Синтез аммиака

Аммиак — основа всей азотной промышленности. Его применяют:

для производства азотной кислоты;
в производстве удобрений (удобрением служит и сам жидкий аммиак);
в синтезе полимеров — полиамидов, полиакрилонитрила;
для получения уротропина (гексаметилентетрамина) — «сухого горючего».

Равновесие и выход

Основная реакция:

\mathrm{3H_2 + N_2 \rightleftarrows 2NH_3} + 92\ \text{кДж}

Реакция обратимая, экзотермическая, идёт с уменьшением объёма (из четырёх молей газа получается два). Способы увеличения выхода:

Концентрационный — отвод продукта из реакционной смеси.
Температурный. Равновесию выгодна низкая температура, но при ней мала скорость; оптимальный интервал — 450–500 °C.
Давление — его повышают: от 200 до 1000 атм, в среднем около 500 атм.
Катализатор — железный, в виде зёрен, активированный (промотированный) оксидами калия, алюминия, кремния.

Равновесный выход аммиака в оптимальных условиях — около 50 %, а реальный — примерно вдвое ниже: газ проходит через катализатор быстро, и равновесие установиться не успевает.

Объёмная скорость

Объёмная скорость — объём газовой смеси, проходящий в единицу времени через единицу объёма катализатора:

v_\text{об} = \frac{\text{м}^3\ \text{газа}}{\text{м}^3\ \text{катализатора} \cdot \text{ч}} = \text{ч}^{-1}

Чем больше объёмная скорость, тем меньше время контакта газа с катализатором и тем ниже выход за один проход:

Объёмная скорость, ч⁻¹	Выход аммиака, %
15 000	≈ 30
90 000	≈ 7

При каждой объёмной скорости зависимость выхода от температуры проходит через максимум: при низких температурах выход ограничен скоростью реакции, при высоких — равновесием. Максимумы лежат около 400–450 °C — это линия оптимальных температур.

🙏 Если вам нравится сайт, подпишитесь на наш 🔗 Телеграм-канал.

Циркуляционная схема

Раз за один проход превращается лишь небольшая часть газа, процесс строят по циркуляционной схеме: аммиак выделяют из газа, а непрореагировавшую азотоводородную смесь возвращают в колонну синтеза. При такой схеме выгодно работать с большой объёмной скоростью: выход за проход падает, но производительность катализатора растёт.

№	Аппарат	Назначение
1	Компрессор	сжатие свежей смеси $\mathrm{H_2 + N_2}$ до рабочего давления
2	Маслоотделитель	отделение смазочного масла
3	Колонна предкатализа	удаление каталитических ядов при 500 °C
4	Холодильник	охлаждение газа водой
5	Отделитель воды	отделение сконденсировавшейся воды
6	Колонна синтеза	синтез аммиака на железном катализаторе
7	Отделитель аммиака	конденсация и отделение жидкого $\mathrm{NH_3}$
8	Испаритель	охлаждение газа за счёт испарения жидкого аммиака
9	Циркуляционный компрессор	возврат непрореагировавшего газа в колонну синтеза

Аппараты 6–9 образуют рабочий цикл; свежий газ после очистки вводится в него на подпитку.

Каталитические яды

Основные яды железного катализатора — кислородсодержащие примеси: оксид углерода и кислород. В колонне предкатализа их гидрируют водородом самой смеси:

\begin{aligned} \mathrm{CO + 3H_2} &= \mathrm{CH_4 + H_2O} \\ \mathrm{O_2 + 2H_2} &= \mathrm{2H_2O} \end{aligned}

Метан для катализатора безвреден, а воду после охлаждения отделяют в аппарате 5.

Производство газов для синтеза аммиака Коксование каменного угля