Азот с водородом образует несколько соединений, важнейшим из которых является аммиак NH 3 . Связь между атомами водорода и азота, в молекуле аммиака, ковалентная, а степени окисления распределяются следующим образом: (N -3 H + 3) 0 .

По своим физическим свойствам аммиак – это бесцветный газ с резким запахом. Он легче воздуха и лучше, чем другие газы, растворяется в воде. Так, в одном объеме воды может раствориться 1,2 тысячи объемов аммиака.

При охлаждении, сопровождающемся увеличением давления, аммиак легко превращается в бесцветную жидкость. Обратная реакция перехода жидкого аммиака в пар, является эндотермической, причем тепла поглощается очень много. Температура кипения аммиака - 34 о С.

Получение аммиака в промышленности

На производстве аммиак добывают, синтезируя его из азота и водорода:

N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + Q,

где (+Q) означает, что реакция проходит с выделением тепла, т.е. является экзотермической.

Из-за того, что данная реакция сопровождается выделением тепла, для ее прохождения требуется:

• незначительное нагревание (400 – 500 о С);
• высокое давление (200 – 1000 ат);
• наличие катализаторов (Pt или Fe в металлическом виде, с добавлением Al 2 O 3 и K 2 O).

Все это помогает сместить химическое равновесие данной реакции, в сторону образования ее продуктов.

Вторым промышленным способом добычи аммиака является коксование каменного угля, поскольку в его составе имеется 2% азота. Здесь аммиак образуется, как побочный продукт сухой перегонки.

Лабораторные способы получения аммиака

В условиях лаборатории аммиак можно получить двумя способами:

1. слабым нагреванием смеси хлорида аммония с гашеной известью:
   2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
2. нагреванием сухого хлорида аммония с концентрированным раствором едкой щелочи:
   NH 4 Cl + KOH → NH 3 + KCl + H 2 O.

1) 4FeS 2 + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

2) 2SO 2 + O 2 V 2 O 5 → 2SO 3

3) nSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3 (олеум)

Измельчённый очищенный влажный пирит (серный колчедан) сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое «. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом.
Из печи выходит печной газ, состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Газ очищают от примесей твёрдых частиц (в циклоне и электрофильтре) и паров воды (в сушильной башне).
В контактном аппарате происходит окисление сернистого газа с использованием катализатора V 2 O 5 (пятиокись ванадия) для увеличения скорости реакции. Процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому подбирают оптимальные условия протекания прямой реакции - повышенное давление (т.к прямая реакция идет с уменьшением общего объема) и температура не выше 500 С (т.к реакция экзотермическая).

В поглотительной башне происходит поглощение оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой.
Поглощение водой не используют, т.к оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, поэтому образующаяся серная кислота закипает и превращается в пар. Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3

Промышленное получение аммиака

Предварительно получают азотоводородную смесь. Водород получают конверсией метана (из природного газа):

СН 4 + Н 2 О(г) → СО + ЗН 2 — Q

2СН 4 + О 2 → 2СО + 4Н 2 + Q

СО + Н 2 О(г) → СО 2 + Н 2 + Q

Азот получают из жидкого воздуха.

В турбокомпрессоре происходит сжатие смеси до необходимого давления 25·10 6 Па. В колонне синтеза газы реагируют при 450-500 °С в присутствии катализатора (пористое железо с примесями Al 2 O 3 и K 2 O) :
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 + 92 кДж (выход 10-20% аммиака)

Образующийся аммиак отделяют от непрореагировавших азота и водорода сжижением в холодильнике, возвращая непрореагировавшую азотоводородную смесь в колонну синтеза.
Процесс непрерывный, циркуляционный.

Применение: производство азотных удобрений, взрывчатых веществ, пластических масс и др.

Производство метилового спирта

До промышленного освоения каталитического способа получения метанол получали при сухой перегонке дерева (отсюда его название «древесный спирт»). В данное время этот способ имеет второстепенное значение.

Современный способ:

Сырье: синтез-газ - смесь оксида углерода (II) с водородом (1:2).

Вспомогательные материалы: катализаторы (ZnO и CuO).

Основной химический процесс: синтез-газ при температуре 250 °С и давлении 7 МПа превращается каталитически в метанол:

СО + 2Н 2 ↔ СНзОН + Q

Особенности технологического процесса: при прохождении газовой смеси через слой катализатора образуется 10-15% метанола, который конденсируют, а непрореагировавшую смесь смешивают со свежей порцией синтез — газа и после нагревания снова направляют в слой катализатора (циркуляция). Общий выход — 85%.

Условия проведения синтеза метанола и аммиака при среднем давлении сходны, а сырье (природный газ) общее для обоих процессов. Поэтому чаще всего производства метанола и аммиака объединяют (азотно-туковые заводы).

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 - NH 3 .

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 NH 3 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 NH 3 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:

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

В ходе этой реакции выпадает осадок белого цвета. Это соль CaCl 2 , 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

Na 2 CO 3 + 4C + N 2 = 2NaCN + 3CO

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

CaC 2 + N 2 = CaCN 2 + 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:

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:

N 2 + 3H 2 = 2NH 3

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 NH 3 . Этот химический процесс получил название цианамидной реакции. При повышении температуры извести и углерода получалось вещество CaC 2 (карбид кальция). Путем нагревания азота и добивались получения цианамида кальция CaCN 2 , из которого выделение аммиака проходило путем гидролиза.

Внедрение технологий для получения аммиака

Получение NH 3 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:

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 NH 3 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 Fe 3 O 4 , 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:

N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 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.

Азотное производство играет важнейшую роль в современной химической промышленности. Стоит заметить, что соединения азота применяются как при получении органических, так и неорганических веществ. Особую статью в азотной промышленности составляет производство аммиака. Именно при «участии» этого ценнейшего компонента производятся удобрения, азотная кислота, взрывчатые вещества, хладоагенты и многое другое. При всей своей полезности аммиак является довольно сильным ядом, несмотря на то что применяется в медицине в виде нашатыря.

Сам аммиак как вещество впервые был обнаружен в конце XVIII века. Описал его как отдельное вещество англичанин Джозеф Пристли. Спустя 11 лет французом Клодом Луи Бертолле был изучен химический состав этого вещества. Необходимость получения аммиака в промышленных количествах стала остро возникать в конце XIX века, когда стали истощаться месторождения чилийской селитры, из которой в основном получали азотные соединения. Именно «щелочной воздух» стал самым перспективным компонентом для производства различных химических соединений, которые оказали огромное влияние на разные стороны жизни человека: от военного дела, до сельского хозяйства.

Но эта проблема была решена только в начале XX столетия, когда появился способ производства аммиака путем прямого синтеза из азота и водорода. Таким образом, од возникновения проблемы до ее решения прошел довольно длительный период, в ходе которого было сделано несколько открытий, позволивших «сказку сделать былью».

Особенности и этапы производственного процесса

Процесс производства аммиака характеризуется большой энергоемкостью, что является главным его недостатком. Именно поэтому постоянно ведутся научные разработки, которые призваны решить проблемы экономии энергии. В частности разрабатываются способы утилизации выделенной энергии, а также совмещение, например, производства аммиака и карбамида. Все это способствует удешевлению деятельности предприятий и повышению их полезной отдачи.

В основу производства аммиака положены принцип циркуляции, согласно которому процесс идет непрерывно, причем остатки исходных компонентов отделяются от конечного продукта и используются вновь, непрерывности: процесс синтеза происходит без остановки, принцип теплообмена, а также принцип цикличности. Как видно, все эти принципы между собой тесно взаимосвязаны.

Сама технологическая схема производства аммиака зависит, прежде всего, от сырья, из которого получается конечный продукт. Дело в том, что, в отличие от азота, который содержится в воздухе в больших количествах, водород в чистом виде в природе практически не присутствует, а выделять его из воды - довольно трудоемкий и энергозатратный процесс.

Поэтому в качестве сырья для производства аммиака в основном используются углеводороды, содержащиеся в природном газе. В настоящее время именно природный газ является одной из основ аммиачной промышленности. Прежде чем попасть в колонну синтеза, газ проходит несколько стадий обработки. Начинается процесс с того что производится очистка исходного сырья от серы при помощи десульфуратора.

Далее идет так называемый процесс риформинга, который заключается в том, что в его ходе углеводороды сначала превращаются в метан, потом происходит довольно сложный процесс превращения метана в смесь водяного пара, угарного газа, углекислого газа и водорода. При этом также происходит очистка смеси от углекислого газа, после чего водород попадает в колонну синтеза под большим давлением вместе с азотом. Таким образом, прежде чем начать непосредственно производство аммиака, технология предполагает предварительную обработку сырья.

Все процессы риформинга, как и непосредственно сам синтез конечного продукта, происходят при высоком давлении и большой температуре. Именно это приводит к большой их энергозатратности. При этом указанные параметры на всех стадиях производства изменяются.

Сама колонна обычно изготавливается из стали. В ней размещен катализатор, состав которого может быть разным. После прохождения цикла синтеза смесь попадает в холодильник, где от нее оделяется аммиак в жидком виде, а оставшиеся после реакции компоненты снова идут в производство. Такая особенность технологического процесса вызвана тем, что реакция синтеза аммиака является обратимой и в ходе технологического процесса часть конечного продукта распадается на исходные компоненты.

Таким образом, производство аммиака в промышленности, несмотря на кажущуюся простоту реакции, которая лежит в основе процесса, на самом деле является довольно сложной технологической задачей.

Создание интегрированных производств и разработка новых технологий имеют особое значение

Как уже было сказано выше, технология постоянно совершенствуется и главным направлением мероприятий по ее улучшению является снижение энергоемкости самого процесса. А там, где это сделать по разным причинам сложно, применяются способы утилизации тепла, которое также способно принести пользу. Кроме того некоторые заводы по производству аммиака используют побочные продукты для других химических производств. Так может совмещаться, например, производство метанола и аммиака. Этот способ заключается в том, что из образующегося в ходе риформинга из угарного газа и воды синтезируется метанол.

Также было уже сказано про совмещенное производство аммиака и карбамида. Данное совмещение возможно, например, путем реакции полученного при риформинге углекислого газа с полученным аммиаком. Данный способ, конечно же, требует установки дополнительного оборудования. Тем не менее, он позволяет повысить полезную отдачу конкретного предприятия.

Еще одна особенность производства аммиака в промышленности состоит в том, что его цикличность также способствует и безотходности. Причем в ход идут как полученная энергия, так и побочные продукты. Даже сера, полученная при очистке исходного сырья, находит применение в других химических производствах. Помимо перечисленных мер происходит также постоянный поиск оптимального сочетания давления и температуры, при котором происходит процесс. Ведь от сочетания этих параметров зависит конечный выход основного продукта.

Учитывая все вышесказанное, можно с полной ответственностью сделать вывод,что современный завод по производству аммиака представляет из себя довольно сложный комплекс сооружений. Но в основе такого комплекса всегда состоит установка, разработанная в 1909 году немецким ученым Фрицем Габером, который помимо этого изобретения прославился тем, что стал «отцом химического оружия». По иронии судьбы этот ученый получил Нобелевскую премию Мира. Тем не менее, очевидно, что ценность его вклада в развитие современной химической промышленности сомнению не подлежит.

Таким образом, на примере промышленного производства аммиака можно увидеть, как годами можно совершенствовать, казалось бы, неизменный процесс. Также можно проследить, как одно изобретение может на многие года заложить развитие целой отрасли производства (причем, немаловажной) современного производства.

В настоящее время заводы по производству аммиака расположены по всему миру. Более того: постоянно строятся новые предприятия. Данный факт еще раз подчеркивает важность этого вида химического производства. Ведь во многих регионах земного шара наличие, например, азотных удобрений, стало жизненной необходимостью. Можно привести и много других примеров, но факт остается фактом. Кроме того, огромная часть продукции газодобывающей промышленности востребована именно в производстве аммиака, что позволяет ей устойчиво развиваться. На этих немногочисленных примерах достаточно хорошо видно, что роль производства аммиака переоценить довольно трудно. Поэтому можно сделать вывод, что азотная промышленность будет существовать еще долго, а продукция ее будет всегда пользоваться устойчивым спросом.

Таким образом, говоря о производстве аммиака, следует понимать, что речь идет об очень серьезном производстве, которое оказывает огромное влияние на функционирование различных сфер, как хозяйственной деятельности, так и просто жизни людей. И вполне возможно, что важность данной отрасли в будущем будет расти.

Аммиак (NH 3) - соединение азота и водорода. Это лёгкий газ с резким запахом. Получение аммиака в промышленности и лабораториях необходимо для производства удобрений, полимеров, азотной кислоты и других веществ.

В промышленности

Аммиак промышленным путём получают из азота, соединяя его с водородом. Азот берут из воздуха, водород - из воды. Впервые метод разработал немецкий химик Фриц Габер. Промышленный способ получения аммиака стали называть процессом Габера.

Реакция проходит с уменьшением объёма и выделением энергии в виде тепла:

3H 2 + N 2 → 2NH 3 + Q.

Реакция обратима, поэтому необходимо соблюсти несколько условий. При высоком давлении и низких температурах объём полученного аммиака увеличивается. Однако низкие температуры замедляют скорость реакции, а повышение температуры способствует увеличению скорости обратной реакции.

Опытным путём были найдены необходимые условия для проведения реакции:

• температура - 500°C;
• давление - 350 атм;
• катализатор - оксид железа Fe 3 O 4 (магнетит) с примесями оксидов серебра, калия, кальция и других веществ.

При таких условиях получившийся газ содержит 30 % аммиака. Чтобы избежать обратной реакции, вещество быстро охлаждают. При низких температурах получившийся газ превращается в жидкость. Неизрасходованные газы - азот и водород - возвращаются обратно в колонну для синтеза. Такой способ помогает быстро получить большие объёмы аммиака, максимально используя сырьё.

Рис. 1. Получение аммиака промышленным путём.

Чтобы найти нужный катализатор, было испробовано 20 тысяч разных веществ.

В лаборатории

Для получения аммиака в лаборатории используется реакция щелочей на соли аммония:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

Также аммиак лабораторным путём можно получить из хлорида аммония, нагретого вместе с гашёной известью, или разложением гидроксида аммония:

• 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
• NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O.

Рис. 2. Получение аммиака в лаборатории.

Полностью осушить аммиак можно с помощью смеси извести с едким натрием, через которую пропускают полученный газ. Для этой же цели жидкий аммиак смешивают с металлическим натрием и подвергают дистилляции.

Аммиак легче воздуха, поэтому для его сбора пробирку держат вверх дном.

Применение

Аммиак используется в разных отраслях:

• в сельском хозяйстве - для производства азотсодержащих удобрений;
• в промышленности - для производства полимеров, взрывчатых веществ, искусственного льда;
• в химии - для изготовления азотной кислоты, соды;
• в медицине - в качестве нашатырного спирта.

Рис. 3. Производство удобрений.

Что мы узнали?

Аммиак получают промышленным и лабораторным путём. Для получения в промышленных масштабах используется азот и водород. Смешиваясь под высокой температурой, давлением и под действием катализатора, простые вещества образуют аммиак. Чтобы реакция при высокой температуре не пошла в обратную сторону, газ охлаждают. В лаборатории аммиак получают при реакции солей аммония со щелочами, гашёной известью или путём разложения гидроксида аммония. Аммиак применяется в химической промышленности, сельском хозяйстве, медицине, химии.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 263.