Производство аммиака
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:
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 высокой, 500-550 о С 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 (N2:Н2=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%.
4.2.2.1 Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола).
Производство аммиака
Промышленный синтез аммиака основан на прямом взаимодействии простых веществ — азота N2 и водорода H2. Азот, используемый при производстве аммиака, получают фракционной перегонкой жидкого воздуха, а водород – паровой конверсией угля или природного газа:
Рассмотрим уравнение взаимодействия азота с водородом:
Данная реакция является каталитической, т.е. ее скорость многократно возрастает в присутствии катализатора. В качестве катализатора синтеза аммиака из азот-водородной смеси используют катализатор на основе пористого железа.
Поскольку реакция взаимодействия азота с водородом является экзотермической, то для смещения равновесия в сторону образования аммиака процесс целесообразно проводить при низких температурах. Однако без нагревания скорость реакции взаимодействия азота с водородом ничтожно мала, поэтому для синтеза аммиака при выборе температурных условий приходится ориентироваться на «золотую середину». Такой «золотой серединой» является температура около 400-500 о С.
Негативным следствием использования высокой температуры является то, что равновесие реакции сильно смещается в сторону обратной реакции – разложения аммиака, вследствие чего падает его выход.
Согласно уравнению взаимодействия азота и водорода, при протекании реакции суммарное количество газообразных веществ уменьшается, ведь при взаимодействии 3 моль водорода и 1 моль азота (всего 4 моль) взамен образуется только 2 моль аммиака. Поэтому, исходя из принципа Ле Шателье, негативные эффекты, связанные с разложением аммиака, можно снизить, осуществляя процесс под высоким давлением. Давление азот-водородной смеси в колонне синтеза создается с помощью турбокомпрессора и составляет около 300 атм. Тем не менее, даже несмотря на использование колоссального давления, степень превращения азот-водородной смеси «за один заход» не превышает 20 %. Дальнейшее повышение давления по ряду причин невозможно, поэтому проблема низкого выхода решается довольно простым способом. Образовавшийся аммиак отделяется в сепараторе от непрореагировавшей азот-водородной смеси, а оставшаяся смесь направляется с помощью циркуляционного компрессора обратно в колонну синтеза вместе с новой порцией сырья. Такой прием носит название принципа циркуляции. Благодаря принципу циркуляции степень превращения азот-водородной смеси в аммиак удается повысить до 95%.
Производство серной кислоты
В качестве серосодержащего сырья для производства серной кислоты могут быть использованы сера или сероводород (побочные продукты нефтепереработки), минерал пирит FeS2, а также сульфиды некоторых других d-элементов. Никакие другие виды сырья не используются.
В настоящий момент основным сырьем для производства серной кислоты являются сероводород и сера, поскольку они в огромных количествах образуются в качестве побочных продуктов нефтепереработки.
Однако же в школьной программе пока еще по-прежнему считается, что серная кислота производится преимущественно из пирита, в связи с чем и мы будем рассматривать основные стадии производства серной кислоты именно этого же сырья.
Первая стадия
Заключается в сжигании предварительно измельченного пирита в токе обогащенного кислородом воздуха. Процесс протекает в соответствии с уравнением:
Обжиг осуществляют при температуре около 800 о С в печи для обжига. В процессе обжига используют так называемый метод кипящего слоя – частицы измельченного пирита подаются в печь сверху, а воздух — снизу. В результате этого раскаленные частицы пирита оказываются подвешенными в токе воздуха, внешне напоминая кипящую жидкость.
После обжига пирита полученный печной газ, содержащий диоксид серы, отделяется от твердых примесей огарка (Fe2O3) с помощью циклона. Циклоном называют аппарат, в котором происходит грубая очистка печных газов за счет центробежной силы от наиболее крупных твердых частиц. Далее после грубой очистки смесь газов проходит более глубокую очистку уже от оставшихся мелких твердых частиц с помощью электрофильтра. Принцип действия электрофильтра основан на том, что к наэлектризованным металлическим пластинам прилипает пыль, которая после скопления ссыпается с них под собственным весом в приемник.
После очистки от твердых примесей печной газ направляется в нижнюю часть так называемой сушильной башни, в верхнюю часть которой впрыскивается концентрированная серная кислота на встречу газу. При таком варианте осуществления фактически сталкиваются два потока — смеси газов, идущей снизу, и струи жидкой концентрированной серной кислоты, текущей сверху. Очевидно, что в результате этого достигается максимальная степень «смешения» газа с осушающей жидкостью. Данный прием носит название принципа противотока.
Вторая стадия
После очистки от твердых примесей и осушки концентрированной серной кислотой газы поступают в контактный аппарат. В контактном аппарате расположены полки с катализатором V2O5, который катализирует взаимодействие диоксида серы с кислородом в соответствии с уравнением:
Аналогично реакции взаимодействия азота с водородом, рассмотренной выше, данная реакция также является каталитической, экзотермической и протекает с уменьшением количества газообразных веществ. Поэтому с точки зрения принципа Ле Шателье ее следовало бы проводить при низких температурах. Однако при низких температурах скорость реакции крайне низка, и ее осуществляют при оптимальной температуре около 400-500 о С. Смещения равновесия реакции в сторону разложения SO3 при повышении температуры удается практически полностью избежать, проводя реакцию при повышенном давлении.
Третья стадия (заключительная)
После второй стадии образовавшийся триоксид серы поступает в часть установки, называемую поглотительной башней.
Из названия данного аппарата логичным было бы предположить, что триоксид серы в нем поглощается в этой части установки водой, ведь триоксид серы, взаимодействуя с водой, образует серную кислоту. Однако в реальности серный ангидрид SO3 поглощают не водой (. ), а концентрированной серной кислотой. Связано это с тем, что при смешении серного ангидрида с водой выделяется колоссальное количество теплоты, в результате чего сильно возрастают температура, давление и образуются мельчайшие капли трудноуловимого сернокислотного тумана.
В результате поглощения SO3 концентрированной серной кислотой фактически образуется раствор SO3 в безводной серной кислоте, который называют олеумом. Далее образующийся олеум собирается в металлические емкости и отправляется на склад. Серную кислоту необходимой концентрации получают, добавляя к олеуму воду в нужной пропорции. В результате добавления воды избыток SO3 превращается в серную кислоту.
Производство метанола
Производство метанола основано на реакции взаимодействия угарного газа CO с водородом H2, которая протекает в соответствии с уравнением:
Технологическая цепочка производства метанола практически идентична таковой для получения аммиака. Это обусловлено определенным сходством реакций. Так, например, реакции образования аммиака и метанола являются экзотермическими, обратимыми, каталитическими и протекают с уменьшением объема газообразных веществ.
В синтезе метанола из угарного газа и водорода используются все те же приемы, что и в синтезе аммиака из азот-водородной смеси, в частности:
Колонна синтеза в химии для чего
Ректификационная колонна (ректификационный колонный аппарат) — Ректификационные колонны применяются в процессах дистилляции, экстрактивной ректификации, экстракции жидкостей, теплообмена между паром и жидкостью и в других процессах. Один и тот же принцип действия ректификационной колонны используется как в относительно простых лабораторных приборах, так и в сложных промышленных установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, пивоваренной и других отраслей.
Ректификация – это способ разделения компонентов смеси, основанный на свойстве компонентов данной смеси выкипать при различных температурах. Ректификация представляет собой процесс разделения бинарных, многокомпонентных или непрерывных смесей на практически чистые компоненты или их смеси (фракции), отличающиеся температурами кипения (для бинарных и многокомпонентных смесей) или интервалами выкипания (для непрерывных смесей)
Ректификационная колонна является одним из центральных аппаратов технологической установки по первичной переработке нефти или нефтепродуктов. Применение данного аппарата вызвано необходимостью реализации простого способа разделения нефти или ее продуктов на фракции в зависимости от их температур кипения. Такой способ получил название ректификации, а аппарат для проведения данного процесса – ректификационной колонной.
Пары поднимаются в верхнюю часть колонны, охлаждаются, конденсируются в холодильнике-конденсаторе и подаются обратно на верхнюю тарелку колонны в качестве орошения (флегма).
Таким образом, в верхней части колонны (укрепляющей) противотоком движутся пары (снизу вверх) и стекает жидкость (сверху вниз). Стекая вниз по тарелкам, жидкость обогащается высококипящими компонентами, а пары чем выше поднимаются в верх колонны, тем более обогащаются легкокипящими компонентами. Таким образом, отводимый с верха колонны продукт обогащен легкокипящим компонентом. Продукт, отводимый с верха колонны, называют дистиллятом. Часть дистиллята, сконденсированного в холодильнике и возвращённого обратно в колонну, называют орошением или флегмой. Отношение количества возвращаемой в колонну флегмы и количества отводимого дистиллята называется флегмовым числом.
Для создания восходящего потока паров в кубовой (нижней, отгонной) части ректификационной колонны часть кубовой жидкости направляют в теплообменник, образовавшиеся пары подают обратно под нижнюю тарелку колонны.
Достоинство колонны в том что процесс можно организовать непрерывной, и в том, что смесь продуктов можно одновременно разделять на несколько компонентов, а также сразу получать продукт высокой степени очистки.
2 F e X 2 O X 3 + 8 S O X 2 + Q
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Колонна синтеза 3 представляет собой цилиндрический сосуд высокого давления высотой 24 и диаметром 1 49 м, внутрь которого вставлен цилиндр 4, предохраняющий корпус колонны от агрессивных воздействий. [16]
Колонна синтеза с одинарными противоточ-ными трубками представлена на рис. V-17, колонна с полочной насадкой на рис. IV-22 ( стр. В насадках обеих конструкций применяется пусковой электроподогреватель, размещаемый в центральной трубе. Благодаря этому подогреватель омывается газовым потоком с большой скоростью, уменьшается осаждение на электрической спирали нагара, карбонилов железа и сажи, вызываемое крекингом углеводородов, и устраняется возможность перегрева и замыкания спирали подогревателя. [18]
Колонны синтеза различаются по типу насадки. В полочной колонне катализатор расположен на нескольких полках и газ последовательно проходит один слой за другим. На рис. 65 приведена схема колонны синтеза, в которой в одном корпусе совмещены катализаторная коробка, электроподогреватель и теплообменник. [20]
Колонна синтеза работает под давлением 30 МПа с вторичной конденсацией аммиака. Соотношение Н2: N2 в исходной азотоводородной смеси близко к стехиометрическому. [23]
Колонна синтеза выполняется из качественной стали и футеруется изнутри медью. Это предотвращает взаимодействие окиси углерода с железом и образование пентакарбонила железа Fe ( CO) 5, являющегося вредной примесью. [25]
Колонна синтеза является основным, наиболее важным аппаратом установки для получения синтетического аммиака. Конструкция колонны должна быть надежной и обеспечивать безопасную и длительную работу. Поэтому к стали, идущей на изготовление колонны, предъявляются высокие требования. [30]
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
На рис. 1.3 изображена промышленная колонна синтеза аммиака с пятью псевдо-ожиженными слоями катализатора. Насадка этой колонны состоит из трубчатого теплообменника, пятиступенчатой катализаторной коробки и электрического подогревателя. [6]
На рис. IV.3 изображена промышленная колонна синтеза аммиака с пятью кипящими слоями катализатора. Насадка этой колонны состоит из трубчатого теплообменника, пятиступенчатой катализаторной коробки и электрического подогревателя. Исходный газ, пройдя канал нижней крышки, поднимается по щели, образованной наружной поверхностью кожуха насадки и внутренней поверхностью корпуса колонны, предохраняя последний от перегрева, и поступает в межтрубное пространство основного теплообменника. В теплообменнике исходный газ подогревается синтезированным газом, движущимся навстречу по трубному пространству. После теплообменника исходный газ дополнительно подогревается в змеевиках, установленных в слоях катализатора. В нижнем слое катализатора змеевик отсутствует. [8]
На рис. 111 изображена промышленная колонна синтеза аммиака с пятью кипящими слоями катализатора. [9]
Это свидетельствует о том, что промышленные колонны синтеза карбамида действительно близки к аппаратам идеального смешения и при выводе кинетических уравнений на основе лабораторных данных, полученных в автоклавах периодического действия, обязателен пересчет скорости реакции указанным выше методом. Интересно отметить, что уравнение ( 60) применимо и при 190 С, тогда как верхний предел применимости уравнения Оцука, по данным, полученным в лабораторных автоклавах, не превышает 180 С. Модель процесса синтеза, предложенная Оцука, тем лучше отвечает действительности, чем меньше влияние газовой фазы на кинетику суммарного процесса. Последнее увеличивается с ростом температуры, так как при этом скорость синтеза в газовой фазе уменьшается ( см. уравнение Кияма и Судзуки), а в жидкой возрастает и одновременно увеличивается объемная доля газовой фазы. В условиях интенсивного перемешивания газо-жидкостной смеси в колонне синтеза промышленных размеров влияние газовой фазы на кинетику синтеза, по-видимому, уменьшается. [11]
На Новомосковском химическом комбинате изготовлена, смонтирована и испытана промышленная колонна синтеза аммиака внутренним диаметром 700 мм с пятью взвешенными слоями катализатора. Для отвода тепла из зоны реакции применены специальные змеевиковые холодильники, одновременно позволяющие приблизить температурный режим по высоте слоев катализатора к оптимальному. [12]
Из рисунка видно, что уравнение (11.28) не пригодно для описания проточного процесса в пустотелой промышленной колонне синтеза ; следовательно, такая колонна не является аппаратом идеального вытеснения. [15]
