Промышленное получение аммиака: Получение аммиака в промышленности и в лаборатории из азота

Содержание

Тест Получение аммиака по химии онлайн

Сложность: знаток.Последний раз тест пройден 14 часов назад.

Перед прохождением теста рекомендуем прочитать:
  1. Вопрос 1 из 5

    Какие условия необходимы для получения аммиака промышленным путём?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 60% ответили правильно
    • 60% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Следующий вопросОтветить
  2. Вопрос 2 из 5

    Что используется в качестве катализатора?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 77% ответили правильно
    • 77% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  3. Вопрос 3 из 5

    При какой реакции образуется аммиак?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 61% ответили правильно
    • 61% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  4. Вопрос 4 из 5

    Какой элемент способствует осушению аммиака?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы ответили лучше 56% участников
    • 44% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить
  5. Вопрос 5 из 5

    Что изготавливают из аммиака?

    • Правильный ответ
    • Неправильный ответ
    • Вы и еще 54% ответили правильно
    • 54% ответили правильно на этот вопрос

    В вопросе ошибка?

    Ответить

Доска почёта

Чтобы попасть сюда - пройдите тест.

Рейтинг теста

Средняя оценка: 3.5. Всего получено оценок: 163.

А какую оценку получите вы? Чтобы узнать - пройдите тест.

Производство аммиака в ЕГЭ по химии

Тема кодификатора ЕГЭ по химии: Общие научные принципы химического производства на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола.

В этой статье мы рассмотрим принципы химического производства на примере получения аммиака в объеме, достаточном для решения заданий по этой теме в ЕГЭ по химии.

В промышленности аммиак получают по методу Габера – прямым взаимодействием азота и водорода в реакционной колонне:

N2    +    3Н2    ⇄    2NH3

Реакция азота с водородом обратимая, экзотермическая, гомогенная (газофазная). Для увеличения выхода аммиака необходимо смещать равновесие в сторону продукта. Согласно принципу Ле-Шателье, для смещения равновесия вправо в данной реакции необходимо

повышать давление и понижать температуру. Однако низкая температура уменьшит скорость реакции.

Поэтому для повышения скорости реакции температура в процессе поддерживается все-таки высокой500-550оС и в присутствии катализатора.

А для смещения равновесия применяют очень высокие давления 15-30 МПа.

В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Рассмотрим процессы, протекающие на разных участках производства аммиака:

1 этап. Трубопровод. В трубопровод подается предварительно подготовленная азотно-водородная смесь (N22=1:3) в соотношении 1 к 3.

2 этап. Турбокомпрессор. Турбокомпрессор используется для сжатия исходной смеси газов с целью повышения давления. Синтез аммиака проводится при очень высоком давлении (

15-30 МПа, или 150-300 атм).

3 этап. Колонна синтеза. В колонне синтеза (контактном аппарате) производится синтез аммиака. Азотно-водородная смесь продавливается через  полки с катализатором. Процесс синтеза протекает обратимо (т.е. частично) и является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла. Часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание поступающей азотоводородной смеси с помощью теплообменников. Смесь, выходящая из колонны синтеза в холодильник, состоит из аммиака (20-30%) и не прорегировавших азота и водорода.

4 этап. Холодильник. В холодильнике реакционная смесь, которая выходит из колонны синтеза, охлаждается и направляется на дальнейшее разделение в сепаратор.

5 этап. Сепаратор. После прохождения холодильника температура реакционной смеси значительно снижается, и аммиак переходит в жидкую фазу. В сепараторе происходит разделение реакционной смеси, жидкий аммиак отделяют от азота и водорода и отправляют на склад.

6 этап. Циркуляционный насос. Циркуляционный насос возвращает не прореагировавшую смесь азота и водорода в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаѐтся довести использование азотводородной смеси  (конверсию) до 95%.

Аммиак: способы получения и химические свойства

 

Аммиак

 

Строение молекулы и физические свойства

 

В молекуле аммиака NH3 атом азота соединен тремя одинарными ковалентными полярными связями с атомами водорода:

Геометрическая форма молекулы аммиака — правильная треугольная пирамида. Валентный угол H-N-H составляет 107,3о:

 У атома азота в аммиаке на внешнем энергетическом уровне остается одна неподеленная электронная пара. Эта электронная пара оказывает значительное влиение на свойства аммиака, а также на его структуру. Электронная структура аммиака — тетраэдр , с атомом азота в центре:

Аммиак – бесцветный газ с резким характерным запахом. Ядовит. Весит меньше воздуха. Связь N-H — сильно полярная, поэтому между молекулами аммиака в жидкой фазе возникают водородные связи. При этом аммиак очень хорошо растворим в воде, т.к. молекулы аммиака образуют водородные связи с молекулами воды.

 

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поскольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например, аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

 

2NH4Cl    +  Са(OH)2   →   CaCl2  + 2NH3  +   2Н2O

 

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например, гидролиз нитрида кальция:

 

Ca3N2    +   6H2O  →  ЗСа(OH)2    +    2NH3

 

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

N2    +   3Н2    ⇄    2NH3

 

Процесс проводят при температуре 500-550оС и в присутствии катализатора.  Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака

можно прочитать здесь.

 

Химические свойства аммиака

 

1. В водном растворе аммиак проявляет основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H+), он превращается в ион аммония. Реакция может протекать и в водном растворе, и в газовой фазе:

:NH3   +   H2O    ⇄    NH4+   +   OH

 

Таким образом, среда водного раствора аммиака – щелочная. Однако аммиак – слабое основание. При 20 градусах один объем воды поглощает до 700 объемов аммиака.

Видеоопыт растворения аммиака в воде можно посмотреть здесь.

2. Как основание, аммиак взаимодействует с кислотами в растворе и в газовой фазе с образованием солей аммония.

Например, аммиак реагирует с серной кислотой с образованием либо кислой соли – гидросульфата аммония (при избытке кислоты), либо средней соли – сульфата аммония (при избытке аммиака):

 

NH3    +    H2SO4    →    NH4HSO4

2NH3   +   H2SO4    →   (NH4)2SO4

 

Еще один пример: аммиак взаимодействует с водным раствором углекислого газа с образованием карбонатов или гидрокарбонатов аммония:

 

NH3    +    H2O   + CO2  →    NH4HCO3

2NH3   +   H2O   + CO2    →   (NH4)2CO3

 

Видеоопыт взаимодействия аммиака с концентрированными кислотами – азотной, серной и и соляной можно посмотреть  здесь.

В газовой фазе аммиак реагирует с летучим хлороводородом. При этом образуется густой белый дым – это выделяется хлорид аммония. 

 

NH3   +   HCl  →   NH4

Cl

 

Видеоопыт взаимодействия аммиака с хлороводородом в газовой фазе (дым без огня) можно посмотреть здесь.

 

3. В качестве основания, водный раствор аммиака реагирует с растворами солей тяжелых металлов, образуя нерастворимые гидроксиды.

Например, водный раствор аммиака реагирует с сульфатом железа (II) с образованием сульфата аммония и гидроксида железа (II):

FeSO4  + 2NH3  + 2H2O  →  Fe(OH)2  + (NH4)2SO4

 

4. Соли и гидроксиды меди, никеля, серебра растворяются в избытке аммиака, образуя комплексные соединения – аминокомплексы.

Например, хлорид меди (II) реагирует с избытком аммиака с образованием хлорида тетрамминомеди (II):

4NH3    +  CuCl2  →  [Cu(NH3)4]Cl2

Гидроксид меди (II) растворяется в избытке аммиака:

4NH

3    +   Cu(OH)2   → [Cu(NH3)4](OH)2

 

5. Аммиак горит на воздухе, образуя азот и воду:

4NH3    +   3O2    →  2N2   +   6H2O

Если реакцию проводить в присутствии катализатора (Pt), то азот окисляется до NO:

4NH3    +   5O2    →    4NO  +   6H2O

 

6. За счет атомов водорода в степени окисления +1 аммиак может выступать в роли окислителя, например в реакциях с щелочными, щелочноземельными металлами, магнием и алюминием. С металлами реагирует только жидкий аммиак.

Например, жидкий аммиак реагирует с натрием с образованием амида натрия:

2NH3   +    2Na   →   2NaNH2   +  H2

 Также возможно образование Na2NHNa3N.

При взаимодействии аммиака с алюминием образуется нитрид алюминия:

2NH3    +   2Al   →   2AlN   +   3H2

 

7. За счет азота в степени окисления -3 аммиак проявляет восстановительные свойства. Может взаимодействовать с сильными окислителями — хлором, бромом, пероксидом водорода, пероксидами и оксидами некоторых металлов. При этом азот окисляется, как правило, до простого вещества.

Например, аммиак окисляется хлором до молекулярного азота:

2NH3    +   3Cl2    →  N2   +   6HCl

Пероксид водорода также окисляет аммиак до азота:

2NH3    +   3H2O2    →  N2   +   6H2O

Оксиды металлов, которые в электрохимическом ряду напряжений металлов расположены справа — сильные окислители. Поэтому они также окисляют аммиак до азота.

Например, оксид меди (II) окисляет аммиак:

2NH3    +   3CuO   →    3Cu   +   N2   +   3H2O

Получение аммиака в промышленности. Получение аммиака в лаборатории :: SYL.ru

На процесс производства оптимального количества химического вещества, а также достижения максимального его качества влияет ряд факторов. Получение аммиака зависит от показателей давления, температуры, наличия катализатора, используемых веществ и способа извлечения полученного материала. Эти параметры необходимо правильно сбалансировать для достижения наибольшей прибыли от производственного процесса.

Свойства аммиака

При комнатной температуре и нормальной влажности воздуха аммиак находится в газообразном состоянии и имеет очень отталкивающий запах. Он наделен ядовитым и раздражающим слизистые оболочки воздействием на организм. Получение и свойства аммиака зависят от участия в процессе воды, так как это вещество очень растворимо в нормальных характеристиках окружающей среды.

Аммиак является соединением водорода и азота. Его химическая формула – NH3.

Это химическое вещество выступает активным восстановителем, в результате горения которого выделяется свободный азот. Аммиак проявляет характеристики оснований и щелочей.

Реакция вещества с водой

При растворении NH3 в воде получают аммиачную воду. Максимально при обычной температуре можно растворить в 1 объеме водного элемента 700 объемов аммиака. Известно это вещество как нашатырный спирт и широко применяется в отрасли производства удобрений, в технологических установках.

Полученный путем растворения в воде NH3 по своим качествам частично ионизирован.

Нашатырный спирт используется в одном из методов лабораторного получения этого элемента.

Получение вещества в лаборатории

Первый метод получения аммиака заключается в доведении нашатырного спирта до кипения, после чего полученный пар осушают и собирают требуемое химическое соединение. Получение аммиака в лаборатории возможно также путем нагревания гашеной извести и твердого хлорида аммония.

Реакция получения аммиака имеет такой вид:

2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2NH3 + 2H2O

В ходе этой реакции выпадает осадок белого цвета. Это соль CaCl2, а еще образовывается вода и искомый аммиак. Для проведения осушения требуемого вещества его пропускают по смеси извести в сочетании с натром.

Получение аммиака в лаборатории не обеспечивает самую оптимальную технологию его производства в необходимых количествах. Люди много лет искали способы добычи вещества в промышленных масштабах.

Истоки налаживания технологий производства

На протяжении 1775-1780 годов были осуществлены опыты по связыванию свободных молекул азота из атмосферы. Шведский химик К. Шелле нашел реакцию, которая имела вид

Na2CO3 + 4C + N2 = 2NaCN + 3CO

На ее основе в 1895 году Н. Каро и А. Франк разработали метод связывания свободных молекул азота:

CaC2 + N2 = CaCN2 + C

Этот вариант требовал больших затрат энергии и был экономически невыгодным, поэтому со временем от него отказались.

Еще одним довольно затратным методом стал открытый английскими химиками Д. Пристли и Г. Кавендишем процесс взаимодействия молекул азота и кислорода:

N2 + O2 = 2NO

Рост потребности в аммиаке

В 1870 году это химическое вещество считалось нежелательным продуктом газовой промышленности и было практически бесполезным. Однако спустя 30 лет это оно стало очень востребованным в коксохимической отрасли.

Сначала возросшую потребность в аммиаке восполняли путем его выделения из каменного угля. Но при росте потребления вещества в 10 раз по поиску путей его добычи велась практическая работа. Получение аммиака стали внедрять с применением запасов атмосферного азота.

Потребность в веществах на основе азота наблюдалась практически во всех известных отраслях экономики.

Поиск путей удовлетворения промышленного спроса

Долгий путь прошло человечество к осуществлению уравнения производства вещества:

N2 + 3H2 = 2NH3

Получение аммиака в промышленности впервые удалось реализовать в 1913 году путем каталитического синтеза из водорода и азота. Способ открыт Ф. Габером в 1908 году.

Открытая технология разрешила давнюю проблему многих ученых разных стран. До этого момента не удавалось связать азот в виде NH3. Этот химический процесс получил название цианамидной реакции. При повышении температуры извести и углерода получалось вещество CaC2 (карбид кальция). Путем нагревания азота и добивались получения цианамида кальция CaCN2, из которого выделение аммиака проходило путем гидролиза.

Внедрение технологий для получения аммиака

Получение NH3 в глобальных масштабах промышленного потребления началось с покупки патента технологий Ф. Габера представителем Баденского содового завода А. Митташем. В начале 1911 года синтез аммиака на небольшой установке стал регулярным. К. Бош создал большой контактный аппарат, исходя из разработок Ф. Габера. Это было оригинальное оборудование, обеспечивающее процесс извлечения аммиака путем синтеза в производственном масштабе. К. Бош взял на себя все руководство по данному вопросу.

Экономия энергозатрат предполагала участие в реакциях синтеза определенных катализаторов.

Группа ученых, работающая над поиском подходящих составляющих, предложила следующее: железный катализатор, в который добавлялись оксиды калия и алюминия и который поныне считается одним из наилучших, обеспечивающих получение аммиака в промышленности.

9.09.1913 начал свою работу первый в мире завод, применяющий технологию каталитического синтеза. Постепенно наращивались производственные мощности, и к концу 1917 года вырабатывалось 7 тыс. т аммиака за месяц. В первый год работы завода этот показатель составлял всего 300 т в месяц.

Впоследствии во всех других странах тоже стали применять технологию синтеза с применением катализаторов, которая по своей сути не очень отличалась от техники Габера - Боша. Применение высокого давления и циркуляционных процессов происходило в любом технологическом процессе.

Внедрение синтеза в России

В России также применялся синтез с применением катализаторов, обеспечивающих получение аммиака. Реакция имеет такой вид:

N2 + 3H2 ↔ 2 NH3↑ + 45,9 кДж

В России самый первый завод аммиачного синтеза начал свою работу в 1928 году в Чернореченске, а далее были построены производства во многих других городах.

Практическая работа по получению аммиака постоянно набирает обороты. В период с 1960 по 1970 год синтез увеличился почти в 7 раз.

В стране для успешного получения, собирания и распознавания аммиака используют смешанные каталитические вещества. Изучение их состава осуществляет группа ученых под предводительством С. С. Лачинова. Именно эта группа нашла наиболее эффективные материалы для технологии осуществления синтеза.

Также постоянно ведутся исследования кинетики процесса. Научные разработки в этой области вели М. И. Темкин, а также его сотрудники. В 1938 году этот ученый вместе со своим коллегой В. М. Пыжевым сделал важное открытие, совершенствуя получение аммиака. Уравнение кинетики синтеза, составленное этими химиками, применяется отныне по всему миру.

Современный процесс синтеза

Процесс получения аммиака при помощи катализатора, применяемый в сегодняшнем производстве, имеет обратимый характер. Поэтому очень актуальным является вопрос оптимального уровня воздействия показателей на достижение максимального выхода продукции.

Процесс протекает при высокой температуре: 400-500 ˚С. Для обеспечения необходимой скорости прохождения реакции применяется катализатор. Современное получение NH3 предполагает использование высокого давления - около 100-300 атм.

Совместно с применением циркуляционной системы можно получить достаточно большую массу превращенных в аммиак первоначальных материалов.

Современное производство

Система работы любого аммиачного завода достаточно сложная и содержит в себе нескольких этапов. Технология получения искомого вещества осуществляется в 6 этапов. В процессе проведения синтеза происходит получение, собирание и распознавание аммиака.

Первоначальная стадия заключается в извлечении серы из природного газа при помощи десульфуратора. Эта манипуляция требуется вследствие того, что сера является каталитическим ядом и убивает никелевый катализатор еще на стадии извлечения водорода.

На втором этапе проходит конверсия метана, которая протекает с применением высокой температуры и давления при использовании никелевого катализатора.

На третьей стадии случается частичное выгорание водорода в кислороде воздуха. В результате производится смесь водяного пара, оксида углерода, а также азота.

На четвертом этапе происходит реакция сдвига, которая проходит при различных катализаторах и двух отличных температурных режимах. Первоначально применяется Fe3O4, и процесс протекает при температуре 400 ˚С. Во второй стадии участвует более эффективный по своему воздействию медный катализатор, что позволяет осуществление производства при низких температурах.

Следующая пятая стадия предполагает избавление от ненужного оксида углерода (VI) из смеси газа путем применения технологии поглощения раствором щелочи.

На завершающем этапе оксид углерода (II) удаляется при использовании реакции конверсии водорода в метан через никелевый катализатор и большую температуру.

Полученная в результате всех манипуляций смесь газа содержит 75 % водорода и 25 % азота. Ее сжимают под большим давлением, а затем остужают.

Именно эти манипуляции описывает формула выделения аммиака:

N2 + 3H2 ↔ 2 NH3↑ + 45,9 кДж

Хоть этот процесс выглядит не очень сложным, однако все вышеперечисленные действия по ее осуществлению говорят о сложности получения аммиака в промышленном масштабе.

На качество конечного продукта влияет отсутствие в сырье примесей.

Пройдя долгий путь от небольшого лабораторного опыта до масштабного производства, получение аммиака на сегодняшний день является востребованной и незаменимой отраслью химической промышленности. Этот процесс постоянно совершенствуется, обеспечивая качество, экономичность и необходимое количество продукта для каждой ячейки народного хозяйства.

это нашатырный спирт. Формула, свойства и применение аммиака :: SYL.ru

Аммиак – это летучее водородное соединение (нитрид водорода), которое играет ведущую роль в современной промышленности.

Хоть его и открыли лишь в восемнадцатом веке, но он был известен человеку с незапамятных времен. Водный раствор аммиака – это нашатырный спирт. Данное вещество содержится в продуктах разложения живых организмов и моче. Поэтому при распаде органики (останков растений, животных) выделяется аммиак, и от этого появляется резкий запах гниения (нашатыря).

История аммиака

Аммиак был открыт в конце восемнадцатого века британским химиком Джозефом Пристли – одним из основоположников современной химии, который совершил также множество важных открытий в других сферах науки (физике, биологии, оптике).

Например, в списках его изобретений есть: газированная вода, за которую он получил медаль Лондонского Королевского общества, и всем известный ластик (раньше для стирания графита все пользовались хлебом).

Нельзя отрицать того, что Джозеф Пристли сделал огромный вклад в химию, особенно в области газов, однако многие свои достижения он совершил случайно.

Джозеф Пристли получил аммиак методом нагревания хлорида аммония (нашатырь) с гидроксидом кальция (гашеная известь) и затем собрал выделившийся газ в ртутной ванной.

Ртутная ванная – это специальный прибор, созданный Пристли для концентрирования газов. При комнатной температуре ртуть является жидкостью с высокой плотностью, что не позволяет ей абсорбировать газы. Их ученый легко выделял из веществ, нагревая над поверхностью ртути.

Уравнение аммиака:

2NH4Cl + Ca(OH)2 = NH3 + CaCl2.

После открытия Джозефом Пристли аммиака, его изучение не стояло на месте.

В 1784 был установлен состав этого вещества химиком Луи Бертолле, который разложил его на исходные элементы электрическим разрядом.

Именование "нашатырь" он получил уже в 1787 году от латинского названия нашатырной щелочи, а само наименование "аммиак", которым мы привыкли пользоваться, ввел Яков Дмитриевич Захаров в 1801 году.

Но вот что интересно. За сто лет до Джозефа Пристли и его открытия аммиака, ученый Роберт Бойль наблюдал некое явление, при котором палочка, предварительно смоченная в соляной кислоте, начинала дымить, когда ее подносили к газу, выделяющемуся при сжигании навоза. Это объясняется тем, что кислота и аммиак вступали в реакцию, и в ее продуктах содержался хлорид аммония, частицы которого и создавали дым. Получается, что экспериментальными методами аммиак был выявлен давно, но его нахождение в мире было доказано намного позже.

Состав молекулы

Молекула аммиака (NH3) имеет форму тетраэдра с атомом азота в вершине. В ней находятся четыре электронных облака, которые перекрываются вдоль линии связи, следовательно, в молекуле содержатся исключительно сигма-связи. По сравнению с водородом азот имеет большую электроотрицательность, поэтому общие электронные пары в молекуле смещены в его сторону. И так как в аммиаке везде одинарные связи, то тип гибридизации – sp3, а угол между электронными облаками равен 109 градусам.

Способы получения

В мире ежегодно производится около 100 миллионов тонн аммиака, поэтому этот процесс можно по праву считать одним из важнейших в мире. Выпускают его в жидком виде или как двадцати пяти процентный раствор.

Существуют следующие способы его получения:

1. В промышленности аммиак добывают посредством синтеза азота и водорода, что сопровождается выделением тепла. Причем данная реакция может проходить лишь при высокой температуре, давлении и в присутствии катализатора, который, ускоряя слабую реакцию, сам в нее не вступает.

Уравнение реакции аммиака:

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q

2. Можно получить аммиак во время коксования каменного угля.

На самом деле в угле нет никакого аммиака, но в нем присутствует много органических соединений, в составе которых содержатся азот и водород. А при сильном нагревании угля (пиролизе) эти составляющие и образуют аммиак, который выходит как побочный продукт.

3. В лаборатории аммиак добывают нагреванием хлорида аммония и гидроксида кальция:

2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O

4. Или нагреванием хлорида аммония с концентрированной щелочью:

NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3↑ + H2O

Применение

Аммиак – это незаменимое и действительно нужное вещество, без которого мировая промышленность замедлила бы свое движение. Область его применения широка: он задействован во всех производственных процессах человека, начиная от заводов и лабораторий, заканчивая медициной. Его преимущества в том, что он экологически чист и является довольно дешевым продуктом.

Области применения аммиака:

  1. Химическая промышленность. Его используют в производстве удобрений, полимеров, азотной кислоты, взрывчатых веществ, в качестве растворителя (жидкий аммиак).
  2. Холодильные установки. Аммиак испаряется с поглощением большого количества тепла из окружающей среды, так как обладает определенными термодинамическими свойствами. Холодильные системы, основанные на его применении более чем эффективны, поэтому он является главным хладагентом в промышленности.
  3. Медицина. Нашатырный спирт или 10 % раствор аммиака используют при выведении из обморочного состояния (раздражение рецепторов слизистой оболочки носа способствует стимуляции дыхания), обработке рук хирурга, возбуждении рвоты и так далее.
  4. Текстильная промышленность. С его помощью получают синтетические волокна. Также аммиак используют при очистке или окрашивании различных тканей.

Физические свойства

Вот какие физические свойства присущи аммиаку:

  1. При нормальных условиях является газом.
  2. Бесцветный.
  3. Имеет резкий запах.
  4. Ядовит и очень токсичен.
  5. Очень хорошо растворим в воде (один объем воды на семьсот объемов аммиака) и ряде органических веществ.
  6. Температура плавления составляет -80 °С.
  7. Температура кипения – около -36 °С.
  8. Является взрывоопасным и горючим веществом.
  9. Примерно вдвое легче воздуха.
  10. Имеет молекулярную кристаллическую решетку, соответственно, он легкоплавкий и непрочный.
  11. Молярная масса аммиака равна 17 грамм/моль.
  12. При нагревании в кислородной среде разлагается на воду и азот.

Химические свойства аммиака

Аммиак является сильным восстановителем, так как степень окисления азота в молекуле минимальная. Он способен также к окислительным свойствам, что случается намного реже.

Реакции с аммиаком:

  • С кислотами аммиак образует соли аммония, разлагающиеся при нагревании. С соляной кислотой аммиак составляет хлорид аммония, а с серной - сульфат аммония.

NH3 + HCL = NH4CL

NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4

  • С кислородом при нагревании образуется азот, а при участии катализатора (Pt) получается оксид азота.

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O

  • С водой образуется неустойчивый гидрат аммиака.

NH3 + H2O = NH3 × H2O

Аммиак способен проявлять щелочные свойства, поэтому при взаимодействии с водой он образует слабое основание – NH4OH. Но на самом деле такого соединения не существует, поэтому формулу следует записывать так: NH3 × H2O.

2NH3 + 3CuO = 3Cu + N2 + 3H2O

8NH3 + 3Cl2 =N2 + 6NH4Cl

  • С солями металлов.

3NH3 + ЗН2О + AlCl3 = Al(OH)3↓ + 3NH4Cl

Соединения аммиака

Есть несколько типов сложных веществ, образующихся при взаимодействии с аммиаком:

  1. Соли аммония. Они образуются в результате реакций аммиака с кислотами и разлагаются при нагревании.
  2. Амиды. Это соли, которые получают, действуя на щелочные металлы аммиаком.
  3. Гидразин. Это вещество, которое получают в результате окисления аммиака гипохлоритом натрия в присутствии желатина.
  4. Амины. Аммиак взаимодействует с галогеноалканами в качестве реакции присоединения, образуя соли.
  5. Аммиакаты. С серебром и солями меди аммиак образует комплексные соли.

Биологическая роль

Аммиак - вещество, образующееся в организмах живых существ при метаболизме, являющееся в них продуктом азотистого обмена. В физиологии животных для него отведена важная роль, однако он имеет высокую токсичность для организмов и почти не содержится в них в чистом виде. Большая его часть перерабатывается печенью в безвредное вещество – мочевину или как ее еще называют карбамид.

Также он способствует нейтрализации кислот поступающих в организм с пищей, поддерживая кислотно-щелочной баланс крови.

Аммиак – это важный источник азота для растений. Главным образом они поглощают его из почвы, но это очень трудоемкий и неэффективный процесс. Некоторые растения способны накапливать азот, который содержится в атмосфере, с помощью специальных ферментов – нитрогеназов. После чего они перерабатывают азот в полезные им соединения, например, белки и аминокислоты.

Агрегатные состояния

Аммиак может находиться в разных агрегатных состояниях:

  1. Он присутствует в виде бесцветного газа с неприятным резким запахом в нормальных условиях.
  2. Также он очень хорошо может растворяться в воде, поэтому его можно хранить в виде водного раствора с определенной концентрацией. Он сжижается и становится жидкостью в результате давления и сильного охлаждения.
  3. Аммиак имеет твердое состояние, в котором он предстает бесцветными кубическими кристаллами.

Отравление аммиаком

Как уже выше упоминалось, аммиак – это крайне токсичное и ядовитое вещество. Его относят к четвертому классу опасности.

Отравление этим газом сопровождается нарушением многих процессов организма:

  • Сначала поражается нервная система и снижается усвоение кислорода нервными клетками.
  • При проникновении в глотку, затем трахею и бронхи аммиак оседает на слизистых покровах, растворяется, образуя щелочь, которая начинает пагубно действовать на организм, вызывая внутренние ожоги, разрушая ткани и клетки.
  • Это вещество также оказывает разрушающее воздействие на жировые компоненты, которые в том или ином виде входят в состав всех органов человека.
  • Попадают под влияние сердечно-сосудистая и эндокринная система, нарушается их работа.

После контакта с аммиаком страдает почти весь организм человека, его внутренние ткани и органы, ухудшается процесс жизнедеятельности.

Чаще всего случаи отравления этим газом происходят на химических производствах в результате его утечки, но также можно им отравиться и в домашних условиях, например, если емкость, в которой содержится нашатырный спирт, неплотно закрыта, и его пары накапливаются в помещении.

Отравление может произойти, даже когда при обморочном состоянии человеку подносят к носу тампон, смоченный в нашатыре. Если пострадавшему дать понюхать его более пяти секунд, то высок риск интоксикации, так что с нашатырным спиртом всегда следует обращаться предельно осторожно.

Симптомы отравления

Ниже перечислен ряд признаков отравления аммиаком:

  1. Сильный кашель, затруднение дыхания.
  2. Жжение в глазах, слезоточивость, болевая реакция на яркий свет.
  3. Жжение в полости рта и носоглотке.
  4. Головокружение, головная боль.
  5. Боли в животе, рвота.
  6. Снижение слухового порога.
  7. При более серьезном отравлении возможны: потеря сознания, судороги, остановка дыхания, острая сердечная недостаточность. Совокупность нарушений может привести пострадавшего в коматозное состояние.

Профилактика при отравлении

Первая помощь в данном случае состоит из нескольких простых действий. Сначала необходимо вынести пострадавшего на свежий воздух, промыть ему лицо и глаза проточной водой. Даже те, кто был не очень хорош в химии, со школы знают: щелочь нейтрализуется кислотой, поэтому ротовую полость и нос нужно обязательно промыть водой с добавлением лимонного сока или уксуса.

Если отравившийся потерял сознание, следует уложить его на бок на случай рвоты, а при остановке пульса и дыхания сделать массаж сердца и искусственное дыхание.

Последствия отравления

После интоксикации аммиаком человека могут ждать очень серьезные необратимые последствия. В первую очередь страдает центральная нервная система, что влечет за собой целый ряд осложнений:

  • Мозг перестает полностью выполнять свои функции и начинает давать сбои, из-за этого снижается интеллект, появляются психические заболевания, амнезия, нервные тики.
  • Понижается чувствительность некоторых частей тела.
  • Нарушается работа вестибулярного аппарата. Из-за этого человек ощущает постоянное головокружение.
  • Органы слуха начинают терять свою работоспособность, что приводит к глухоте.
  • При поражении глазных покровов снижается зрение и его острота, в худшем случае пострадавшего ждет слепота.
  • Наступление летального исхода. Это зависит от того, насколько концентрация газа в воздухе была высокой и сколько паров аммиака попало в организм.

Знать и соблюдать предписанные меры безопасности - значит оградить себя от риска угрозы собственной жизни или худшей участи - инвалидности, потери слуха или зрения.

Современный процесс производства аммиака.


Современный процесс получения аммиака основан на его синтезе из азота и водорода при температурах 380 - 450 0C и давлении 250 атм с использованием железного катализатора:

N2 (г.) + 3h3 (г.) = 2Nh4 (г.)

Азот получают из воздуха. Водород получают восстановлением воды (пара) с помощью метана из природного газа либо из лигроина. Лигроин (нафта) представляет собой жидкую смесь алифатических углеводородов, которая получается при переработке сырой нефти (см. гл. 18).

Работа современного аммиачного завода очень сложна. На рис. 7.2 показана упрощенная схема действия аммиачного завода, работающего на природном газе. Эта схема действия включает восемь стадий.

1-я стадия. Удаление серы из природного газа. Это необходимо, поскольку сера представляет собой каталитический яд (см. разд. 9.2).

2-я стадия. Получение водорода восстановлением пара при 750 0C и давлении 30 атм с помощью никелевого катализатора:

Ch5 (г.) + h3O (г.) = СО (г.) + ЗН 2 (г.)

3-я стадия. Впуск воздуха и сгорание части водорода в кислороде вводимого воздуха:

2h3 (г.) + O2 (г.) = 2h3O (г.) В результате получается смесь водяного пара, моноксида углерода и азота. Водяной пар восстанавливается с образованием водорода, как на 2-й стадии.

4-я стадия. Окисление моноксида углерода, образующегося на стадиях 2 и 3, до диоксида углерода по следующей реакции «сдвига»: СО (г.) + h3O (г.) = CO2 (г.) + h3 (г.)

Этот процесс проводится в двух «реакторах сдвига». В первом из них используется катализатор из оксида железа и процесс проводится при температуре порядка 400 0C Во втором используется медный катализатор и процесс проводится при температуре 220°С.


5-я стадия. Вымывание диоксида углерода из газовой смеси при помощи буферного щелочного раствора карбоната калия или раствора какого-либо амина, например этаноламина Nh3Ch3Ch3OH. Диоксид углерода в конце концов сжижают и используют для производства мочевины, либо выпускают в атмосферу.

6-я стадия. После 4-й стадии в газовой смеси остается еще около 0,3% моноксида углерода. Поскольку он может отравлять железный катализатор во время синтеза аммиака (на 8-й стадии), моноксид углерода удаляют путем конверсии водородом в метан на никелевом катализаторе при температуре 325°С.

7-я стадия. Газовую смесь, которая теперь содержит приблизительно 74% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; при этом ее давление возрастает от 25-30 атм до 200 атм. Поскольку это приводит к повышению температуры смеси, ее сразу же после сжатия охлаждают.


8-я стадия. Газ из компрессора поступает теперь в «цикл синтеза аммиака». Схема, приведенная на рис. 7.2, дает упрощенное представление об этой стадии. Сначала газовая смесь попадает в каталитический конвертер, в котором используется железный катализатор и поддерживается температура 380-450°С. Газовая смесь, выходящая из этого конвертера, содержит не более 15% аммиака. Затем аммиак сжижают и направляют в приемный бункер, а непрореагировавшие газы возвращают в конвертер.

 

 

Оглавление:


ПРОМЫШЛЕННОСТЬ АММИАКА

В конце 2018 года компания

Fertilizers Europe опубликовала важный отчет, в котором исследуются ключевые факторы развития индустрии удобрений и описываются «вероятные события, ожидаемые в период до 2030 года». Эти разработки включают производство «возможно 10%» европейского аммиака из возобновляемой электроэнергии с использованием электролизеров для производства возобновляемого водородного сырья. Это потребует увеличения мощности по производству зеленого аммиака до более чем миллиона тонн в год в течение десяти лет.

В отчете Feeding Life 2030 также описывается политическая основа, необходимая для «поддержания Видения». В этом видении аммиак находится «на перекрестке питания и энергии» и признан «недостающим звеном» в грядущей трансформации энергии ».

Подробнее

Один из самых интересных вопросов, оставшихся без ответа, относительно зеленого аммиака: а как насчет мочевины?

В прошлом месяце крупное заявление компании Stamicarbon («мировой лидер в области проектирования, лицензирования и разработки установок по производству карбамида») подразумевает ответ: в долгосрочном контексте изменения климата использование мочевины в качестве удобрения может быть просто поэтапным. из.

Stamicarbon объявил о своей новой программе инноваций на мероприятии «День будущего» в Утрехте в апреле. Его инновационная программа охватывает три области: специальные удобрения, цифровизация и «Возобновляемое производство удобрений (использование энергии ветра или солнца для производства удобрений)».

Подробнее

Haldor Topsoe значительно улучшил краткосрочные перспективы производства зеленого аммиака, объявив о демонстрации своей установки синтеза аммиака нового поколения.В этой технологии используется твердооксидная электролизная ячейка для производства синтез-газа (водорода и азота), который питает существующую технологию Haldor Topsoe: завод Haber-Bosch. Продукт представляет собой аммиак, полученный из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии.

Проект «SOC4Nh4» недавно получил финансирование от Датского энергетического агентства, что позволило Haldor Topsoe продемонстрировать систему со своими академическими партнерами и подготовить технико-экономическое обоснование для небольшой экспериментальной установки по производству зеленого аммиака промышленного масштаба, которую она надеется построить. к 2025 г.У этой технологии есть два аспекта, которые делают ее настолько важной: надежность и эффективность.

Подробнее

На этой неделе Yara объявила о значительном прогрессе в производстве «зеленого аммиака» на своем заводе в Пилбаре, Австралия. Его новым партнером в этом проекте является ENGIE, глобальная группа по энергетике и услугам, которая в прошлом году взяла на себя серьезное обязательство по развитию крупномасштабных проектов по возобновляемым водородам.

Я впервые сообщил о планах Yara по демонстрации солнечного аммиака на заводе в Пилбара в сентябре 2017 года.Объявление на этой неделе означает, что проект Pilbara перешел на следующий этап технико-экономического обоснования. Тем не менее, основные элементы проекта уже были спроектированы и построены: во время планового ремонта в прошлом году для технического обслуживания завода была завершена врезка водородных трубопроводов, а это означает, что установка Haber-Bosch готова напрямую получать водород, как только Электролизер построен для снабжения его возобновляемым сырьем.

Подробнее

В прошлом году компания Yara Sluiskil в Нидерландах модернизировала свой существующий завод по производству аммиака, подключив водородный трубопровод, тем самым уменьшив свою зависимость от ископаемого топлива.Трубопровод был введен в эксплуатацию в октябре 2018 года и теперь «обеспечивает эффективную и безопасную транспортировку водорода», который ранее являлся отходом на соседней установке крекинга этилена Dow. Уже сейчас проект «обеспечивает сокращение выбросов CO2 на 10 000 тонн» и снижение энергопотребления на «0,15 петаджоулей (ПДж) в год».

Это, возможно, первая модернизация установки по декарбонизации аммиака, и она показывает, что сегодня возможно и доступно сократить выбросы от существующих заводов по производству аммиака.

Подробнее

Устойчивый аммиак - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ АММИАКА

В конце 2018 года компания

Fertilizers Europe опубликовала важный отчет, в котором исследуются ключевые факторы развития индустрии удобрений и описываются «вероятные события, ожидаемые в период до 2030 года». Эти разработки включают производство «возможно 10%» европейского аммиака из возобновляемой электроэнергии с использованием электролизеров для производства возобновляемого водородного сырья. Это потребует увеличения мощности по производству зеленого аммиака до более чем миллиона тонн в год в течение десяти лет.

В отчете Feeding Life 2030 также описывается политическая основа, необходимая для «поддержания Видения». В этом видении аммиак находится «на перекрестке питания и энергии» и признан «недостающим звеном» в грядущей трансформации энергии ».

Подробнее

Один из самых интересных вопросов, оставшихся без ответа, относительно зеленого аммиака: а как насчет мочевины?

В прошлом месяце крупное заявление компании Stamicarbon («мировой лидер в области проектирования, лицензирования и разработки установок по производству карбамида») подразумевает ответ: в долгосрочном контексте изменения климата использование мочевины в качестве удобрения может быть просто поэтапным. из.

Stamicarbon объявил о своей новой программе инноваций на мероприятии «День будущего» в Утрехте в апреле. Его инновационная программа охватывает три области: специальные удобрения, цифровизация и «Возобновляемое производство удобрений (использование энергии ветра или солнца для производства удобрений)».

Подробнее

Haldor Topsoe значительно улучшил краткосрочные перспективы производства зеленого аммиака, объявив о демонстрации своей установки синтеза аммиака нового поколения.В этой технологии используется твердооксидная электролизная ячейка для производства синтез-газа (водорода и азота), который питает существующую технологию Haldor Topsoe: завод Haber-Bosch. Продукт представляет собой аммиак, полученный из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии.

Проект «SOC4Nh4» недавно получил финансирование от Датского энергетического агентства, что позволило Haldor Topsoe продемонстрировать систему со своими академическими партнерами и подготовить технико-экономическое обоснование для небольшой экспериментальной установки по производству зеленого аммиака промышленного масштаба, которую она надеется построить. к 2025 г.У этой технологии есть два аспекта, которые делают ее настолько важной: надежность и эффективность.

Подробнее

На этой неделе Yara объявила о значительном прогрессе в производстве «зеленого аммиака» на своем заводе в Пилбаре, Австралия. Его новым партнером в этом проекте является ENGIE, глобальная группа по энергетике и услугам, которая в прошлом году взяла на себя серьезное обязательство по развитию крупномасштабных проектов по возобновляемым водородам.

Я впервые сообщил о планах Yara по демонстрации солнечного аммиака на заводе в Пилбара в сентябре 2017 года.Объявление на этой неделе означает, что проект Pilbara перешел на следующий этап технико-экономического обоснования. Тем не менее, основные элементы проекта уже были спроектированы и построены: во время планового ремонта в прошлом году для технического обслуживания завода была завершена врезка водородных трубопроводов, а это означает, что установка Haber-Bosch готова напрямую получать водород, как только Электролизер построен для снабжения его возобновляемым сырьем.

Подробнее

В прошлом году компания Yara Sluiskil в Нидерландах модернизировала свой существующий завод по производству аммиака, подключив водородный трубопровод, тем самым уменьшив свою зависимость от ископаемого топлива.Трубопровод был введен в эксплуатацию в октябре 2018 года и теперь «обеспечивает эффективную и безопасную транспортировку водорода», который ранее являлся отходом на соседней установке крекинга этилена Dow. Уже сейчас проект «обеспечивает сокращение выбросов CO2 на 10 000 тонн» и снижение энергопотребления на «0,15 петаджоулей (ПДж) в год».

Это, возможно, первая модернизация установки по декарбонизации аммиака, и она показывает, что сегодня возможно и доступно сократить выбросы от существующих заводов по производству аммиака.

Подробнее

Введение в производство аммиака | AIChE

Аммиак имеет решающее значение при производстве удобрений и является одним из крупнейших синтетических химикатов, производимых в мире. В этой статье исследуется эволюция производства аммиака и описываются современные производственные технологии.

У большинства людей резкий запах аммиака (NH 3 ) ассоциируется с чистящими средствами или нюхательными солями. Однако использование аммиака в этих двух продуктах составляет лишь небольшую долю от общего мирового производства аммиака, которое в 2014 году составляло около 176 миллионов метрических тонн (1) .Чтобы оценить, где сегодня находятся промышленность и технологии, давайте сначала посмотрим, как мы к этому пришли.

Аммиак известен более 200 лет. Джозеф Пристли, английский химик, впервые выделил газообразный аммиак в 1774 году. Его состав был установлен французским химиком Клодом Луи Бертолле в 1785 году. В 1898 году Адольф Франк и Никодем Каро обнаружили, что N 2 может быть закреплен карбидом кальция с образованием кальция. цианамид, который затем может быть гидролизован водой с образованием аммиака (2) :

CaO + 3C ↔ CaC 2 + CO

CaC 2 + N 2 ↔ CaCN 2 + C

CaCN 2 + 3H 2 O ↔ CaCO 3 + 2NH 3

Производство значительных количеств аммиака с использованием цианамидного процесса не происходило до начала 20 века.Поскольку этот процесс требовал большого количества энергии, ученые сосредоточили свои усилия на снижении потребности в энергии.

Немецкий химик Фриц Габер выполнил некоторые из важнейших работ в развитии современной аммиачной промышленности. Работа со студентом в Univ. Карлсруэ, он синтезировал аммиак в лаборатории из N 2 и H 2 .

Между тем, Вальтер Нернст, профессор физической химии Univ. of Berlin, разработала процесс получения аммиака путем пропускания смеси N 2 и H 2 через железный катализатор при 1000 ° C и давлении 75 бар изб.Он смог произвести большее количество аммиака при этом давлении, чем более ранние эксперименты Габера и других при атмосферном давлении. Однако Нернст пришел к выводу, что этот процесс неосуществим, потому что было трудно или почти невозможно (в то время) производить большое оборудование, способное работать при таком давлении.

Тем не менее, и Хабер, и Нернст использовали путь высокого давления для производства аммиака над катализатором. Наконец, Габер разработал способ производства аммиака в промышленных количествах, и в 1906 году ему удалось добиться 6% концентрации аммиака в реакторе, загруженном осмиевым катализатором.Это общепризнано как поворотный момент в разработке практического процесса производства аммиака в промышленных количествах.

Хабер понял, что количество аммиака, образующегося за один проход через конвертер, слишком мало, чтобы представлять коммерческий интерес. Чтобы производить больше аммиака из подпиточного газа, он предложил систему рециркуляции и получил патент на эту концепцию. Идея рециркуляции Хабера изменила восприятие технологического процесса как статичного в пользу более динамичного подхода.Помимо равновесия химической реакции, Габер признал, что определяющим фактором была скорость реакции. Вместо простого выхода в прямоточном процессе он сосредоточился на пространственно-временном выходе в системе с рециклом.

BASF приобрела патенты Хабера и начала разработку коммерческого процесса. После испытаний более 2500 различных катализаторов Карл Бош, Алвин Митташ и другие химики BASF в 1910 году разработали катализатор на основе активированного железа для производства аммиака. Разработка оборудования, способного выдерживать необходимые высокие температуры и давление, была еще более сложной задачей.Первый реактор из мягкой стали проработал всего 80 часов до отказа из-за декарбонизации. Футеровка реакторов из мягкой стали мягким чугуном (который не подвержен обезуглероживанию) и добавление канавок между двумя вкладышами для выпуска водорода, который диффундировал через вкладыш из мягкого железа, решили эту проблему. Другие основные проблемы включали разработку теплообменника для доведения входящего газа до температуры реакции и охлаждения выходящего газа, а также разработку метода доведения катализатора до температуры реакции.

Первая промышленная установка по производству аммиака, основанная на процессе Хабера-Боша, была построена BASF в Оппау, Германия. Завод был введен в эксплуатацию 9 сентября 1913 года, его производственная мощность составляла 30 т / сутки.

Рисунок 1. Это упрощенная технологическая схема первого промышленного аммиачного завода BASF.

На рис. 1 представлена ​​технологическая схема первого завода по производству аммиака. Реактор содержал внутренний теплообменник в дополнение к теплообменникам, показанным на схеме.

Мировые темпы производства

Рисунок 2. Мировое производство аммиака неуклонно росло с 1946 по 2014 год.

Производство аммиака стало одной из самых важных отраслей в мире. Без урожая, который стал бы возможным благодаря аммиачным удобрениям и химикатам, население мира было бы по крайней мере на два-три миллиарда меньше, чем сегодня (3) . Производство аммиака неуклонно росло с 1946 года (рис. 2), и, по оценкам, годовое производство аммиака составляет более 100 миллиардов долларов, при этом некоторые заводы производят более 3000 кубометров.т. / сут. NH 3 .

В 1983 году по случаю 75-летия основания AIChE группа выдающихся инженеров-химиков с голубой лентой назвала то, что они считали десятью величайшими достижениями химической инженерии в мире (4) . Цитата, охватывающая такие подвиги, как чудо-лекарства, синтетические волокна и атомная энергия, также включала прорыв, который позволил производить большие количества аммиака на компактных, единичных установках.

За последние десятилетия инженерам-химикам удалось создать процессы, позволяющие производить огромное количество аммиака при относительно низких затратах.Еще 80 лет назад общее годовое производство синтезированного аммиака составляло чуть более 300 000 мт. Благодаря достижениям химического машиностроения один современный завод по производству аммиака может производить более 750 000 т / год.

Приблизительно 88% аммиака, производимого ежегодно, расходуется на производство удобрений. Большая часть остатка идет на производство формальдегида. Китай произвел около 32,6% мирового производства в 2014 году, в то время как Россия, Индия и США произвели 8,1%, 7,6% и 6%.4%, соответственно (1) . Хотя большая часть мирового производства аммиака основана на паровой конверсии природного газа, значительные его объемы производятся путем газификации угля; большая часть заводов по газификации находится в Китае.

Современные производственные процессы

Колоссальный рост спроса на аммиак с 1950 по 1980 год потребовал более крупных и энергоэффективных заводов. В те десятилетия также произошли изменения в философии дизайна. До этого аммиачный завод рассматривался как совокупность не связанных между собой единиц, таких как подготовка газа, очистка газа, сжатие газа и синтез аммиака.Новые инновации и единый дизайн связали технологические единицы наиболее эффективным и действенным образом.

Рис. 3. Компания KBR спроектировала один из первых крупнотоннажных аммиачных заводов с одной технологией.

В середине 1960-х годов American Oil Co. установила аммиачную установку с одним конвертером, спроектированную М.В. Келлогом (MWK) в Техас-Сити, штат Техас, производительностью 544 метрических тонн в сутки. Концепция дизайна с одним поездом (рис.3) была настолько революционной, что в 1967 году получила награду Kirkpatrick Chemical Engineering Achievement Award.

На заводе использовался четырехкамерный центробежный компрессор для сжатия синтез-газа до давления 152 бар, а окончательное сжатие до рабочего давления 324 бар происходило в поршневом компрессоре. Были также внедрены центробежные компрессоры для контура синтеза и холодоснабжения, что обеспечило значительную экономию средств.

Ключевые различия между процессом MWK и процессами, использовавшимися на предыдущих заводах по производству аммиака, включали:

  • с использованием центробежного компрессора как части сжатия синтез-газа
  • с максимальным использованием отработанного тепла от процесса
  • , генерирующего пар из отработанное тепло для использования в приводах паровых турбин
  • , использующих холодильный компрессор для останова и атмосферного охлаждения.

Интегрированная схема, которая сбалансировала потребление энергии, производство энергии, размер оборудования и объемы катализатора, была внедрена по всему предприятию.

Большинство заводов, построенных между 1963 и 1993 годами, имели крупногабаритную однопоточную конструкцию с производством синтез-газа при 25–35 бар и синтезом аммиака при 150–200 бар. Другой вариант от Braun (ныне KBR) предлагал небольшие модификации базовой конструкции. В технологических установках очистителя Braun используется установка первичного или трубчатого риформинга с низкой выходной температурой и высокой утечкой метана, чтобы уменьшить размер и стоимость установки риформинга.Избыточный воздух был добавлен в установку вторичного риформинга, чтобы снизить содержание метана в выходящем потоке установки первичного риформинга до 1-2%. Избыточный азот и другие примеси удаляли после метанатора. Поскольку синтез-газ практически не содержал примесей, для достижения высокой конверсии аммиака использовались два конвертера аммиака с осевым потоком.

Некоторые недавно построенные заводы имеют систему производства синтез-газа только с одной установкой риформинга (без вторичной установки риформинга), систему адсорбции при переменном давлении (PSA) для извлечения H 2 и установку разделения воздуха в качестве источника N 2 .Усовершенствования конструкции конвертера, такие как радиальные и горизонтальные слои катализатора, внутренние теплообменники и обработка синтез-газа, помогли увеличить концентрацию аммиака на выходе из конвертера синтеза с примерно 12% до 19–21%. Более высокая конверсия за проход, а также более эффективные турбины и компрессоры еще больше снизили потребление энергии. Более эффективные растворы для удаления CO 2 , такие как карбонат калия и метилдиэтаноламин (MDEA), способствовали повышению энергоэффективности.Большинство современных заводов могут производить аммиак с потреблением энергии 28 ГДж / мт.

В дополнение к конструктивным, механическим и металлургическим усовершенствованиям, сделанным за это время, было значительно снижено рабочее давление контура синтеза. Когда в 1960-х годах была построена первая однорядная установка, в ней был контур синтеза высокого давления. В 1962 году компания MWK получила запрос от Imperial Chemical Industries (ICI) с предложением построить завод производительностью 544 метра в сутки на их территории в Севернсайде.MWK предложила синтезирующую петлю из 152 тактов вместо 324-тактовой петли.

Поскольку разработка кинетических данных для реакции аммиака при давлении 152 бар потребует больше времени, чем у MWK, чтобы ответить на запрос ICI, они связались с Хальдором Топсе, чтобы поддержать свои планы. Топсе располагал данными, охватывающими весь диапазон давлений, интересующий MWK. Кроме того, у них была компьютерная программа для расчета количества катализатора, необходимого при более низком рабочем давлении. Несмотря на то, что ICI выбрала Bechtel для проектирования завода, MWK удалось разработать технологическую схему для 544-метровой установки.т. / день с центробежными компрессорами и контуром синтеза низкого давления, который некоторые люди считают самым важным событием в развитии однопоточной аммиачной установки.

При давлении 152 бар требовалось примерно вдвое больше катализатора, чем при 324 бар, что казалось экономически целесообразным. Хотя конвертеру потребуется вдвое больший объем, более низкое рабочее давление уменьшит требуемую толщину кожуха высокого давления. В результате масса металла, необходимого для конвертера, плюс катализатор, осталась примерно такой же.Контур синтеза низкого давления также позволил использовать центробежные компрессоры вместо поршневых компрессоров. Еще одним усовершенствованием была рекуперация тепла для производства пара высокого давления для приводов паровых турбин.

Проектирование заводов в 21 веке

В течение первых нескольких лет 21 века в технологии производства аммиака было внесено множество усовершенствований, которые позволяют существующим заводам увеличивать производительность и строить новые заводы все большей и большей мощности.Конкуренция между поставщиками технологий довольно жесткая. Три лицензиара технологий - KBR (Kellogg Brown and Root), Haldor Topsøe и ThyssenKrupp Industrial Solutions (TKIS) - в настоящее время доминируют на рынке. Компания Ammonia Casale, которая предлагает аксиально-радиальную конструкцию слоя катализатора, является лидером на рынке модернизации существующих заводов.

Рисунок 4. В современных установках по производству аммиака, спроектированных KBR, используются очистители собственной разработки.

Большинство установок по производству аммиака, недавно спроектированных KBR, используют процесс очистки (рис. 4), который сочетает в себе риформинг с низкой степенью жесткости в установке первичного риформинга и промывной очиститель жидкого N 2 после метанатора для удаления примесей и регулирования концентрации H 2 : N 2 , собственная конструкция котла-утилизатора, блочный чиллер и горизонтальный конвертер синтеза аммиака.

В зависимости от конфигурации установки потребление энергии может составлять всего 28 ГДж / м.т. Поскольку установка вторичного риформинга использует избыток воздуха, установка первичного риформинга может быть меньше, чем в обычных конструкциях. Криогенный очиститель (показан на рис. 4 светло-зеленым на светло-оранжевом фоне), который состоит из расширителя, конденсатора, теплообменника подачи / отходящего потока и ректификационной колонны, удаляет примеси, такие как CO, CH 4 и аргон, из синтез-газ при доведении соотношения H 2 : N 2 подпиточного газа в аммиачном контуре до оптимального уровня.Концентрация аммиака на выходе из горизонтального конвертера с низким перепадом давления составляет 20–21%, что снижает потребность в энергии для рециркуляционного компрессора. KBR также предлагает аммиачный контур низкого давления, в котором используется комбинация магнетитового катализатора и запатентованного рутениевого катализатора.

Рис. 5. Haldor Topsøe предлагает конструкцию аммиачной установки, которая имеет запатентованную установку риформинга с боковым сжиганием, в которой лучистые горелки подают тепло для реакции риформинга.

Секция производства синтез-газа (или передняя часть) установки, спроектированной Haldor Topsøe (рис. 5), довольно традиционна, за исключением ее собственной установки риформинга с боковым сжиганием, в которой используются лучистые горелки для подачи тепла для реакции риформинга.Haldor Topsøe также предлагает запатентованный катализатор синтеза на основе железа, радиальные преобразователи потока, состоящие из одного, двух или трех слоев, и запатентованный бойлер-утилизатор с байонетными трубами. Более поздние разработки включают конструкции преобразователя С-300 и С-350. Конвертер S-300 представляет собой трехслойную конфигурацию с радиальным потоком и внутренними теплообменниками, а конструкция S-350 сочетает преобразователь S-300 с однослойной конструкцией S-50 с рекуперацией отходящего тепла между конвертерами для максимального использования аммиака. конверсия.

Рис. 6. Конструкция контура синтеза двойного давления ThyssenKrupp включает прямоточный реактор между компрессорами синтез-газа.

ThyssenKrupp предлагает обычную установку (рис. 6) с уникальной конструкцией вторичного риформинга, запатентованный котел-утилизатор, радиальные преобразователи потока и контур синтеза аммиака с двойным давлением. Сегодня производительность 3300 т / сутки может быть достигнута с использованием процесса двойного давления TKIS.

Рис. 7. Linde Ammonia Concept (LAC) включает установку адсорбции при переменном давлении для производства водорода высокой чистоты и установку разделения воздуха для производства азота высокой чистоты.

Linde Ammonia Concept (LAC) - это устоявшаяся технологическая схема процесса с более чем 25-летним опытом эксплуатации на заводах с производительностью от 200 мт / день до более 1750 мт / день. В технологической схеме LAC (рис. 7) дорогостоящая и сложная передняя часть обычной установки по производству аммиака заменяется двумя хорошо зарекомендовавшими себя и надежными технологическими установками:

  • производство водорода сверхвысокой чистоты на установке парового риформинга метана с очисткой PSA
  • производство азота сверхвысокой чистоты с помощью криогенной установки для производства азота, также известной как установка разделения воздуха (ASU).

Рис. 8. Процесс Ammonia Casale использует слой катализатора, использующий аксиально-радиальную технологию, которая имеет меньший перепад давления и более высокую эффективность, чем стандартные слои катализатора.

Аммиачный завод по проекту Казале рассчитан на производительность 2 000 т / сутки. Одной из ключевых особенностей этой конструкции является аксиально-радиальная технология в слое катализатора (Рисунок 8). В аксиально-радиальном слое катализатора большая часть синтез-газа проходит через слой катализатора в радиальном направлении, создавая очень низкий перепад давления.Остальной газ проходит вниз через верхний слой катализатора в осевом направлении, что устраняет необходимость в верхней крышке слоя катализатора. Осевая и радиальная технология слоя катализатора Casale используется как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных конвертерах сдвига, а также в конвертере синтеза.

Другие технологии

Некоторые поставщики технологий предложили установки риформинга с подогревом газа (GHR) для производства аммиака на установках малой мощности или для увеличения мощности. В отличие от установок традиционной конструкции, которые используют установку первичного риформинга и установку вторичного риформинга, работающих последовательно, установки с GHR используют горячий технологический газ из установки вторичного риформинга для подачи тепла в установку первичного риформинга.Это уменьшает размер установки первичного риформинга и исключает выбросы CO 2 из дымовой трубы установки первичного риформинга, делая процесс более экологически чистым.

Несмотря на то, что некоторые производители аммиака выступают за распределенное производство аммиака на небольших заводах по производству аммиака, большинство компаний предпочитают строить крупные предприятия рядом с источниками дешевого сырья и транспортировать продукт морским, железнодорожным или трубопроводным транспортом к потребителям.

Аммиак из угля

Рисунок 9. Китай производит большую часть аммиака из угля.

Китай производит больше аммиака, чем любая другая страна, и большую часть аммиака производит из угля (рис. 9).

Основными технологическими установками на угольной аммиачной фабрике являются ВРУ для отделения O 2 и N 2 от воздуха, газификатор, установка конверсии кислого газа (SGS), установка удаления кислого газа ( AGRU), и установка синтеза аммиака. Кислород из ASU подается в газификатор для преобразования угля в синтез-газ (H 2 , CO, CO 2 ) и CH 4 .Существует множество конструкций газификаторов, но большинство современных газификаторов основаны на псевдоожиженных слоях, которые работают при давлении выше атмосферного и могут использовать различное сырье для угля. В зависимости от конструкции может производиться 30-60% CO по объему.

После газификации любые твердые частицы в синтез-газе удаляются, и пар добавляется в установку SGS. В процессе SGS обычно используется катализатор на основе кобальта и молибдена (CoMo), специально разработанный для работы в среде серы.

После снижения концентрации CO в синтез-газе до менее 1 об.% Синтез-газ подается в AGRU, где охлажденный раствор для очистки метанола (, например, Rectisol) удаляет CO 2 и серу из синтез-газа. . Верхний погон CO 2 либо сбрасывается, либо подается на установку по производству карбамида. Выходящий поток серы подается в установку для извлечения серы (SRU).

Синтез-газ, который проходит через AGRU, обычно очищается одним из двух способов:

  • установка для промывки азотом для удаления остаточного CO и CH 4 из синтез-газа перед его подачей в контур синтеза
  • PSA-система для Удаление CO и CH 4 .

Заключительные мысли

За последние 60 лет технология обработки аммиака значительно улучшилась. Компоновка завода эволюционировала от конструкций с несколькими поездами, часто с разным количеством поездов в передней части и в контуре синтеза, до проектов с одним составом. Подготовка синтез-газа в передней части установки увеличилась с атмосферного до 30–50 бар изб. Пропускная способность одного поезда увеличилась с 100 до 3300 тонн в сутки.

Энергоэффективность также повысилась - потребление значительно превышает 60 ГДж / м3.т. аммиака на коксохимических заводах до 40–50 ГДж / т. на первых заводах, работающих на природном газе, до 30–40 ГДж / м.т. на первых одноколесных заводах. На современных установках добавлена ​​регенерация тепла путем производства пара при давлении до 125 бар как в секции подготовки синтез-газа, так и в контуре синтеза.

Что касается технологического оборудования, произошел переход от поршневых компрессоров к центробежным компрессорам. В конвертере синтеза был реализован внутренний теплообменник для увеличения конверсии H 2 и N 2 в NH 3 .Разработчики применили регенерацию водорода из продувочного газа (в таких установках, как системы PSA), чтобы увеличить производство или снизить энергопотребление завода. Разработчики также внедрили системы сероочистки горячего сырья. Были значительно усовершенствованы катализаторы, используемые при риформинге, конверсии сдвига, метанировании и синтезе аммиака.

Для улучшения управления технологическим процессом и безопасности, распределенные системы управления (DCS) для расширенного управления технологическим процессом, а также системы безопасности (SIS) теперь являются стандартом на аммиачных заводах.Прежде чем какой-либо процесс будет запущен в оперативный режим, выполняются исследования опасностей и работоспособности (HAZOP) и анализ уровня защиты (LOPA). Достижения в области учебных тренажеров и практики обучения гарантируют, что операторы и инженеры могут выполнять свои обязанности безопасно и эффективно.

Это лишь некоторые из тысяч усовершенствований технологий и безопасности, которые были внедрены, чтобы сделать аммиачную промышленность одной из самых производительных и безопасных отраслей в мире.

Цитированная литература

  1. U.S. Geological Survey, «Азот (фиксированный) - Статистика по аммиаку», Minerals.usgs.gov/minerals/pubs/historical-statistics/ds140-nitro.xlsx (последнее изменение: 28 января 2016 г.).
  2. Слэк, А. В. и Дж. Р. Джеймс (ред.), «Аммиак», части I, II и III, Марсель Деккер, Нью-Йорк, Нью-Йорк (1974).
  3. Смил В., «Обогащение Земли - Фриц Габер, Карл Бош и трансформация мирового производства продуктов питания», MIT Press, Кембридж, Массачусетс (декабрь 2000 г.).
  4. Уильямс, Г.и В. Паттабатула, «Сто лет производства аммиака - итоги значительного вклада в обеспечение мира», 58-й ежегодный симпозиум по безопасности на предприятиях по производству аммиака и связанных с ними объектах, Айше (25–29 августа 2013 г.).

Благодарности

Авторы выражают признательность KBR, ThyssenKrupp Industrial Solutions, Haldor Topsøe, Linde и Casale за помощь в предоставлении технической литературы по соответствующим технологиям производства.

GCSE Аммиак | Пересмотреть процессы промышленного производства

Производство аммиака - один из важных производственных процессов, о которых вам нужно знать при сдаче экзамена GCSE по химии.Аммиак используется для производства многих других материалов, таких как азотная кислота, взрывчатые вещества, азотсодержащие органические химические вещества и удобрения. Без удобрений, сделанных с использованием аммиака, мир, вероятно, не смог бы обеспечить население достаточным количеством пищи. Он используется непосредственно во многих других продуктах и ​​процессах, включая промышленную ферментацию и бытовые чистящие средства.

Фриц Габер, изобретатель процесса Габера для производства аммиака, был талантливым химиком.Если вы изучаете химию A-level, вы встретите его в нескольких местах. Он был женат на очень опытном ученом Кларе. К сожалению, в то время достижения женщин редко признавались, и она не получала должного за помощь, которую она оказывала своему мужу в его работе. Ее муж участвовал в разработке химического оружия, и его иногда называют «отцом химического оружия ». Клара была категорически против этого и покончила жизнь самоубийством вскоре после первого применения ядовитого газа в Первой мировой войне.

Промышленное производство аммиака из азота и водорода требует высоких температур, высоких давлений, железного катализатора и является обратимой реакцией. Азот поступает из воздуха, а водород обычно получают путем реакции пара с природным газом. Два газа непрерывно циркулируют и рециркулируют через реакционный сосуд. Во время рециркуляции они охлаждаются для удаления аммиака и добавляются свежий азот и водород. Таким образом, процесс является непрерывным, и вы должны знать факторы, влияющие на производственные затраты.Поскольку оборудование работает круглосуточно, автоматизация процесса - хороший способ для производителей сэкономить деньги. Рециркуляция газов также является простым способом снижения затрат.

Используемые значения давления и температуры всегда являются компромиссом, чтобы сделать процесс экономически выгодным, и являются ключевыми факторами, увеличивающими затраты. Использование более высоких давлений увеличило бы количество производимого аммиака, однако дополнительные затраты на создание оборудования, которое могло бы генерировать и выдерживать такое давление, не были бы компенсированы продажей дополнительного аммиака.Затраты на электроэнергию можно было бы снизить за счет снижения температуры, но реакция замедлилась бы слишком сильно, и было бы невозможно удовлетворить потребности клиентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *