실험실 반응식에서 암모니아 얻기. 암모니아 생산을 위한 원료

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 (올륨)

분쇄한 정제된 습식 황철광(황철광)을 위에서부터 가마에 붓고 "에서 소성" 유동층". 아래에서(역류 원리) 산소가 풍부한 공기가 통과합니다.
용광로 가스는 용광로에서 나오며 구성은 SO 2, O 2, 수증기(황철광이 젖음) 및 가장 작은 콘크리트 입자(산화철)입니다. 가스는 고체 입자의 불순물(사이클론 및 전기 집진기에서)과 수증기(건조탑에서)로부터 정화됩니다.
접촉장치에서는 V2O5촉매(5산화바나듐)를 이용하여 이산화황을 산화시켜 반응속도를 높인다. 한 산화물이 다른 산화물로 산화되는 과정은 가역적입니다. 따라서 직접 반응의 흐름을위한 최적의 조건이 선택됩니다 - 압력 증가 (직접 반응이 총 부피의 감소로 진행되기 때문에) 및 500C 이하의 온도 (반응이 발열이기 때문에).

흡수탑에서 황산화물(VI)은 진한 황산에 의해 흡수됩니다.
많은 양의 열을 방출하면서 유황산화물이 물에 용해되어 생성된 황산이 끓어 증기로 변하기 때문에 수분 흡수는 사용되지 않습니다. 황산 미스트의 형성을 피하기 위해 98% 진한 황산을 사용하십시오. 황 산화물은 이러한 산에 매우 잘 용해되어 발연유를 형성합니다. H 2 SO 4 nSO 3

암모니아의 산업 생산

미리, 질소-수소 혼합물이 얻어진다. 수소는 메탄(천연 가스에서)을 전환하여 얻습니다.

CH 4 + H 2 O (g) → CO + ZH 2 - Q

2CH 4 + O 2 → 2CO + 4H 2 + Q

CO + H 2 O (g) → CO 2 + H 2 + Q

질소는 액체 공기에서 얻습니다.

터보차저에서 혼합물은 25·10 6 Pa의 필요한 압력으로 압축됩니다. 합성 컬럼에서 가스는 촉매(Al 2 O 3 및 K 2 O의 불순물이 포함된 다공성 철) 존재 하에 450-500 °C에서 반응합니다.
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 + 92 kJ (출력 10-20% 암모니아)

생성된 암모니아는 냉장고에서 액화에 의해 미반응 질소 및 수소로부터 분리되어 미반응 질소-수소 혼합물을 합성 컬럼으로 되돌려 보냅니다.
그 과정은 연속적이고 순환적입니다.

적용 분야: 질소 비료, 폭발물, 플라스틱 등의 생산

메틸알코올 생산

산업 발전 이전에 메탄올을 얻는 촉매 방법은 목재의 건식 증류에 의해 얻어졌습니다(따라서 "목 알코올"이라는 이름). 이때 이 방법은 2차적으로 중요합니다.

현대적인 방법:

원료: 합성 가스 - 일산화탄소(II)와 수소(1:2)의 혼합물.

보조 재료: 촉매(ZnO 및 CuO).

주요 화학 공정: 250°C의 온도와 7MPa의 압력에서 합성 가스가 촉매적으로 메탄올로 전환됩니다.

CO + 2H 2 ↔ CH3OH + Q

기술 공정의 특징: 가스 혼합물이 촉매층을 통과할 때 10-15% 메탄올이 형성되어 응축되고, 미반응 혼합물은 합성 가스의 신선한 부분과 혼합되고 가열 후 다시 촉매층(순환). 전체 수율은 85%입니다.

중압에서 메탄올과 암모니아를 합성하기 위한 조건은 유사하며 두 공정 모두 원료(천연가스)가 공통적이다. 따라서 대부분의 경우 메탄올과 암모니아 생산이 결합됩니다(질소 비료 공장).

질소 화합물은 다양한 산업과 농업에서 매우 중요합니다. 질산, 다양한 광물질 비료, 고분자 재료, 폭발물 및 로켓 연료, 염료 및 의약품 생산에 소비됩니다.

질소는 상당히 흔한 화학 원소 중 하나입니다. 전체 행성에 대한 클라크 (% wt.)는 0.01, 지각의 경우 0.04, 대기의 경우 - 75.5입니다. 지각에 존재하는 질소의 형태는 매우 다양합니다. 광물, 석탄, 석유 및 기타 화석 연료에서 발견됩니다. 질소는 단백질 구조를 구성하는 요소 중 하나인 지구 생명체에게 가장 중요합니다. 무화과에. 8.1은 지구상에 질소가 존재하는 형태와 그 안의 원소 함량을 보여준다.

그림 8.1 - 암석권에 존재하는 질소의 형태

질소의 주요 천연 공급원은 대기입니다. 그 안에있는 질소의 질량은 4 × 10 15 톤입니다. 그러나 기체 분자 질소는 가장 안정적인 화학 물질 중 하나입니다. 질소 분자의 결합 에너지는 940.5 kJ/mol입니다. 자연 조건에서 반응에 따라 낙뢰 방전의 결과로 소량의 대기 질소 만이 생물학적으로 동화 가능한 형태로 전달됩니다.

또는 효소에 의해 촉매되는 광합성 동안 아미노산 형태로 제한된 식물 종에 의해 직접 고정됨

대부분의 유기체(고등 식물 및 동물)는 산화 상태가 -3인 화합물의 형태로 질소를 동화시키고 대기 질소를 사용할 수 없습니다. 산업에서 질소 화합물을 사용하는 경우에도 마찬가지입니다.

대기 질소가 동화되거나 실현될 수 있는 상태로 전환되는 속도는 자연적 과정에서 매우 낮습니다. 평균적으로 생명체에 필요한 질소의 절반은 108년 동안 대기를 통해 돌아옵니다. 동시에 현대 문화 농업의 조직은 식물 영양에 필요한 질소의 90%인 연간 8,800만 톤에 도달하여 파종된 지역에서 동화 가능한 질소를 지속적으로 제거하는 것과 관련이 있습니다. 따라서 주요 임무는 식물에 동화 된 형태로 토양의 질소 매장량을 지속적으로 보충하는 것입니다. 19 세기 말까지 천연 비료는 "결합 된"질소의 공급원으로 사용되었으며 자연적으로 매장량이 매우 제한된 질산 나트륨 및 질산 칼륨과 같은 소량의 천연 염만 제공되었습니다. 경작된 농업의 규모가 증가하고 다양한 질소 화합물에 대한 산업의 요구는 이러한 화합물을 얻기 위한 산업적 방법, 즉 대기 질소를 "결합"하는 방법의 개발을 필요로 했습니다.

8.1.2. 대기 질소 고정 방법

20세기 초에 분자 질소로부터 화합물을 합성하는 세 가지 기술적 방법이 거의 동시에 개발되었습니다. 아크, 시안아미드 및 암모니아.

이러한 질소 고정 방법의 비교 에너지 소비는 표에 나와 있습니다. 8.1

표 8.1 - 질소 고정 방법의 에너지 강도

암모니아 고정 방법은 가장 에너지 적으로 유리하여 광범위한 산업 구현으로 이어졌습니다.

8.2. 암모니아를 얻습니다. 일반 정보

암모니아는 대기 질소로부터 산업적 규모로 생산되는 가장 중요하고 실질적으로 유일한 질소 화합물입니다. 따라서 다른 모든 질소 화합물을 얻기 위한 중간체로 간주되어야 합니다.

8.2.1. 암모니아의 기술적 특성

암모니아 NH 3 는 끓는점이 -33.35 ℃이고 녹는점이 -77.75 ℃인 무색 기체입니다. 비정상적으로 높은 끓는점과 녹는점은 암모니아의 높은 끓는점과 높은 녹는점으로 인한 분자의 결합으로 설명됩니다. 극성과 수소 결합의 형성. 암모니아는 물(물 1리터당 750리터)에 잘 용해되며 유기 용매에는 거의 용해되지 않습니다.

암모니아 수용액에는 공융을 형성하는 수화물과 반응의 결과로 소량의 이온화된 분자가 포함되어 있습니다.

이 반응의 평형 상수는 0.004의 해리도에 해당합니다. 1300 0 C 이상의 온도에서 암모니아는 질소와 수소로 해리됩니다.

건식 암모니아는 공기와 폭발성 혼합물을 형성하며, 폭발 한계는 온도에 따라 다르며 18 0 C에서 가스 혼합물의 암모니아 함량 범위가 0.155 ~ 0.270 vol입니다. 주식. "암모니아-공기" 시스템의 이러한 특징은 원료가 암모니아-공기 혼합물인 암모니아 산화에 의한 질산 생산에서 고려됩니다.

8.2.2. 암모니아 사용 분야

암모니아는 산업, 농업 및 일상 생활에서 사용되는 수많은 질소 함유 물질의 생산을 위한 핵심 제품입니다. 무기 및 유기 기술의 대상 제품 및 반제품으로 사용되는 거의 모든 질소 화합물은 현재 암모니아를 기반으로 생산됩니다. 무화과에. 8.2는 산업 및 농업에서 암모니아 사용의 주요 영역을 보여줍니다.

그림 8.2 - 암모니아 사용

8.2.3. 암모니아 생산을 위한 원료

질소 혼합물(ABC)- 화학량론적 조성의 암모니아 생산 원료 N 2: H 2 = 1: 3. 대기 질소 자원은 실질적으로 고갈되지 않기 때문에 암모니아 생산의 원료 기반은 혼합물의 두 번째 성분인 수소, 역 코크스 가스의 분리, 고체 연료의 가스화, 천연 가스 전환에 의해 얻을 수 있습니다(그림 8.3).

그림 8.3 - 암모니아 생산을 위한 원료

암모니아 생산을 위한 원료 기반의 구조가 바뀌었고 현재 암모니아의 90% 이상이 천연 가스를 기반으로 생산됩니다. 테이블에서. 8.2는 암모니아 생산을 위한 주요 원료 유형의 구조 변화의 역학을 보여줍니다.

표 8.2 - 암모니아 생산 원료 기반의 변화

질소 - 수소 혼합물은 제조 방법에 관계없이 물질의 불순물을 포함하고 있으며 그 중 일부는 촉매 독으로 가역성(산소, 탄소 산화물, 수증기) 및 비가역성(다양한 황 및 인 화합물) 중독을 유발합니다. 촉매. 이러한 물질을 제거하기 위해 ABC는 예비 정제를 거치며, 그 방법과 깊이는 특성과 함량, 즉 ABC의 생산 방법에 따라 다릅니다. 일반적으로 천연 가스를 변환하여 얻은 ABC는 일산화탄소(IV), 메탄, 아르곤, 미량의 산소 및 최대 0.4% 부피를 포함합니다. 일산화탄소(II).

산업계에서 ABC를 정제하기 위해서는 액체흡수제를 이용한 흡착(습식법)과 고체흡수제를 이용한 흡착(건식) 방법이 사용된다. 이 경우 청소 프로세스는 다양한 생산 단계에서 수행할 수 있습니다.

• 전환을 위해 제출하기 전에 소스 가스;
• 가스로부터 일산화탄소(IV)를 제거하기 위해 변환된 가스;
• 암모니아 합성 직전의 질산 혼합물(미세 정제 ABC).

ABC의 정밀 정제는 액체 시약으로 불순물을 화학 흡착하고 마지막으로 촉매 수소화 또는 액체 질소로 ABC를 세척함으로써 달성됩니다.

일산화탄소(IV)와 황화수소를 제거하기 위해 ABC는 불안정한 열 염을 형성하는 알칼리 시약으로 패킹된 타워에서 세척됩니다. 이 경우 반응은 다음과 같이 진행됩니다.

일산화탄소(II)는 ABC에서 구리-암모니아 구리 아세테이트 용액으로 세척하여 제거합니다.

화학 흡착에 사용되는 흡수제는 ABC에서 흡수된 것과 불안정한 화합물을 형성합니다. 따라서 용액을 가열하고 압력을 낮추면 용해 된 불순물이 탈착되어 흡수제를 재생하고 공정으로 되돌리기 쉽고 계획에 따라 순환 흡수 작동을 보장합니다.

여기서 P는 ABC에서 흡수된 혼합물입니다. A - 흡수제; PA는 혼합물과 흡수제의 조합입니다.

일산화탄소(II)로부터 ABC를 정제하는 보다 효과적인 방법은 현대 설비에서 사용되는 –190 0 С의 액체 질소로 ABC를 세척하는 것입니다. 그것에서 제거되었습니다.

메탄, 또는 전촉매- 불순물의 촉매적 수소화에 의한 ABC의 최종 정제 방법. 이 공정은 니켈-알루미늄 촉매(Ni + Al 2 O 3)에 대해 250-300 ℃의 온도와 약 30 MPa의 압력에서 특수 메탄화 장치(그림 8.4)에서 수행됩니다. 이 경우 철 촉매의 독이 아닌 산소 함유 불순물이 메탄으로 환원되는 발열 반응이 진행되고 정제 가스가 냉각되어 제거되면 물이 응축됩니다.

철 촉매가 전 촉매 작용에 사용되면 수소화 과정에서 일부 암모니아도 형성됩니다. 이 경우 전 촉매 작용을 사전 촉매라고 합니다. 생산.

합성을 위해 공급되는 정제된 ABC는 최대 0.0025 부피 분율의 아르곤, 0.0075 부피 분율의 메탄, 그리고 가장 강력한 촉매 독인 일산화탄소(II)의 0.00004 부피 분율 이하를 포함합니다.

그림 8.4 - ABC 메탄화 플랜트의 계획:

1. 압축기;
2. 히터;
3. 메탄화 반응기;
4. 메탄화 반응기;
5. 온수기;
6. 콘덴서;
7. 제습기

8.3. 화학 및 생산 회로도

질소-수소 혼합물로부터 암모니아 합성 과정의 주요 단계는 다음 방정식으로 설명됩니다.

ABC를 얻는 주된 방법은 메탄을 공기 및 증기로 전환하는 것이기 때문에 암모니아 생산을 위한 화학 반응식은 이 반응 외에도 공기 및 증기 개질의 여러 반응을 포함합니다.

일산화탄소(II)의 일산화탄소(IV)로의 후속 전환:

기체 혼합물에서 일산화탄소(IV)를 제거하고 조성을 수정한 후 질소와 수소 함량이 1:3인 ABC를 얻습니다.

따라서 암모니아의 현대 생산은 ABC 준비 및 암모니아로의 전환의 두 단계로 구성되며 ABC 획득, 정제 및 암모니아 합성 작업을 결합하고 모든 단계의 열 효과를 효과적으로 사용하는 단일 에너지 기술 계획을 나타냅니다. 여러 번 전기 비용을 줄일 수있는 프로세스. 무화과에. 8.5는 위에서 논의한 화학 반응식에 해당하는 암모니아 생산의 개략도를 보여줍니다.

그림 8.5 - 암모니아 생산의 개략도:

1. 황 화합물에서 천연 가스 정화;
2. 메탄의 증기 개질;
3. 메탄의 공기 전환;
4. 일산화탄소(II)의 전환;
5. 화학흡착 정제 ABC;
6. 메탄화;
7. 암모니아 합성;
8. 암모니아 흡수;
9. 암모니아 압축.

8.4. 암모니아 합성의 물리화학적 염기

8.4.1. 시스템에서 공정의 평형과 속도

시스템의 균형. ABC에서 암모니아 합성 반응- 불균일 촉매 가역 발열 반응은 부산물 형성 없이 부피 감소와 함께 진행되며 방정식으로 설명됩니다.

반응의 열 효과는 온도와 압력에 따라 달라지며 500℃의 온도와 30MPa의 압력에서 111.6kJ입니다.

반응 평형 상수는

테이블에서. 8.3은 중간(30 MPa) 및 높은(100 MPa) 압력에서 다양한 온도에 대한 평형 기체 혼합물의 암모니아 함량을 보여줍니다.

표 8.3 - 가스 혼합물의 암모니아 함량(부피 공유)

온도와 압력에 대한 평형 기체 혼합물의 암모니아 함량 의존성은 그림 1에 나와 있습니다. 8.6.

그림 8.6 - 온도(a)와 압력(b)에 대한 혼합물의 암모니아 함량 의존성

테이블에서. 8.3 및 그림. 8.6 압력의 증가와 온도의 감소는 합성 반응의 평형을 이동시키고 암모니아의 평형 수율을 증가시킨다. 그러나 실제 목적을 위해 충분히 높은 기체 내 암모니아의 평형 함량은 400℃를 초과하지 않는 온도, 즉 공정 속도 및 결과적으로 평형 상태에 도달하는 시간이 다음과 같은 조건 하에서만 달성될 수 있습니다. 매우 낮습니다. 따라서 실제 조건에서 가스 혼합물의 암모니아 함량은 무시할 수 있으므로 합성 공정이 비효율적이고 경제적으로 비효율적입니다.

프로세스 속도.비교적 높은 온도에서도 질소 분자의 활성화 에너지가 높고 균질한 기체 상태에서 암모니아 합성 과정이 실질적으로 불가능합니다. 활성화 에너지를 줄이기 위해 촉매를 사용하여 공정 온도를 크게 낮춥니다.

암모니아 합성 반응은 d- 및 f-전자 준위가 불완전하게 구축된 금속에 의해 촉진됩니다. 여기에는 철, 로듐, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 백금, 우라늄 및 기타 금속이 포함됩니다. 산업 분야에서는 철을 기반으로 한 접촉 질량이 사용됩니다. 예를 들어, GIAP 촉매구성

그것은 저렴하고 450-500 ° C의 온도에서 매우 활성이며 다른 촉매보다 촉매 독에 덜 민감합니다. 발기인접촉 덩어리의 일부로 고도로 발달된 표면 생성에 기여하고 촉매의 재결정화를 방지하며 활성을 증가시킵니다.

접촉 물질은 질소 분위기에서 산화철 Fe 3 O 4 , 알루미늄 Al 2 O 3 , 칼륨 K 2 O, 칼슘 CaO 및 규소 SiO 2 또는 금속 분말(철 및 알루미늄)의 혼합물을 칼슘 산화물과 융합하여 제조됩니다. 및 규소 및 탄산칼륨을 첨가한 후 덩어리를 촉매 입자 크기(5mm)로 분쇄하고 암모니아 합성 컬럼에서 수소로 환원시킨다. 동시에 반응이 일어난다.

철촉매는 400~500℃ 이상의 온도에서 최대 활성을 가지므로 ABC의 암모니아로의 높은 전환율을 확보할 수 없기 때문에 암모니아 합성은 평형과 거리가 먼 조건에서 이루어지며 직접적인 반응속도는 프로세스의 전체 속도에 결정적인 영향을 미칩니다.

속도 상수는 촉매의 온도, 활성 및 조건에 따라 다릅니다. 온도에 대한 상수의 의존성은 Arrhenius 방정식으로 표현됩니다.

여기서 공업용 철 촉매에 대한 반응의 활성화 에너지는 165kJ/mol입니다.

8.4.2. 합성 공정의 최적 모드

8.4.1에서 온도와 압력이 시스템의 상태와 암모니아 합성 속도에 반대 방향으로 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 즉, 열역학과 공정의 동역학 간에 모순이 있습니다. 따라서 암모니아의 수율과 촉매의 비 생산성은 주로 이러한 매개변수뿐만 아니라 기체 혼합물의 조성 및 공간 속도, 촉매의 활성 및 반응기 설계에 따라 달라집니다.

고압 적용공정의 추진력을 증가시키고 암모니아 해리의 역반응 속도를 감소시켜 합성 공정의 속도를 증가시키고 응축에 의해 기체 혼합물로부터 형성된 암모니아의 분리를 촉진한다.

최적의 온도공정은 암모니아 생산인 발열 가역 촉매 공정의 생성물 수율에 대한 온도의 영향에 대한 일반 법칙에 의해 결정됩니다(그림 8.7).

그림 8.7 - 합성 후 가스의 암모니아 함량이 온도와 가스 체적 속도에 의존함(W3 > W2 > W1).

기체 혼합물 W의 공간 속도의 각 값에 대해, 그 안의 암모니아 함량은 최대 공정 속도 및 기체의 암모니아 함량에 해당하는 특정 한계까지 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 분명히, 이 온도는 촉매의 가장 높은 강도에 해당합니다.

공간 속도를 높이면 암모니아 출력이 감소합니다. 서로 다른 체적 속도 w 값에 대한 곡선 w NH3 = f(T)의 최대값을 연결하는 선 A는 최적 온도 곡선에 해당하고 선 BB는 평형 곡선을 나타냅니다.

그러나 가스의 체적 속도가 증가하면 촉매의 강도가 증가합니다(그림 8.8). 따라서 특정 한계까지 가스의 체적 속도 증가는 암모니아 출력에 긍정적인 영향을 미칩니다.

그림 8.8 - Р1 > P2에서 공간 속도에 대한 촉매 강도의 의존성

추가 증가는 가스 운송 비용의 증가, 자열의 위반 및 가스 혼합물에서 암모니아 방출의 완전성 감소로 이어집니다. 공간 속도의 상한은 일반적으로 합성 과정의 자열 특성에 의해 정확하게 결정됩니다. 실제로 중압 설비에서 가스 체적 속도는 h 내에서 선택됩니다.

변환 정도가 0.14 - 0.20 달러를 초과하지 않기 때문입니다. 장치에서 암모니아 합성 공정은 그림 3과 같이 반응하지 않은 ABC에서 생성 된 암모니아를 분리하고 나머지 부분을 반응기로 되돌려주는 순환 방식에 따라 구축됩니다. 8.9 암모니아의 합성은 부피 감소와 함께 발생하기 때문에 불활성 불순물 (아르곤, 메탄)이 순환 ABC에 축적되어 질소 및 수소 농도의 감소로 인해 암모니아 수율이 감소합니다. 이를 제거하기 위해 순환 ABC의 일부가 퍼지 가스(스트리핑)로서 암모니아 사이클에서 주기적으로 제거됩니다.

그림 8.9 - 합성 순환 방식

그림 8.10 - 다양한 온도에서 접촉 시간에 대한 암모니아 수율의 의존성.

생성된 암모니아를 ABC로부터 분리하기 위해 암모니아 액화 온도로 냉각됩니다. 이 경우 암모니아의 일부가 ABC에 남아 있습니다. 농도는 온도에 따라 다르며 0.015vol. -20 0 С에서 최대 0.073 vol. USD 약 30 MPa의 압력에서 +20 0 C에서. 물과 암모니아 냉각을 사용할 때 순환 ABC에서 0.03 - 0.05 vol의 잔류 암모니아 함량을 제공합니다. USD

실제로 암모니아 합성은 평형과 거리가 먼 조건에서 수행되기 때문에 접촉 시간의 증가는 시스템의 평형 상태를 보장하는 데 사용할 수 없습니다(위 참조). 그러나 더 높은 온도에서는 평형 상태에 더 빨리 접근합니다. 무화과에. 8.10은 다양한 온도에서 접촉 시간에 대한 암모니아 수율의 의존성을 보여줍니다. 이로부터 더 높은 온도 T 2 에서 평형 상태가 더 낮은 온도 T 1 에서보다 더 빨리 도달할 수 있지만, 암모니아 수율은 더 낮습니다.

8.5. 암모니아 생산의 기술 계획

8.5.1. 생산 계획의 선택

질산 혼합물에서 암모니아를 생산할 때 결정적인 매개변수는 합성 압력입니다. 적용된 압력에 따라 합성 암모니아 생산을 위한 모든 시스템은 다음과 같이 나뉩니다.

• 저압 시스템(10–15 MPa);
• 중압 시스템(25–60 MPa);
• 고압 시스템(60–100 MPa).

수학적 모델링 방법을 통해 가장 경제적인 이점은 중간 압력에서 프로세스를 수행하는 것입니다. 가스 압축 단계, 암모니아 합성 및 ABC로부터의 응축, 자본 및 에너지 비용은 압력이 특정 한계까지 증가함에 따라 감소합니다. 최적 압력은 32MPa입니다. 압력이 더 증가해도 비용이 크게 감소하지는 않지만 생산 기술 계획이 복잡해집니다.

중간 압력 시스템에서는 공정의 충분히 빠른 속도, 가스 혼합물에서 암모니아 분리 용이성, 액체 및 기체 제품을 동시에 얻을 수 있는 가능성이 보장됩니다. 결과적으로 중압 설비는 세계 및 국내 관행에서 일반적입니다.

5.2. 생산 기술 계획

무화과에. 8.11은 현대 암모니아 생산의 기술 계획을 보여 주며 평균 압력에서 생산성은 1360 톤 / 일입니다. 작동 모드는 다음 매개 변수가 특징입니다.

그림 8.11 - 암모니아 생산의 기술 계획 :

1. 합성 컬럼;
2. 물 콘덴서;
3. 신선한 ABC와 순환 가스의 혼합기(인젝터);
4. 응축 컬럼;
5. 가스 분리기;
6. 액체 암모니아 증발기;
7. 원격 열교환기(폐열 보일러);
8. 파이프 압축기.

접촉 온도

• 450–550 0 С;
• 압력 32 MPa;
• 기체 혼합물의 체적 속도 4 × 10 4 nm 3 /m 3 h;
• 질소-수소 혼합물의 조성은 화학량론적입니다.

새로운 ABC와 압력 하에서 순환 가스의 혼합물은 혼합기 3에서 응축 컬럼 4로 공급되며, 여기서 암모니아의 일부는 순환 가스에서 응축되어 합성 컬럼 1로 들어갑니다. 컬럼에서 나오는 가스에는 다음이 포함됩니다. ~ 0.2 vol.)는 물 냉각기-응축기(2)로 보낸 다음 기체 분리기(5)로 보내져 액체 암모니아가 분리됩니다. 압축기 8 이후의 나머지 가스는 신선한 ABC와 혼합되어 먼저 응축 컬럼 4로 보내진 다음 액체 암모니아 증발기 6으로 보내집니다. 여기서 -20 ° C로 냉각되면 대부분의 암모니아도 응축됩니다. 그런 다음 약 0.03 vol.%의 암모니아를 포함하는 순환 가스가 합성 컬럼 1로 들어갑니다. 증발기 6에서 순환 가스의 냉각과 그 안에 포함된 암모니아의 응축과 동시에 액체 암모니아의 증발이 형성됩니다. 상업용 가스 제품의

기술 계획의 주요 장치는 RIV-N 반응기인 합성 컬럼입니다. 컬럼은 접촉 매스가 내부에 배치된 촉매 상자와 열교환 파이프 시스템을 포함하여 다양한 장치의 본체와 노즐로 구성됩니다. 암모니아 합성 공정을 위해서는 최적의 온도 체계가 필수적입니다. 최대 합성률을 확보하기 위해서는 높은 온도에서 공정을 시작해야 하며, 전환도가 증가할수록 최적 온도(OTT)선에 따라 그림 1과 같이 낮추어야 한다. 8.12a. 온도 제어 및 프로세스 자열은 접촉 질량 층에 위치한 열 교환기를 통해 그리고 추가로 열 교환기를 우회하여 냉각 ABC의 일부를 접촉 질량에 공급함으로써 보장됩니다(그림 8.12).

열 교환 장치, 촉매 상자 및 폐열 보일러를 통해 반응 혼합물 및 반응 생성물이 통과하는 동안 온도의 순차적인 변화를 고려하여 합성 컬럼의 온도 체계는 그래프로 나타낼 수 있습니다(그림 8.13) .

수소의 강철로의 확산 및 파괴에 기여하는 고온으로부터 컬럼 몸체를 보호하기 위해 컬럼에 들어가는 차가운 ABC는 촉매 상자로 들어가기 전에 먼저 몸체와 패킹 사이의 환형 공간을 통과하여 지속적으로 세척합니다. 기둥 벽 및 냉각.

그림 8.12 - 촉매 상자(a)의 온도 변화. 촉매 상자(b)에 ABC 진입 방식.

그림 8.13 - 합성 컬럼의 온도 변화 그래프

산업계에서는 액체 암모니아와 그 수용액(암모니아수)의 두 가지 등급(첫 번째 및 두 번째)이 생산됩니다. GOST 6221-75에 따르면 1등급 암모니아는 최소 99.9%, 2등급 암모니아는 최소 99.6% NH 3 를 함유해야 합니다. 1등급 암모니아는 냉동기 및 광물질 비료의 냉매로 사용되며, 2등급은 질산 생산에 사용됩니다.

8.6. 암모니아 생산 개선

암모니아의 산업적 생산을 개선하는 것은 다음과 같은 주요 영역에 있습니다.

• 천연 가스 및 정유 가스 사용을 기반으로 한 기본 유기 합성 생산과 암모니아 생산의 협력;
• 대형(최대 3000톤/일) 단위 용량의 골재 생성;
• 촉매의 유동층과 함께 합성 컬럼의 사용;
• 낮은(300℃) 발화 온도로 독에 내성이 있는 새로운 촉매의 개발로 낮은(10MPa) 압력에서 암모니아 수율을 감소시키지 않고 합성 공정을 수행할 수 있습니다.

수업 목표.

• 교육적인- 수업 중에 암모니아, 구조, 특성, 생산 및 사용에 대한 학생들의 새로운 지식 형성을 보장합니다.
• 암모니아 분자의 구조를 고려하십시오. 학생들에게 수소 결합을 소개합니다. 암모니아의 성질을 알아본다. 화학 결합 형성의 공여체-수용체 메커니즘 고려
• 교육적인- 비교, 일반화, 사고력 개발, 주제에 대한 관심.
• 교육적인- 화학실에서의 행동, 영상 시청 시 관찰, 정보 소통 문화 형성.

장비. 암모니아수, 결정질 NH4Cl 및 Ca(OH)2, 페놀프탈레인, 기체 획득 장치, HCl(농축), KMnO4(O2 획득용), KI, 전분, 리트머스 테스트, 결정화 장치, 실린더, 유리 막대, 실험실 스탠드.

수업 중

I. 기초지식의 실현.

우리는 화학 운동을 합니다.

a) 질소의 가능한 산화 상태를 명명하고,

b) 질소는 어떤 경우에 산화 특성을 나타내며 어떤 경우에 환원합니까?

c) 질소의 물리적 특성을 나열하십시오.

d) 질소의 화학적 불활성에 대한 이유는 무엇입니까?

e) 질소는 어떤 조건에서 다른 물질과 반응합니까?

e) 자연에서 질소는 어떤 형태로 발생합니까?

h) 자연의 삶에서 질소의 역할은 무엇입니까?

Ⅱ. 새로운 자료를 학습합니다.

1. 분자의 구조.

냉장고 문을 열면 차가움이 느껴진다. 그렇다면 이 현상을 일으키는 물질은 무엇일까요?

쌍으로 작업하십시오.

지시 번호 1.

1. 질소의 수소화합물에 대한 반응식을 쓰시오.

2. 이 화합물의 전자식과 구조식을 그리시오.

3. 이 분자의 화학 결합을 결정하십시오.

4. 질소 원자에서 전자 구조의 어떤 특징을 볼 수 있습니까?

학생들은 교과서 pp. 47-48과 함께 짝을 지어 독립적으로 작업합니다.

그런 다음 멀티미디어를 통해 완료된 작업의 정확성을 확인합니다(슬라이드 1, 2, 3, 4) 프레젠테이션 .

2. 암모니아의 물리적 특성을 결정하십시오.

문제 질문입니다.암모니아가 물에 잘 용해되는 이유는 무엇입니까?

암모니아의 결정 격자는 분자입니다. 분자는 가볍지만 질소 분자와 달리 극성입니다.

따라서 암모니아의 끓는점과 녹는점은 얼마입니까?

학생: 낮은 것으로 가정할 수 있습니다.

분자의 극성으로 인해 정전기적 인력을 분자간 힘에 연결할 수 있기 때문입니다.

분자의 구조는 또한 물에 대한 좋은 용해도를 예측하는 것을 가능하게 합니다.

이것은 분자 사이에 특별한 화학 결합인 수소가 나타나기 때문입니다. (슬라이드 번호 5). 질소 원자는 암모니아 분자에 자유 전자쌍이 있고 수소 원자에 부분(+) 전하가 있고 질소 원자에 부분(-) 전하가 있습니다.

수소는 한 분자의 수소 원자와 다른 분자(F, O, N)의 음전기 원소 원자 사이의 결합입니다. (슬라이드 번호 5)

결론: 압력이 증가하면 암모니아는 액체 상태로 변합니다. 압력 감소와 함께 액체 암모니아의 증발은 주변 물체의 강한 냉각을 동반합니다. 이 속성은 냉동 장치에 사용됩니다.

• 암모니아는 무색 기체입니다.
• 그것은 그의 입을 간질입니다.
• 코를 찌르고 눈을 찌릅니다.
• 암모니아는 유독하다!
• 암모니아는 용매입니다.
• 기체에서 액체로의 변화
• 암모니아는 다이아몬드입니다.
• 또한 전류를 전도하지 않습니다.
• 건조한 암모니아
• 공중에서 폭발합니다.
• 물에 녹습니다.
• 폭발물, 비료

다음은 그 용도에 대한 포괄적이지 않은 목록입니다.

3. 실험실에서 암모니아 얻기.

우리는 경험을 보여줍니다. 염화 암모늄과 수산화 칼슘의 혼합물을 가열합니다.

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

생성된 암모니아는 물에 용해되고 여기에 페놀프탈레인이 첨가됩니다. 암모니아 용액이 보라색으로 변합니다.

암모니아 용액이 보라색으로 변하는 이유는 무엇입니까?

재학생: 용액에 존재하는 수산화 이온, 알칼리성 매질.

선생님. 암모니아수에서 대부분의 암모니아는 NH3 분자의 형태로 평형이 왼쪽으로 이동하고(NH3는 약한 전해질이기 때문에) 이러한 물에는 많은 NH3 분자가 포함되어 있어 암모니아 냄새가 난다. 나는 강한 냄새가 나는 물질의 용액을 올바르게 취급하는 방법을 보여줍니다.

가열 시 페놀프탈레인으로 염색된 암모니아수의 변색을 시연합니다.왜 이런 일이 일어났습니까?

재학생: 약한 연결.

가열되면 가스 (NH3- 가스)의 용해도가 감소하고 암모니아가 증발하며 반응 평형이 훨씬 더 왼쪽으로 이동하고 수산화물 이온 (OH)은 실제로 용액에 남아 있지 않습니다. 수용액은 중성이 됩니다.

문제 질문:어떤 원료와 어떤 방식으로 질소 비료를 생산할 수 있습니까?

재학생그것은 공기의 질소에서 추정됩니다.

이 과제는 D.I. Mendeleev에 의해 러시아 과학에 제출되었으며, 그는 다음과 같이 썼습니다. 그런 방법의 발견."

대기 질소를 산업적으로 결합하는 가장 비용 효율적인 방법은 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 것입니다.

선생님: 이 반응을 설명하십시오.

재학생:

• 발열
• 거꾸로 할 수 있는
• 촉매
• 이질적인
• 볼륨 감소와 함께

선생님: 암모니아의 수율을 높이려면 어떤 평형 이동 조건이 필요합니까?

재학생: 온도 감소, 압력 증가.

암모니아의 생산량은 낮고 그러한 지표로 산업 합성을 수행하는 것은 수익성이 없습니다.

우리는 학생들과 암모니아의 실제 수율을 높일 수 있는 가능성에 대해 논의합니다.생산 효율의 중요한 기준은 반응기의 생산성입니다. 반응이 진행됨에 따라 질소-수소 혼합물의 암모니아 농도 증가에 대한 정량적 데이터를 분석하면 반응 시간을 줄임으로써 반응기의 생산성을 높일 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이것은 반응기를 통한 가스 혼합물의 통과당 암모니아의 출력을 감소시키고 미반응 가스를 생산으로 되돌릴 수 있습니다. 따라서 순환의 아이디어는 원자로의 생산성을 높이는 경제적으로 편리한 중요한 기술 원리입니다. 원료의 품질에 대한 요구 사항이 필요하며 아르곤, 메탄과 같은 불순물이 가능한 한 적게 포함되어야 합니다. 원료는 촉매에 유독한 물질(예: 황 화합물)을 철저히 청소해야 합니다. 암모니아 합성을 위한 촉매는 철이며, 첨가제(알루미늄 및 산화칼륨)에 의해 활성화되어 높은 안정적인 활성을 제공합니다.

4. 암모늄 양이온의 형성은 기증자-수용체 메커니즘에 따라 진행됩니다.

질소 원자는 자유 전자 쌍을 가지고 있기 때문에 수소 양이온과 또 다른 공유 결합이 형성되어 물이나 산 분자에서 암모니아로 전달됩니다. (슬라이드 번호 6)

이 메커니즘에 의해 물 분자의 수소 양이온 +H가 암모니아 분자에 추가되고 +NH4 이온이 형성되는데, 여기서 교환 메커니즘에 의해 3개의 공유 결합이 형성되고, 도너-수용체 메커니즘에 의해 네 번째 공유 결합이 형성됩니다. 그러나 모든 연결은 동일합니다.

5. 화학적 특성.

a) 물에 대한 암모니아의 용해도.

시연 경험:암모니아로 채워진 시험관을 물과 함께 결정화기에 넣고 여기에 약간의 페놀프탈레인을 첨가했습니다. 물은 시험관을 빠르게 채우고 암모니아 용액은 진홍색으로 변합니다.

물에 대한 암모니아의 용해도는 매우 높습니다. 1 부피의 물에 700 부피의 암모니아가 용해됩니다. 암모니아가 물에 잘 녹는 이유는 무엇입니까?

재학생. 그 이유는 수소 결합이 형성되기 때문입니다.

선생님: 암모니아 수용액은 어떤 환경을 가지고 있습니까?

재학생: 알칼리성.

선생님: 그렇다면 암모니아 수용액은 어떤 성질을 가져야 할까요?

재학생: 기초적인.

이로부터 어떤 결론을 내릴 수 있습니까?

결론: 암모니아수는 염기입니다.

선생님: 암모니아 수용액이 염기라면 어떤 물질과 상호작용할 것인가?

재학생: 산으로.

시연 경험:"불 없는 연기", 우리는 암모니아와 염산의 농축 용액으로 적신 두 개의 유리 막대를 서로 가져옵니다. 이 막대기 사이에 많은 연기가 나타납니다.

암모니아 수용액과 염산의 반응을 완전 이온 반응식과 짧은 이온 반응식으로 쓰시오.

한 학생이 칠판에 반응식을 적은 다음 공책의 내용을 확인합니다.

NH 3 + HCl \u003d NH 4 Cl

선생님: 어떤 종류의 소금이 만들어지고 이름을 붙였습니까?

학생들은 이 소금의 이름을 지었습니다.

산과의 상호작용 시 암모늄 양이온의 형성은 공여체-수용체 메커니즘에 따라 진행됩니다.

공여자는 질소이고 수용체는 수소이기 때문에 학생들의 주의를 끕니다. 질소에는 자유 전자쌍이 있고 수소에는 자유 궤도가 있습니다.

암모니아에서 질소는 s.d가 더 낮습니다. (-삼).

그렇다면 산화 환원 반응에서 암모니아는 무엇입니까?

암모니아와 산소(촉매 유무)의 상호 작용에 대한 비디오를 시청하십시오.

비디오를 본 후 나는 남자들에게 산소와의 반응 방정식을 작성하고 s.d.를 적으라고 요청합니다. 전자 저울법에 의한 계수.

방정식 작성의 정확성을 확인합니다 (슬라이드 번호 7, 8)

결론: 암모니아의 질소는 d.d가 낮습니다. (-3) 따라서 질소는 전자만 제공할 수 있어 SD가 증가하므로 암모니아는 환원 특성만 나타냅니다. 암모니아의 화학적 성질은 s.d. 질소 및 공여체-수용체 메커니즘에 의한 공유 결합 형성.

III. 고정:

) 암모니아는 어떻게 식별할 수 있습니까? (냄새에 의해; 젖은 표시 용지를 얼룩지게 하여 - 파란색으로 변함; 진한 염산으로 적신 유리 막대를 들어올릴 때 연기의 출현으로).

b) 암모니아가 산과 반응할 때 어떤 종류의 반응이 일어나는가? (사이)

c) 암모니아와 인산의 반응에 대한 방정식을 작성하고 생성된 염의 이름을 지정하십시오.

IV. 숙제$17 c.52 운동 6,7,9- 1 레벨; 6-11- 2단계. 애플리케이션 노트와 암모니아 값을 준비하십시오.

암모니아 (질화수소, 화학식 NH 3)은 정상 조건에서 자극적인 냄새가 나는 무색 기체입니다. 그것은 화학 산업의 가장 중요한 제품 중 하나입니다. 연간 세계 생산량은 1억 5천만 톤에 이릅니다. 주로 질소 비료(질산암모늄 및 황산염, 요소), 폭발물 및 고분자, 질산, 소다(암모니아 공법) 및 기타 화학 제품의 제조에 사용됩니다. 액체 암모니아가 용매로 사용됩니다.

냉동에서는 냉매(R717)로 사용됩니다.

의학에서 암모니아라고 하는 10% 암모니아 용액은 실신(호흡 촉진), 구토 자극, 외부적으로는 신경통, 근염, 벌레 물림 및 외과의사의 손 치료에 사용됩니다. 부적절하게 사용하면 식도 및 위에 화상(원액 복용의 경우), 반사 호흡 정지(고농도 흡입 시)를 유발할 수 있습니다.

암모니아 생산 기술 + 비디오 입수 방법

이러한 방향의 일환으로 오늘날 많은 회사에서 다음 기술을 개발하고 설계하기 시작했습니다.

• 과량의 암모니아를 메탄올 생산으로 전환.
• 활성 장치 교체를 위한 현대 기술을 기반으로 한 생산 개발.
• 통합 생산 및 현대화 생성.

러시아에서 1톤의 암모니아를 생산하기 위해 유럽에서는 평균 1200nm³의 천연 가스가 900nm³ 소비됩니다. 벨로루시 "Grodno Azot"는 1200Nm³를 소비하며, 현대화 후에는 소비량이 876Nm³로 감소할 것으로 예상됩니다. 우크라이나 생산자는 750 nm³에서 1170 nm³까지 소비합니다. UHDE 기술에 따르면 톤당 6.7~7.4Gcal의 에너지 자원 소비가 선언됩니다.

암모니아를 생산하는 산업적 방법은 수소와 질소의 직접적인 상호 작용을 기반으로 합니다.

N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + + 91.84kJ

이것은 소위 Haber 프로세스(독일 물리학자, 이 방법의 물리화학적 기초를 개발함)입니다. 반응은 열 방출과 부피 감소로 발생합니다. 따라서 Le Chatelier 원리에 따라 가능한 가장 낮은 온도와 고압에서 반응을 수행해야 합니다. 그러면 평형이 오른쪽으로 이동합니다. 그러나 저온에서의 반응 속도는 무시할 수 있으며 고온에서는 역반응 속도가 증가합니다. 매우 높은 압력에서 반응을 수행하려면 높은 압력을 견딜 수 있는 특수 장비를 만들어야 하므로 막대한 투자가 필요합니다. 또한 700°C에서도 반응의 평형이 실제 사용하기에는 너무 느리게 설정됩니다. 다양한 온도 및 압력에서 Haber 공정의 암모니아 수율(부피 백분율)은 다음 값을 갖습니다.

촉매(Al2O3 및 K2O 불순물이 있는 다공성 철)를 사용하면 평형 상태 달성을 가속화할 수 있습니다. 흥미롭게도 이 역할을 위한 촉매를 찾기 위해 20,000개 이상의 다양한 물질이 시도되었습니다.

위의 모든 요소를 ​​고려하여 생산 공정은 다음과 같은 조건에서 수행됩니다.

• 온도 500 °C;
• 압력 350 기압;
• 촉매.

이러한 조건에서 암모니아의 수율은 약 30%입니다. 산업 조건에서는 순환 원리가 사용됩니다. 암모니아는 냉각에 의해 제거되고 미반응 질소와 수소는 합성 컬럼으로 반환됩니다. 이것은 압력을 증가시켜 더 높은 반응 수율을 달성하는 것보다 더 경제적인 것으로 판명되었습니다. 실험실에서 그것을 얻기 위해 암모늄 염에 대한 강 알칼리의 작용이 사용됩니다.

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

암모니아는 일반적으로 염화암모늄과 소석회 혼합물을 약하게 가열하여 실험실에서 얻습니다.

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

암모니아를 건조시키기 위해 석회와 가성 소다의 혼합물을 통과시킵니다. 매우 건조한 것은 금속 나트륨을 용해시킨 다음 증류하여 얻을 수 있습니다. 이것은 진공 상태에서 금속으로 만들어진 시스템에서 가장 잘 수행됩니다. 시스템은 고압을 견뎌야 합니다(실온에서 포화 증기압은 약 10기압입니다). 산업 생산에서 흡수 컬럼은 일반적으로 건조에 사용됩니다.

비디오 작업 방법:

암모니아 생산이 기술적 진보를 우회해서는 안 됩니다. 이것은 주로 에너지 절약에 관한 것입니다. 현대 기술을 개발하는 동안 화학 및 기술 프로세스를 모델링하는 데 필요한 소프트웨어가 매우 중요합니다.

반응 속도 및 화학 평형에 대한 온도, 압력 및 촉매의 영향은 화학 산업에서 많은 화학 제품 생산에 적극적으로 사용됩니다. 이 섹션에서는 암모니아의 산업적 생산에 대해 알아보고 이러한 모든 요소가 생산에 미치는 영향에 대해 자세히 설명합니다. 그런 다음 우리는 황산의 산업적 생산에 대해 알게 될 것입니다.

산업용 암모니아 생산

영국에는 8개의 암모니아 공장이 있습니다. 그들의 공동 생산성은 연간 2백만 톤을 초과합니다. 현재 전 세계적으로 연간 약 500만 톤의 암모니아가 생산됩니다. 무화과에. 7.1 암모니아 생산의 성장은 세계 인구의 성장과 비교됩니다. 왜 그렇게 많은 양의 암모니아를 생산해야 합니까?

쌀. 7.1. 세계 인구의 증가와 암모니아의 세계 생산.

표 7.2. 암모니아 및 관련 제품의 응용

질소 함유 비료 생산에 주로 필요합니다. 비료 생산은 생산되는 전체 암모니아의 약 80%를 소비] 질소 함유 비료와 함께 대부분의 식물에 필요한 가용성 형태로 토양에 시비됩니다. 생산된 암모니아의 나머지 20%는 폴리머, 폭발물 및 기타 제품을 생산하는 데 사용됩니다! 암모니아의 다양한 용도가 표에 나열되어 있습니다. 7.2.

암모니아 생산

암모니아를 생산하는 데 사용된 최초의 산업 공정은 시안아미드 공정이었습니다. 석회와 탄소를 가열하여 탄화칼슘을 얻은 다음, 탄화칼슘을 질소하에서 가열하여 시안화칼슘을 얻었다. 암모니아는 칼슘 시안아미드의 가수분해에 의해 얻어졌습니다:

이 과정은 많은 에너지를 필요로 하고 비경제적이었습니다.

1911년 F. Haber는 암모니아가 철 촉매를 사용하여 질소와 수소로부터 직접 합성될 수 있음을 발견했습니다. 이 방법으로 암모니아를 생산한 최초의 공장은 물에서 전기분해하여 얻은 수소를 사용하였고, 이후 코크스로 환원하여 물에서 수소를 얻기 시작하였다. 이 수소 생산 방법은 훨씬 더 경제적입니다.

프리츠 하버 (1868 1934)

1908년 독일 화학자 Haber는 암모니아가 철 촉매의 수소와 대기 질소에 의해 생성될 수 있음을 발견했습니다. 이 과정은 높은 압력과 적당히 높은 온도가 필요합니다. 하버의 발견으로 독일은 제1차 세계 대전 중에도 계속해서 폭발물을 생산할 수 있었습니다. 이때, 협상국의 봉쇄로 인해 이전에 폭발물 생산의 원료로 사용되었던 질산칼륨(칠레 초석)의 천연 매장량을 독일로 수입하는 것을 막았습니다.

Haber가 암모니아 합성 공정을 개발한 지 1년 후, 그는 용액의 pH(산-염기 특성)를 측정하기 위한 유리 전극을 만들었습니다(10장 참조).

Haber는 1918년에 노벨 화학상을 받았습니다. 히틀러가 집권한 후, Haber는 1933년에 독일에서 강제로 이주했습니다.

(암모니아에서 질산과 질산염의 생산은 섹션 1에 설명되어 있습니다)

현대 암모니아 생산 공정

암모니아를 얻는 현대적인 공정은 철 촉매를 사용하여 380-450 ° C의 온도와 250 기압의 압력에서 질소와 수소로부터의 합성을 기반으로합니다.

질소는 공기에서 얻습니다. 수소는 천연 가스 또는 나프타에서 나오는 메탄의 도움으로 물(증기)을 환원시켜 생성됩니다. 나프타(나프타)는 원유 처리 중에 얻어지는 지방족 탄화수소의 액체 혼합물입니다(18장 참조).

현대 암모니아 공장의 작업은 매우 복잡합니다. 무화과에. 그림 7.2는 천연 가스로 작동하는 암모니아 플랜트의 단순화된 다이어그램을 보여줍니다. 이 행동 계획에는 8단계가 포함됩니다.

1단계. 천연 가스에서 황 제거. 이것은 유황이 촉매 독이기 때문에 필요합니다(섹션 9.2 참조).

2단계. 니켈 촉매를 사용하여 750°C 및 30 atm의 압력에서 증기 환원에 의한 수소 생산:

3단계. 공기 흡입 및 주입된 공기의 산소 중 수소의 일부 연소:

결과는 수증기, 일산화탄소 및 질소의 혼합물입니다. 수증기는 두 번째 단계에서와 같이 수소의 형성과 함께 감소됩니다.

4단계. 다음 "이동" 반응에 의해 단계 2 및 3에서 형성된 일산화탄소를 이산화탄소로 산화:

이 공정은 2개의 "전단 반응기"에서 수행됩니다. 첫 번째 방법에서는 산화철 촉매가 사용되며 공정은 400°C 정도의 온도에서 수행됩니다. 두 번째는 구리 촉매를 사용하며 공정은 220°C의 온도에서 수행됩니다.

쌀. 7.2. 암모니아를 얻기 위한 산업 공정의 단계.

5단계. 탄산칼륨의 완충 알칼리 용액 또는 에탄올아민과 같은 일부 아민 용액을 사용하여 가스 혼합물에서 이산화탄소를 세척합니다. 이산화탄소는 결국 액화되어 요소를 만드는 데 사용되거나 대기 중으로 방출됩니다.

6단계. 4단계 이후에는 가스 혼합물에 약 0.3%의 일산화탄소가 남습니다. 암모니아 합성(8단계) 동안 철 촉매를 중독시킬 수 있기 때문에 325°C에서 니켈 촉매를 통해 수소에서 메탄으로 전환하여 일산화탄소를 제거합니다.

7단계. 현재 약 74%의 수소와 25%의 질소를 포함하는 가스 혼합물이 압축됩니다. 압력은 25-30 atm에서 200 atm으로 증가합니다. 이것은 혼합물의 온도를 증가시키기 때문에 압축 후 즉시 냉각됩니다.

8단계. 압축기의 가스는 이제 "암모니아 합성 주기"에 들어갑니다. 그림에 표시된 계획. 7.2는 이 단계를 간략하게 보여줍니다. 먼저, 가스 혼합물은 철 촉매를 사용하고 380-450°C의 온도를 유지하는 촉매 변환기로 들어갑니다. 이 변환기에서 나오는 가스 혼합물에는 15% 이하의 암모니아가 포함되어 있습니다. 그런 다음 암모니아가 액화되어 수용 호퍼로 보내지고 미반응 가스는 변환기로 되돌아갑니다.

암모니아 합성 공정을 위한 최적의 조건 선택

암모니아 합성 공정이 가능한 한 효율적이고 경제적이기 위해서는 실행 조건을 신중하게 선택해야 합니다. 이 경우 고려되는 가장 중요한 지표는 1) 출력, 2) 속도 및 3) 프로세스의 에너지 강도입니다. 공정의 8단계, 즉 암모니아 합성으로 직접 돌아가서 이 공정의 효율성에 대한 압력, 온도 및 촉매의 영향을 연구해 보겠습니다.

압력의 영향. 위에서 언급했듯이 암모니아의 생성은 다음 방정식으로 나타낼 수 있습니다.

이 반응의 평형 상수는 다음과 같이 주어진다.

이 식에 포함된 기체의 부분압을 몰분율과 시스템의 전체 압력 P로 표현하면 다음 식을 얻습니다.

이 표현은 다음과 같은 형식으로 단순화할 수 있습니다.

주어진 온도에서 값은 일정하게 유지되어야 합니다. 시스템의 전체 압력 P가 증가하면 위 식의 항은 감소해야 합니다. 크기가 일정하게 유지되어야 하므로 비율이 증가해야 합니다. 따라서 전체 압력의 증가는 증가 및 감소를 가져와야 하므로 압력의 증가는 정반응, 즉 암모니아 수율의 증가에 유리하다.

온도와 촉매의 영향. 암모니아 합성은 발열 과정입니다(표 7.1, a 참조). 따라서 온도의 증가는 역반응을 선호해야 합니다(이전 섹션 참조). 이것은 온도를 낮추면 암모니아 합성 반응의 수율이 증가해야 함을 의미합니다(그림 7.3). 그러나 불행하게도 낮은 온도에서 이 반응 속도, 따라서 암모니아 생성 속도가 크게 느려집니다. 즉, 저온에서 공정은 생산성이 낮아야 하므로 효율이 낮아야 합니다. 최적의 성능을 얻으려면 두 가지 극단 사이에서 절충안을 선택해야 합니다.

1) 높은 수율 및 낮은 반응 속도(저온에서) 및

2) 낮은 수율 및 높은 반응 속도(고온에서).

쌀. 7.3. Haber 공정에서 암모니아 수율에 대한 온도 및 압력의 영향("상대 수율"이라는 용어는 섹션 4.2에 설명되어 있음).

물론 촉매를 사용하여 반응속도를 높인다. 따라서 촉매는 공정이 저온에서 보다 효율적으로 수행되도록 합니다. 암모니아 합성에 사용되는 철 촉매의 효율은 소위 촉진제를 첨가하면 증가합니다. 철 촉매의 효율을 높이기 위해 칼륨과 알루미늄 산화물이 사용됩니다.

암모니아 합성 공정의 경제성에 대한 상세한 검토는 최적의 수율과 생산성을 달성하기 위해 온도를 약 400℃로 유지하고 압력을 250atm으로 유지해야 함을 보여줍니다.

에너지 균형

전형적인 암모니아 공장은 매일 약 1000톤의 암모니아를 생산합니다. 동시에 압축기가 작동하는 증기 터빈을 구동하기 위해 필요한 수증기는 6000톤/일입니다. 다행히도 암모니아 생산과 관련된 화학 공정은 발열 반응입니다. 암모니아 생산 공정의 초기 단계에서 방출되는 모든 에너지는 고압축 증기를 생산하는 데 사용됩니다. 암모니아 합성 자체(8단계)에서 직접 방출되는 에너지는 촉매 변환기의 온도를 400°C로 유지하는 데 사용됩니다. 암모니아 플랜트의 전체 열효율은 약 60%입니다. 즉, 천연가스가 공급하는 에너지 소비량의 약 40%가 열손실이다.

암모니아 플랜트의 설계 특징

현대식 암모니아 공장의 설계, 인력 배치 및 운영에는 자격을 갖춘 전문가의 참여와 정교한 엔지니어링 장비의 사용이 필요합니다. 예를 들어, 공기 압축 공정의 3단계와 합성 가스(질소와 수소의 혼합물) 압축을 위한 7단계에서 사용되는 압축기는 매우 높은 압력(경우에 따라 최대 350atm)을 견딜 수 있도록 설계해야 합니다. 이 압축기는 100atm의 압력과 400°C 이상의 온도에서 증기를 받는 증기 터빈에 의해 구동됩니다. 이러한 터빈은 분당 최대 수천 회전의 속도로 회전합니다.

암모니아 합성이 수행되는 반응기도 매우 높은 요구 사항을 충족해야 합니다. 이러한 원자로가 작동하는 높은 압력과 온도에서 수소는 금속으로 확산되어 강철을 공격할 수 있습니다. 결과적으로 수소는 강철에 포함된 탄소와 반응하여 메탄을 형성합니다. 이것은 금속에 구멍을 형성하고 강철을 취성으로 만듭니다. 이를 방지하기 위해 반응기는 크롬, 몰리브덴 및 니켈을 포함하는 특수 합금으로 구성됩니다.

암모니아 공장의 위치는 경제적으로도 매우 중요합니다. 이상적으로는 이러한 플랜트는 1) 에너지원에 가깝게 위치해야 합니다.

2) 대량으로 사용할 수 있는 수원;

3) 운송 경로: 고속도로, 철도, 강 또는 바다.

4개의 영국 암모니아 공장이 강변의 Billingham 근처에 있습니다. 테이(스코틀랜드). 이 장소는 더럼의 석탄 매장지와 가깝기 때문에 한 번에 선택되었습니다. 북해 대륙붕의 석유 및 가스 매장지와 가깝기 때문에 오늘날에도 편리함이 입증되었습니다.