1. Химическая связь в молекуле аммиака: А) ионная; Б) ковалентная полярная; В) ковалентная неполярная. 2. Каким способом получают аммиак в лаборатории: А) прямым синтезом из азота и водорода; Б) термическим разложением солей аммония; В) взаимодействием солей аммония со щелочами. 3. Как можно различить хлорид аммония и хлорид натрия: А) по запаху; Б) по действию нитрата серебра; В) по действию щелочи при нагревании. 4. Водный раствор аммиака не реагирует: А) с соляной кислотой; Б) с гидроксидом кальция; В) с водой. 5. Аммиак способен окисляться до свободного азота: А) без катализатора; Б) при повышенном давлении; В) с катализатором. 6. Механизм образования иона (катиона) аммония: А) донорно-акцепторный; Б) ионный; В) радикальный; 7. Уравнению реакции NaOH + NH 4 Cl = NaCl + NH 3 + H 2 O cоответствует краткое ионное: А) NH H + = NН 4 + Б) NH 4 + = NН 3 + Н + В) NH OH¯ = NH 3 + H 2 O Б В В Б А А В
Получение аммиака В лаборатории аммиак получают слабым нагреванием смеси гидроксида кальция и сульфата аммония. Составьте уравнение реакции получения аммиака. Ca(OH) 2 + 2(NH 4) 2 SO 4 = CaSO 4 + 2NH 3 + 2H 2 O В промышленности аммиака получают синтезом из азотоводородной смеси 200 атм, 400ºС, Fe N 2 + 3H 2 2NH 3 или Ca(OH) 2 + 2NH 4 Cl = CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O опыт
Физические свойства Аммиак – бесцветный газ с резким характерным запахом, легче воздуха. Определите плотность аммиака по воздуху. При незначительном повышении давления или при охлаждении до – 33Сº аммиак сжижается, превращаясь в бесцветную подвижную жидкость. Аммиак растворим в воде: при комнатной температуре в 1объеме воды растворяется 700 объемов аммиака, а при 0ºС – 1200 объемов. D возд. (NH 3) = М (воздуха) / М (NH3) = 29 г/моль / 17 г/моль = 1,7раз
Химические свойства NH 3 + H 2 O NH 3 · H 2 O NH OH – 1) Растворение аммиака в воде сопровождается химическим взаимодействием с ней: N H+H+ + H HH HH H H N + донор акцептор катион аммония 2) Взаимодействие аммиака с кислотами: NH 3 + HCl = NH 4 Cl Составьте уравнения реакций аммиака с серной кислотой (с образованием средней и кислой солей), азотной кислотой. NH 3 + H 2 SO 4 = (NH 4) 2 SO 4 NH 3 + H 2 SO 4 = NH 4 HSO 4 Механизм образования связи – донорно-акцепторный NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 опыт
3) Окисление аммиака (с катализатором) 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O Рассмотрите реакцию как окислительно-восстановительную. Назовите окислитель, восстановитель. N –3 – 5e N окисление O e 2O –2 4 5 восстановление NH 3 (за счет N –3) – восстановитель; О 2 – окислитель.
4) Окисление аммиака (без катализатора) 4NH 3 + 3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O Рассмотрите реакцию как окислительно-восстановительную. Назовите окислитель, восстановитель. N –3 – 5e N окисление O e 2O –2 4 5 восстановление NH 3 (за счет N –3) – восстановитель; О 2 – окислитель. 5) Аммиак способен восстанавливать оксиды малоактивных металлов NH 3 + СuO N 2 + Cu + H 2 O Рассмотрите реакцию как окислительно-восстановительную. Назовите окислитель, восстановитель. Расставьте коэффициенты. 2N –3 – 6e N окисление Cu e Cu восстановление NH 3 (за счет N –3) – восстановитель; CuO (за счет Сu +2) – окислитель. 2NH 3 + 3СuO = N 2 + 3Cu + 3H 2 O опыт
6) Активные металлы способны замещать в аммиаке атом водорода. Кусочек натрия, опущенный в жидкий аммиак, окрашивает его в фиолетовый цвет, со временем окраска исчезает, а после испарения аммиака на дне стакана остается белый порошок амида натрия: Рассмотрите реакцию как окислительно-восстановительную. Назовите окислитель, восстановитель. Расставьте коэффициенты. NH 3 + Na NaNH 2 + H 2 2H e H Na 0 – 1e Na NH 3 (за счет H +1) – окислитель, процесс восстановления; Na 0 – восстановитель, процесс окисления. 2NH 3 + 2Na = 2NaNH 2 + H 2 амид натрия
Лабораторный опыт: Свойства солей аммония Проделайте качественную реакцию на ион аммония. Поместите в пробирку смесь хлорида аммония и гидроксида кальция и нагрейте смесь. Определите образующийся аммиак по характерному запаху и с помощью влажной индикаторной бумажки.
NH
1. Водный раствор аммиака имеет: А) щелочную среду; В) кислотную среду; Б) нейтральную среду; Г) верного ответа среди приведенных выше нет. 2. Взаимодействие аммиака с хлороводородом относится к реакциям: А) разложения; Б) соединения; В) замещения; Г) обмена. 3. Аммиак взаимодействует с нагретым оксидом меди (II), восстанавливая его до металлической меди. При этом аммиак окисляется до: А) свободного азота; В) оксида азота (IV); Б) оксида азота (II); Г) оксида азота (V). 4. Не является окислительно-восстановительной реакция аммиака с: А) кислородом в отсутствие катализатора; Б) кислородом в присутствии катализатора; В) соляной кислотой; Г) оксидом меди (II). 5. Лабораторным способом получения аммиака является: А) синтез из азота и водорода; Б) взаимодействием хлорида аммония со щелочами; В) термическое разложение хлорида аммония; Г) все приведенные выше ответы верны. 6. Напишите уравнение реакции аммиака с серной кислотой в мольных соотношениях 1:1 и 2:1. Суммы коэффициентов в этих реакциях равны А) 3 и 5; Б) 3 и 4; В) 4 и 5; Г) 5 и 6. А Г А В Б Б
Технологические свойства аммиака.
Аммиак (NH 3 ) – бесцветный газ с резким запахом и температурой кипения -33,4˚С и температурой плавления -77,8˚С Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды ), ограниченно растворим в органических растворителях.
При взаимодействии с водой аммиак образует гидраты следующего состава:
NH 3 ·H 2 O и NH 3 ·2H 2 O
Незначительное количество растворенных в воде молекул аммиака ионизирует в результате реакции:
NH 3 + H 2 O « NH 4 + + OH –
Степень диссоциации 0.004.
Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, фосфор, серу, иод и многие другие неорганические и органические соединения.
При температуре 1300 °С аммиак диссоциирует на азот и водород:
2NH 3 =N 2 + 3H 2
Сухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры.
Мировое производство аммиака составило в 1980 году более 90 млн. тонн.
Первый завод по производствуаммиака был пущен в 1913 году с производительностью 25 т в сутки.
Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) состава N 2:H 2 = 1:3. Ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, поэтому производство аммиака определяется в основном способом производства водорода.
Рисунок 4.3. – Сырьевые ресурсы производства аммиака.
Азот получают ректификацией (перегонкой) сжиженного атмосферного воздуха.
Водород для синтеза аммиака может быть получен:
1. разделением обратного коксового газа,
2. газификацией твердого топлива,
3. конверсией природного газа (метана или его газообразных гомологов),
4. конверсией оксида углерода с водяным паром,
5. крекингом метана
6. электролизом либо термическим разложением воды
Основное значение имеют методы конверсии метана и оксида углерода, а также разделение коксового газа.
Для перспективных планов широкого применения водорода в промышленных и энергетических целях планируется его крупномасштабное производство из воды – самого дешевого сырья, запасы которого неограниченны. Существующие и разрабатываемые методы производства водорода из воды делятся на три группы:
1. электролиз воды
2. термохимические методы
3. комбинированные термо-и электрохимические методы.
ЭЛЕКТРОЛИЗ – наиболее освоенный метод производства водорода из воды, в настоящее время он используется в небольших масштабах при наличии дешевой электроэнергии. Электрохимические процессы основаны на взаимных превращениях электрической энергии в химическую и наоборот. Достоинства электрохимических процессов – их простота в аппаратурном оформлении, малостадийность технологического процесса, высокая чистота получаемых продуктов, надостижимая для химических способов и др. Основной недостаток электролиза – высокий расход электроэнергии, стоимость которой составляет основную долю в себестоимости продуктов – более 90 %. Более того, при промышленном электролизе водных растворов коэффициент использования энергии – не более 50 – 60%, что еще более повышает стоимость продуктов электролиза. При получении водорода электролизом воды применяют в качестве электролита водные растворы кислот, щелочей или солей, так как электропроводность чистой воды ничтожно мала – при 18 °С удельная электропроводность воды составляет (2-6)×10 -10 См ×м -1 . Чаще всего применяют щелочные электролиты, наименее агрессивные для конструкционных материалов электролизеров. Выделение водорода происходит на катоде по реакции:
2H 2 O + 2 e - ® H 2 + 2OH -
Суммарный КПД производства водорода электролизом воды с использованием электроэнергии, вырабатываемой атомной станцией, составляет не более 20 – 30 %, и это отрицательно сказывается на себестоимости водорода. Снижение себестоимости электролитического водорода может быть достигнуто совершенствованием конструкции электролизеров, их удешевлением, и, что амое главное, применением дешевой электроэнергии. Как основная перспектива, рассматривается возможность питания водородных электролизеров «провальной» энергией атомных станций, т.е. использованием электроэнергии в те периоды, когда станции недогружены, например, в ночные часы.
Термохимический метод получения водорода основан на разложении воды с помощью тепловой энергии, которую предполагается получать от атомных реакторов с гелиевым охлаждением, используя теплоту газового теплоносителя на выходе из реактора . Непосредственное разложение воды по реакции
Н 2 О « Н 2 + 0.5 О 2 + DH
неосуществимо, так как при необходимой для этого высокой температуре (около 1000 °С) константа равновесия реакции ничтожно мала (10 -6). Реализация процесса возможна заменой реакции прямого разложения воды термохимическим циклом, состоящим из нескольких стадий, для каждого из которых значения константы равновесия были бы приемлемы для практики. Разработано и предложено множество термохимических циклов для разложения воды при температурах, доступных с точки зрения использования теплоты охлаждающих газов ядерных реакторов. В большинстве из предложенных циклов промежуточные вещества имеют высокое сродство к водороду, либо к кислороду – это галогены, элементы IV группы (сера), металлы II группы (Mg, Ca. Ba) и переходные элементы с переменной степенью окисления (V, Fe). Ниже приведен один из примеров термохимического цикла реакций, ведущих к разложению воды на H 2 и O 2:
Весь термохимический цикл разложения воды представляет собой замкнутый цикл, так как все исходные реагенты отделяются от продуктов реакции и возвращаются в цикл, за исключением воды, расходуемой на образование водорода и кислорода. Максимальная температура реакций не превышает 700 °С и может быть обеспечена теплоносителем на выходе их атомного реактора на уровне 800 - 900 °С.
В настоящее время ни один из предложенных термохимических циклов еще не реализован в промышленности и значение КПД циклов, а так же расчеты затрат на получение водорода этим методом пока не определены.
Комбинированный метод производства водорода заключается в комбинировании термо- и электрохимических стадий процесса. Ожидаемые преимущества комбинированного метода состоят в том, что могут быть использованы достоинства каждого из рассмотренных способов: электрохимический хорошо освоен, имеет простое аппаратурное оформление, а термохимический более экономичен, но мало освоен и включает стадии, трудные для промышленного осуществления.
Примером может служить сернокислотный комбинированный цикл получения водорода и кислорода из воды. Это двухступенчатый процесс, включающий 2 стадии
1. термохимическая – эндотермическая реакция, осуществляемая при 900 °С
Н 2 SO 4 = H 2 O + SO 2 + ½ O 2
2. низкотемпературный электрохимический процесс:
2H 2 O + SO 2 - 2e - = H 2 + H 2 SO 4
Последняя реакция может быть реализована только путем электролиза, так как ее константа равновесия и теоретическим выход водорода чрезвычайно малы. Источником энергии для комбинированной установки может служить атомный газовый реактор, снабжающий отбросной теплотой термохимическую стадию и электроэнергией электрохимическую стадию. Расчетные затраты для комбинированной установки меньше, чем для прямого электролиза воды. Суммарный КПД процесса должен составить 35 – 37 %. По мнению специалистов комбинирование термохимических и электрохимических стадий – наиболее перспективное направление крупномасштабного производства водорода из воды.
Основным методом получения водород а для синтеза аммиака является каталитическая конверсия метана . Сырьём для этого метода служит природный и попутный газ , содержащий до 90-98% метана .
Производство аммиака использует в качестве сырья уголь, кокс, коксовый и природный газ. При этом основным сырьем все-таки служит природный газ.
Немного истории
Еще в 20 веке известным ученым-химиком Габером был разработан физико-химический синтез аммиака. Последователи Габера также внесли свою лепту в данное производство. Так, Митташ смог разработать эффективный катализатор, Бошем создано специальное оборудование.
Митташем испытано огромное количество смесей в качестве катализаторов (порядка 20 тысяч), пока он не остановился на шведском магнетите, имеющем такой же состав, как и катализаторы, активно применяемые и сегодня. Современные катализаторы представляют собой сталь, промотированную незначительным количеством окиси алюминия и калия.
Еще в советское время в исследовательских институтах и лабораториях при заводах была проведена громадная работа в сфере исследований кинетики и термодинамики синтеза аммиака. Существенный вклад в совершенствование самой технологии производства аммиака внесен инженерами азотно-туковых заводов и рабочими-новаторами производства. В результате проведения данных работ существенно был интенсифицирован весь технологический процесс, созданы совершенно новые конструкции специализированных аппаратов, началось строительство производства аммиака.
Советская система производства аммиака характеризовалась достаточной экономичностью и высокой производительностью.
Первым практическим применением, подтверждающим успех предложенной теории, была разработка такого важнейшего процесса химической технологии, как синтез аммиака.
Одним из видов достаточно эффективных путей усовершенствования технологии производства аммиака является утилизация газов продувочного вида. Современные установки выделяют аммиак из таких газов вымораживанием.
Продувочные газы после получения аммиака могут быть использованы как низкокалорийное топливо. Иногда их просто выбрасывают в атмосферу. Газы на сжигание должны направляться в трубчатую печь (отделение конверсии метана). Это позволяет сэкономить расход сырья (природный газ).
Существует и другой способ утилизации указанных газов. Это разделение их методиками глубокого охлаждения. Данный способ позволит снизить общую себестоимость готовой продукции (аммиака). Также аргон, получаемый в данном технологическом процессе, гораздо дешевле, чем его аналог, но извлекаемый в установке разделения воздуха.
В продувочных газах имеется повышенное содержание инертов, которые способствуют менее интенсивному протеканию реакции.
Схема производства аммиака
Для подробного изучения технологии изготовления аммиака необходимо рассмотреть процесс выделения аммиака из таких простых веществ, как водород и азот. Возвращаясь к химии школьного уровня, можно отметить, что данная реакция характеризуется обратимостью и снижением объема.
Так как эта реакция экзотермическая, то снижение температуры будет способствовать смещению равновесия в пользу выделения аммиака. Однако в этом случае происходит значительное снижение скорости самой химической реакции. Именно поэтому синтез осуществляется в присутствии катализатора и с выдерживанием температуры порядка 550 градусов.
Основные способы производства аммиака
Из практики известны следующие способы производства:
- при низком давлении (около 15 МПа);
- при среднем давлении (порядка 30 МПа) – самый распространенный способ;
- при высоком давлении (около 100 МПа).
Негативно на синтез аммиака влияют такие примеси, как сероводород, вода и оксид углерода. Чтобы они не снижали активность катализатора, азотводородная смесь должна быть тщательно очищена. Однако и в этих условиях лишь часть смеси превратится в будущем в аммиак.
Таким образом, рассмотрим подробнее процесс производства аммиака.
Технология производства
Схема производства аммиака предусматривает промывку природного газа с использованием жидкого азота. При этом необходимо провести конверсию газа под высокой температурой, давлением до 30 атмосфер и температурой порядка 1350 градусов. Только в этом случае конвертированный сухой газ будет иметь низкие расходные коэффициенты по кислороду и природному газу.
До недавнего времени производство аммиака, технология которого содержала как последовательные, так и параллельные связи между используемыми аппаратами, строилось на дублировании функций основного оборудования. Результатом такой организации производственного процесса было существенное растягивание технологических коммуникаций.
Существует современное производство аммиака, технология которого уже предусматривает использование установки мощностью от 1360 т в сутки. Данное оборудование включает не менее десяти аппаратов конверсии, синтеза и очистки. Последовательно-параллельные технологии формируют самостоятельные подразделения (цехи), которые отвечают за выполнение отдельных этапов переработки сырьевого материала. Таким образом организованное производство аммиака позволяет существенно улучшить условия труда на специализированных заводах, провести автоматизацию, что приведет к стабилизации всего технологического процесса. Указанные усовершенствования также приведут к значительному упрощению общей технологии производства синтетического аммиака.
Новшества в технологии изготовления аммиака
Современное производство аммиака в промышленности использует в качестве сырья более дешевый вид природного газа. Это существенно сокращает себестоимость готового продукта. Кроме того, благодаря такой организации, могут быть улучшены условия труда на соответствующих заводах, а также существенно упрощается химическое производство аммиака.
Особенности производственного процесса
Для последующего усовершенствования процесса производства необходимо освободить механизмы очистки газов от вредных и ненужных примесей. Для этого используется метод тонкой очистки (адсорбция и предкатализ).
Это в том случае, когда производство аммиака не предусматривает промывку газа с использованием жидкого азота, но при этом есть в наличии низкотемпературная конверсия оксида углерода. Для проведения конверсии природного газа на высокой температуре можно использовать обогащенный кислородом воздух. При этом необходимо следить, чтобы в конвертированном газе концентрация метана не превышала 0,5 %. Это связано с высокой температурой (около 1400 градусов), повышающейся при химической реакции. Поэтому в результате данного вида производства в исходной смеси прослеживается высокая концентрация инертного газа и его расход на 4,6 % больше, чем такой же расход при конверсии кислородом в концентрации 95 %. При этом расходование кислорода на 17 % ниже.
Производство газа технологического назначения
Данное производство является начальным этапом в синтезе аммиака и проводится под давлением около 30 ат. Для этого природный газ сжимается с использованием компрессора до 40 ат, далее он подогревается до 400 градусов в змеевике, который расположен в трубчатой печи, и подается в отсек сероочистки.
При наличии серы в количестве 1 мг в м в очищенном природном газе его нужно смешать с водяным паром в соответствующем соотношении (4:1).
Реакция взаимодействия водорода с окисью углерода (т.н. метанирование) происходит с выделением огромного количества тепла и значительным уменьшением объема.
Производство с медноаммиачной очисткой
Осуществляется, если производство аммиака не предусматривает промывку жидким азотом. В данном процессе используется медноаммиачная очистка. В этом случае используется такое производство аммиака, технологическая схема которого применяет обогащенный кислородом воздух. При этом специалисты должны следить за тем, чтобы в конвертированном газе концентрация метана не превышала 0,5 %, такой показатель напрямую связан с повышением температуры до 1400 градусов в процессе реакции.
Основные направления развития производства аммиака
Во-первых, в ближайшем будущем необходимо кооперирование органической и азотной промышленности, в основе которого должно находиться использование такого сырья, как природный газ или газ нефтепереработки.
Во-вторых, должно происходить постепенное укрупнение всего производства и отдельных его компонентов.
В-третьих, на современном этапе развития химической промышленности нужно проводить исследования по разработке активных каталитических систем для достижения максимального снижения давления в производственном процессе.
В-четвертых, должно войти в практику использование специальных колонн для осуществления синтеза с применением катализатора с «кипящим слоем».
В-пятых, с целью повышения эффективности производства нужно совершенствовать работу систем использования тепла.
Вывод
Аммиак имеет большое значение для химической промышленности и сельского хозяйства. Он служит сырьем в производстве азотной кислоты, ее солей, а также солей аммония и различных азотных удобрений.
– средняя выводящая из строя концентрация (ICt50) обеспечивает вывод из строя 50% пораженных;
– средняя пороговая концентрация (PCt50) – вызывает начальные симптомы поражения у 50% пораженных (г·мин/м3);
– средняя смертельная доза (LDt50) при введении в желудок – приводит к гибели 50% пораженыых при однократном введении в желудок (мг/кг).
Для оценки степени токсичности АХОВ кожно-резорбтивного действия используют значения средней смертельной токсодозы (LDt50), и средней пороговой токсодозы (PDt50). Единицы измерения – г/чел., мг/чел., мл/кг.
Средняя смертельная доза при однократном нанесении на кожу приводит к гибели 50% пораженных .
Физико-химические свойства аммиака
При оценке потенциальной опасности химических веществ необходимо принимать во внимание не только токсические, но и физико-химические свойства, характеризующие их поведение в атмосфере, на местности и в воде. В частности, важнейшим физическим параметром, определяющим характер поведения токсичных веществ ингаляционного действия при выбросах (проливах), является максимальная концентрация его паров в воздухе. В промышленной токсикологии используют показатель, учитывающий одновременно токсические свойства и летучесть веществ – коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО) . Этот коэффициент равен отношению максимально возможной концентрации паров вещества при 200С к его смертельной концентрации (Таблица П. 4.1)
По некоторым своим свойствам (точка кипения -33 °С, критическая температура -132 °С) аммиак похож на хлор. Так же как и хлор, аммиак удобно хранить в сжиженном виде. Зависимости давление паров – температура и доля мгновенно испаряющейся жидкости в адиабатическом приближении температура для аммиака и для хлора весьма близки. Однако аммиак в основном перевозится в виде охлажденной жидкости (в рефрижераторах). Отметим, что в США существуют трубопроводы, по которым аммиак транспортируется через всю страну .
Промышленное значение аммиака и области его применения
По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест. Ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак используется для производства азотной кислоты (HNO3), которая идет на производство удобрений и множества других продуктов; азотсодержащих солей [(NH4)2SO4, NH4NO3, NaNO3, Ca(NO3)2], мочевины, синильной кислоты .
Аммиак используется также при получении соды по аммиачному способу, в органическом синтезе, для приготовления водных растворов (нашатырный спирт), находящих разнообразное применение в химической промышленности и в медицине. Жидкий аммиак, а также его водные растворы применяют в качестве жидких удобрений. Аммиак представляет собой хороший растворитель для значительного класса соединений, содержащих азот. Большие количества аммиака идут на аммонизацию суперфосфата.
Испарение аммиака происходит с поглощением значительно количества тепла из окружающей среды. Поэтому аммиак применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках. При этом жидкий аммиак должен соответствовать требованиям, предъявляемым ГОСТ 6221 – 90 «Аммиак жидкий технический». В качестве хладагента используется жидкий технический аммиак марки А. При этом содержание воды не должно превышать 0,1%.
Аммиак используется также для получения синтетических волокон, например, нейлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка. В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость .
Общие правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок
Общие понятия о холодильных установках
Холодильная система – совокупность содержащих хладагент и сообщающихся между собой частей, образующих один закрытый холодильный контур для циркуляции хладагента с целью подвода и отвода тепла.
Холодильная установка – агрегаты, узлы и другие составные части холодильной системы и вся аппаратура, необходимая для их функционирования.
Абсорбционная (или адсорбционная) холодильная система – система, в которой выработка холода осуществляется в результате испарения хладагента; абсорбер (адсорбер) поглощает пары хладагента, которые впоследствии выделяются из него при нагреве с повышением парциального давления и затем под этим давлением конденсируются при охлаждении.
Холодильный агент (хладагент) – используемая в холодильной системе рабочая среда, которая поглощает теплоту при низких значениях температуры и давления и выделяет теплоту при более высоких значениях температуры и давления. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния рабочей среды.
Хладоноситель – любая жидкость, используемая для передачи тепла без изменения ее агрегатного состояния .
Требования к аппаратурному оформлению холодильных установок
1) В холодильной установке должны быть предусмотрены аппараты, предотвращающие попадание капель жидкого аммиака во всасывающую полость компрессоров.
2) Блок испарителя для охлаждения хладоносителя должен включать в себя устройство для отделения капель жидкости из парожидкостной аммиачной смеси и возврата отделенной жидкости в испаритель.
3) Для отделения жидкой фазы из перемещаемой парожидкостной смеси в холодильных системах с непосредственным охлаждением, на каждую температуру кипения предусматриваются циркуляционные (или защитные) ресиверы, совмещающие функции отделителя жидкости. Допускается предусматривать для этих целей отдельные отделители жидкости, соединенные трубопроводами с циркуляционными (защитными) ресиверами, не совмещающими функции отделителя жидкости.
4) Геометрический объем циркуляционных ресиверов со стояком, совмещающих функции отделителя жидкости, для каждой температуры кипения в насосных схемах с нижней и верхней подачей аммиака в охлаждающие устройства следует рассчитывать по формулам, приведенным в .
5) Для аварийного (ремонтного) освобождения от жидкого аммиака охлаждающих устройств, аппаратов, сосудов и блоков, а также для удаления конденсата при оттаивании охлаждающих устройств горячими парами, необходимо предусматривать дренажный ресивер, рассчитанный на прием аммиака из наиболее аммиакоемкого аппарата, сосуда или блока.
6) Геометрический объем дренажного ресивера следует принимать из условия заполнения его не более чем на 80%.
7) Геометрический объем линейных ресиверов холодильных установок следует принимать не более 30% суммарного геометрического объема охлаждающих устройств помещений, аммиачной части технологических аппаратов и испарителей.
8) Для холодильных машин с дозированной зарядкой аммиака линейный ресивер не предусматривается.
Муниципальное образовательное учреждение
Новосафоновская средняя общеобразовательная школа
Производство аммиака: краткая характеристика
Прокопьевский район 2006
Введение
1.Способы получения аммиака
2. Современный процесс получения аммиака
Список использованной литературы
Введение
Общей экономической задачей каждого химического предприятия является получение химических веществ высокого качества и в достаточном количестве, чтобы их реализация приносила прибыль. С этим связано требование, чтобы все ресурсы использовались как можно более эффективно. Однако этого можно достичь лишь в том случае, если максимально эффективен сам химический процесс. В химической промышленности вместо понятия «реагенты» гораздо чаще используются термины «исходные материалы», «сырьевые материалы» или просто сырьё», иногда - «руда». Чтобы какой-либо процесс был экономически оправдан, необходимо достичь оптимального выхода целевого продукта из сырьевых материалов. Оптимальный выход не обязательно совпадает с теоретическим выходом или даже с максимально достижимым выходом. Получение максимально достижимого выхода может, например, потребовать слишком большого расхода какого-либо дорогостоящего исходного материала, или же слишком длительного проведения процесса, или же создаются экстремальные условия (очень высокие температуры или давления), чреватые опасными аварийными ситуациями и т.п., - всё это может сделать максимально достижимый выход экономически невыгодным.
Фактический выход каждого конкретного химического процесса может зависеть от целого ряда факторов, главные из них - температура, давление, присутствие катализатора, чистота исходных материалов, эффективность извлечения конечного продукта. Промышленное производство веществ подразумевает отличное знание теоретических закономерностей протекания химических реакций (энергетика химических реакций, химическая кинетика и катализ, химическое равновесие).
Все перечисленные ниже факторы важны, в особенности, если речь идёт о таких многотоннажных производствах, таких, как, например, производство аммиака.
Проектировщики химических предприятий создают сверхмощные установки по производству аммиака. Так, например, созданы установки, производящие 1000-1200 тонн аммиака в сутки. В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 5 млн. тонн аммиака.
1. Способы получения аммиака
аммиак цианамидный процесс десульфуратор
Первым промышленным процессом, который использовался для получения аммиака, был цианамидный процесс. При нагревании извести СаО и углерода получали карбид кальция СаС2. Затем карбид нагревали в атмосфере азота и получали цианамид кальция СаСN2; далее аммиак получали гидролизом цианамида:
СаСN2(тв) + 3Н2О = 2NН3 + СаСО3(тв)
Этот процесс требовал больших затрат энергии и экономически был невыгоден.
В 1908 г. Немецкий химик Ф. Габер обнаружил, что аммиак можно получать из водорода и атмосферного азота на железном катализаторе. Первый завод по производству аммиака этим методом использовал водород, который получали электролизом воды. В последствии водород стали получать из воды путём восстановления коксом. Такой способ получения водорода намного экономичнее. После открытия Габера стремительно стало расти производство аммиака, это неудивительно, поскольку огромные количества аммиака необходимы для получения азот содержащих удобрений. На изготовление их используется приблизительно 80% всего получаемого в мире аммиака. Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме азот, в котором нуждается большинство растений. Остальные ≈20% производимого аммиака используются для получения полимеров, взрывчатых веществ, красителей и других продуктов.
Современный процесс получения аммиак основан на его синтезе из азота и водорода с использованием специального катализатора:
N2 + 3Н2 ↔ 2NН3 + 45,9 кДж (1)
Поскольку данная реакция обратимая, возникает вопрос: при каких температурах и давления выгоднее всего добиваться максимального выхода
продукта? Так как реакция экзотермическая, то исходя из принципа Ле Шателье ясно, что чем ниже температура процесса, тем больше равновесие будет сдвигаться в сторону образования аммиака, и можно предположить, что следует максимально понижать температуру. Но в действительности всё обстоит сложнее: при низких температурах реакция практически не идёт, поэтому приходится принимать компромиссное решение. Поскольку для установления оптимального состояния равновесия реакции требуется низкая температура, а для достижения удовлетворительной скорости - высокая температура, на практике процесс проводят при температуре ≈ 400 – 500 оС.
Но даже при такой высокой температуре для достижения достаточной скорости реакции требуется присутствие специального катализатора. В качестве катализатора используется губчатое железо, активированное оксидами калия и алюминия.
Из уравнения реакции видно, что общее число молей уменьшается от 4 до 2. Согласно принципу Ле Шателье в таком случае процесс выгодно проводить, повышая давление. Но этот вывод лишь качественный, анна практике нужно точно знать, насколько увеличится выход NН3 (на 10% или всего на 0,1%) при увеличение давления. В таблице 1 количественно показано влияние температуры и давления на выход аммиака (процентное содержание аммиака в равновесной смеси) по реакции.
Из этой таблицы видно, что повышение температуры при любом давлении заметно снижает содержание аммиака в газовой смеси, однако при температурах ниже 500 оС скорость реакции очень мала, поэтому на практике процесс обычно проводят при температуре 450 оС.
Таблица 1
Что касается давления, то здесь используется давления порядка 300 – 100 атм, но чаще всего «среднее» давление ≈ 250 атм. Хотя при этих условиях только около 20% исходных веществ превращается в аммиак, однако в результате использования циркуляционной технологической схемы (введение непрореагировавших Н2 и N2 вновь в реакцию) суммарная степень превращения исходных веществ в аммиак является очень высокой.
2. Современный процесс получения аммиака
Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно просто выглядящее уравнение реакции (1), являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе (рис.1). Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор. Десульфуратор - техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.
Вторая стадия промышленного синтеза аммиака предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода). Конверсия метана - это обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 оС и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды:
СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2 (2)
Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака по реакции (1) - для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступают на стадии (3), однако на этой стадии происходят другие процессы.
Происходит частичное сгорание водорода в кислороде воздуха:
2Н2 + О2 = Н2О(пар)
В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается снова с образованием водорода, как на второй стадии по торой стадии по им образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).
На рис.1 стадия (4) обозначена как реакция «сдвига», но проходить она может при двух температурных режимах и разных катализаторах. Окисление
СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:
СО + Н2О(пар) ↔ СО2 + Н2 (3)
Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe3О4 и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 оС. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.
На пятой степени оксид углерода (IV) «вымывают» из газовой смеси при помощи поглощения щелочным раствором:
КОН + СО2 = К2СО3.
Реакция «сдвига» (3) обратимая и после 4-й стадии в газовой смеси на самом деле остаётся ещё ≈ 0,5% СО. Этого количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака(1). На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородом в метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 оС:
СО + 3Н2 ↔ СН4 +Н2О
Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси. Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 оС. Именно этот процесс и описывается с точностью реакцией (1).
Список использованной литературы
1.Н.Е. Кузьменко, В.В. Ерёмин, В.А. Попков. Химия. Теория и задачи. - М.: ОНИКС 21 век», «Мир и образование», 2003.
Loading...