aerului atmosferic lichefiat.

Hidrogen pentru sinteza amoniacului se pot obține:

1. separarea gazului de cuptor de cocs invers,

2. gazeificarea combustibilului solid,

3. conversia gazelor naturale (metan sau omologii săi gazoși),

4. conversia monoxidului de carbon cu vapori de apă,

5. cracarea metanului

6. electroliza sau descompunerea termică a apei

De importanță primordială sunt metodele de conversie a metanului și a monoxidului de carbon, precum și separarea gazului cuptorului de cocs.

Pentru planuri pe termen lung pentru utilizarea pe scară largă a hidrogenului în scopuri industriale și energetice, se plănuiește să-l producă pe scară largă din apă - cea mai ieftină materie primă, ale cărei rezerve sunt nelimitate. Metodele existente și în curs de dezvoltare pentru producerea hidrogenului din apă sunt împărțite în trei grupe:

1. electroliza apei

2. metode termochimice

3. metode combinate termo-electrochimice.

ELECTROLIZA este cea mai consacrată metodă de producere a hidrogenului din apă și este utilizată în prezent la scară mică atunci când este disponibilă electricitate ieftină. Procesele electrochimice se bazează pe conversia reciprocă a energiei electrice în energie chimică și invers. Avantajele proceselor electrochimice sunt simplitatea lor în proiectarea hardware, procesul tehnologic în stadiu scăzut, puritatea ridicată a produselor rezultate, realizabil prin metode chimice etc. Principalul dezavantaj al electrolizei este consumul mare de energie electrică, al cărui cost reprezintă ponderea principală în costul produselor - mai mult de 90%. În plus, în electroliza industrială a soluțiilor apoase, rata de utilizare a energiei nu este mai mare de 50-60%, ceea ce crește și mai mult costul produselor de electroliză. Atunci când se produce hidrogen prin electroliza apei, soluțiile apoase de acizi, alcaline sau săruri sunt utilizate ca electrolit, deoarece conductivitatea electrică a apei pure este neglijabilă - la 18 ° C conductibilitatea electrică specifică a apei este (2-6) × 10 -10 S × m -1. Cel mai adesea se folosesc electroliți alcalini, care sunt cei mai puțin agresivi pentru materialele de construcție ale electrolizoarelor. Degajarea hidrogenului are loc la catod în funcție de reacția:

2H2O + 2e - ® H2 + 2OH -

Eficiența totală a producției de hidrogen prin electroliza apei folosind electricitatea generată de o centrală nucleară nu este mai mare de 20-30%, iar acest lucru afectează negativ costul hidrogenului. Reducerea costului hidrogenului electrolitic poate fi realizată prin îmbunătățirea designului electrolizoarelor, reducerea costului acestora și, cel mai important, prin utilizarea energiei electrice ieftine. Ca o perspectivă principală, se ia în considerare posibilitatea de a alimenta electrolizoarele cu hidrogen cu energie „eșuată” din centralele nucleare, i.e. utilizarea energiei electrice în perioadele în care stațiile sunt subîncărcate, de exemplu, noaptea.

Metoda termochimică producerea de hidrogen se bazează pe descompunere apa care foloseste energie termica, care se presupune a fi obtinuta din reactoare nucleare racite cu heliu, folosind căldura gazului de răcire la ieșirea din reactor . Descompunerea directă a apei prin reacție

H2O «H2 + 0,5 O2 + D H

nu este fezabilă, deoarece la temperatura ridicată necesară pentru aceasta (aproximativ 1000 °C), constanta de echilibru a reacției este neglijabilă (10 -6). Implementarea procesului este posibilă prin înlocuirea reacției de descompunere directă a apei cu un ciclu termochimic format din mai multe etape, pentru fiecare dintre ele valorile constantei de echilibru ar fi acceptabile pentru practică. Au fost dezvoltate și propuse numeroase cicluri termochimice pentru descompunerea apei la temperaturi accesibile din punctul de vedere al utilizării căldurii gazelor de răcire ale reactoarelor nucleare. În majoritatea ciclurilor propuse, substanțele intermediare au o afinitate mare pentru hidrogen sau oxigen - acestea sunt halogeni, elemente din grupa IV (sulf), metale din grupa II (Mg, Ca. Ba) și elemente de tranziție cu stări variabile de oxidare (V). , Fe). Mai jos este un exemplu de ciclu termochimic de reacții care duc la descompunerea apei în H 2 și O 2:

Întregul ciclu termochimic de descompunere a apei este un ciclu închis, deoarece toți reactivii inițiali sunt separați de produșii de reacție și returnați la ciclu, cu excepția apei, care este cheltuită pentru formarea hidrogenului și oxigenului. Temperatura maximă de reacție nu depășește 700 °C și poate fi prevăzută cu un lichid de răcire la ieșirea reactorului lor nuclear la un nivel de 800 - 900 °C.

În prezent, niciunul dintre ciclurile termochimice propuse nu a fost încă implementat în industrie, iar eficiența ciclurilor, precum și calculele de cost pentru producerea hidrogenului prin această metodă, nu au fost încă determinate.

Metoda combinată de producere a hidrogenului constă în combinarea etapelor termo- şi electrochimice ale procesului. Avantajele așteptate ale metodei combinate sunt că pot fi utilizate avantajele fiecăreia dintre metodele luate în considerare: metoda electrochimică este bine stăpânită și are un design hardware simplu, în timp ce metoda termochimică este mai economică, dar este slab dezvoltată și include etape care sunt dificil de implementat industrial.

Un exemplu este ciclul combinat al acidului sulfuric pentru producerea hidrogenului și oxigenului din apă. Acesta este un proces în două etape care implică 2 etape

1. termochimic – reacție endotermă efectuată la 900 °C

H2SO4 = H2O + SO2 + ½ O2

2. proces electrochimic la temperatură joasă:

2H2O + SO2-2e- = H2 + H2SO4

Ultima reacție poate fi realizată numai prin electroliză, deoarece constanta sa de echilibru și randamentul teoretic de hidrogen sunt extrem de mici. Sursa de energie pentru instalația combinată poate fi un reactor nuclear cu gaz, care furnizează căldură reziduală fazei termochimice și energie electrică fazei electrochimice. Costurile estimate pentru o instalație combinată sunt mai mici decât pentru electroliza directă a apei. Eficiența totală a procesului ar trebui să fie de 35 – 37%. Potrivit experților, combinarea etapelor termochimice și electrochimice este cea mai promițătoare direcție pentru producția pe scară largă de hidrogen din apă.

Principal metodă primind hidrogen A pentru sinteza amoniac este conversie catalitică metan . Materii prime pentru această metodă este gazele naturale și asociate , conținând până la 90-98% metan .