13.2 Технология связанного азота

Газообразный азот представляет собой одно из самых устойчивых химических веществ. Энергия связи в молекуле азота составляет 945 кДж/моль; он обладает одной из самых высоких энтропий в рас­чете на атом, в результате чего элементный азот нереакционноспосо­бен. В атмосфере азот находится в свободном состоянии в огромных количествах. Подсчитано, что над 1 га поверхности Земли имеется око­ло 80 тыс. т азота. Элементный азот в клубеньках некоторых растений вступает в реакции с образованием аминокислот и белков. Эти реак­ции катализируют ферменты, а необходимую энергию обеспечивает фотосинтез. Важнейшее значение имеет азот для жизни на Земле, являясь одним из элементов, входящих в состав белковых структур, без которых невозможно существование живой клетки.

Формы существования азота в литосфере

N

Живые организмы Ископаемое топливо Минералы

Белковые вещества Каменный уголь Нефть СN- NО₃- NН₄+

Некоторое количество азота переходит в биологически усвояемую форму в результате грозовых разрядов по реакции

N₂ + O₂ = 2NO

Большинство организмов легче усваивают соединения азота со степенью окисления —3. Это

а-аминокислоты RCHNH₂COOH и их полимеры — белки, которые играют важнейшую роль в биохимии. Однако скорость перевода в состояние окисления —3 в естественных процессах слишком мала для поддержания требуемого количества связанного азота при современных темпах его потребления.

В среднем половина необходимого для жизни азота возвращает­ся через атмосферу за 108 лет; для кислорода этот период составляет 3000 лет, для углерода — 100 лет. Эти цифры убедительно показывают необходимость синтеза азотсодержащих соединений для использования их живыми организмами.

Потребителями азотных соединений издавна являлись фармация, военное дело, промышленность, а с начала XIX в. и сельское хозяй­ство.

Решением проблемы связанного азота явилась реакция синтеза аммиака, промышленное осуществление которой позволило создать мощную сырьевую базу для получения самых разнообразных азот­содержащих соединений.

13.2.1. Сырьевая база азотной промышленности

Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности являются атмосферный воздух и различные виды топлива. Одной из составных частей воздуха является азот, который используется в про­цессах получения аммиака, цианамида кальция и других продуктов азотной технологии. В некоторых схемах синтеза аммиака не требуется выделять азот из воздуха в чистом виде, воздух дозируют в газовую смесь для достижения стехиометрического соотношения N₂: Н₂= 1: 3. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез-газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В по­следнем случае воздух подвергают разделению методом глубокого' охлаждения.

Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сы­рья — топливом, применяемым для получения водорода или водородсодержащего газа. До 50-х годов текущего столетия заводы нашей стра­ны использовали в качестве сырья в основном твердое топливо. В таблице показана динамика изменения структуры сырьевой базы производства синтетического аммиака и азотной промышленности

Таблица 14.1. Структура сырьевой базы для производства аммиака

Вид сырья	Доля топлива как сырья (%) по годам
	1960	1965	1970	1975	1982
Твердое топливо (каменный уголь, кокс) Коксовый газ Природный и попутный газы Прочие газы	32,0 32,1 16,3 19,3	15,9 18.2 59.9 6,0	10.4 14,2 72,3 3,1	5,7 11,7 79,6 3,0	1,8 3,6 93,0 1.6

Из табл. видно, что с 60-х годов доля твердого топлива как сырья для получения водорода резко сокращалась. В настоящее время основным сырьем в производстве аммиака является природный газ. В восьмидесятые годы около 90 % всего выпускаемого в Со­ветском Союзе аммиака получали на предприятиях, использовавших в качестве сырья природный газ. В меньших масштабах используются попутные газы, коксовый газ, а также жидкое топливо — нафта. РФ располагает богатыми запасами природного газа, поэтому можно полагать, что отечественная азотная промышленность до конца текущего столетия будет базироваться на природном газе. Вместе с тем дальнейшее развитие народного хозяйства, рост его энерговооруженности требуют все большего увеличения добычи горючих ископае­мых, в первую очередь нефти и газа. По мере истощения мировых запа­сов газа и нефти, а также изменения цен на эти виды сырья все большее значение будет приобретать каменный уголь, запасы которого значи­тельно превышают запасы нефти.

Сырьевые ресурсы производства аммиака

РАЗДЕЛЕНИЕ

КОКСОВЫЙ ГАЗ

ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО

Н2

АВС

АЗОТ

ВОЗДУХ

ГАЗИФИКАЦИЯ

ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

. ,