- •Частина і. Теоретичні основи хімічної технології
- •1.1. Предмет і завдання хімічної технології
- •1.2. Класифікація хімічних виробництв
- •7. Промисловість реактивів і особливо чистих речовин.
- •1.3. Хімічна технологія як наука
- •1.4. Значення хімічної технології, її міжгалузевий характер
- •1.5. Етапи розвитку хімічних виробництв і хімічної технології
- •1.6. Основні напрямки і перспективи розвитку хімічної технології і техніки
- •2.1. Класифікація технологічних процесів
- •2.2. Схеми руху матеріальних та енергетичних потоків
- •2.3. Хіміко-технологічні розрахунки. Матеріальні та енергетичні баланси
- •2.4. Інтенсивність та швидкість процесів
- •2.5. Продуктивність праці
- •2.6. Роль фізико-хімічних закономірностей у хімічній технології
- •2.7. Економічні вимоги, що ставляться до раціонального виробництва
- •2.8. Науково-дослідна, експериментальна і проектна робота в хімічній промисловості
- •3.1. Система процесів у хімічному реакторі
- •3.2. Класифікація хтп
- •3.3. Основні показники ефективності хтп
- •3.4. Термодинамічні основи хтп
- •4.1. Класифікація хімічних реакторів
- •4.2. Режим руху і перемішування реагентів
- •5.1. Гомогенні процеси у газовій фазі
- •5.2. Гомогенні процеси у рідкій фазі
- •5.3. Вплив концентрації реагуючих речовин, тиску, температури, переміщування на швидкість гомогенних реакцій
- •5.4. Реактори для гомогенних процесів
- •6.1. Рівновага і швидкість гетерогенних процесів
- •6.2. Процеси і реактори у системі газ-рідина (г–р)
- •6.3. Процеси і реактори у системі газ-тверде тіло (г–т)
- •7.1. Суть і види каталізу
- •7.2. Гомогенний каталіз
- •7.3. Гетерогенний каталіз
- •7.4. Властивості твердих каталізаторів і їх приготування
- •7.5. Каталітичні реактори
- •8.1. Мінеральна сировина
- •8.2. Добування і підготовка сировини до переробки
- •8.3. Сировина рослинного і тваринного походження
- •8.4. Енергія у хімічному виробництві
- •Частина II. Промислові хімічні виробництва
- •9.1. Зв'язаний азот та його значення
- •9.2. Методи зв'язування атмосферного азоту
- •9.3. Отримання та очищення азотоводневої суміші
- •9.4. Фізико-хімічні основи процесу синтезу амоніаку
- •9.5. Промислові способи виробництва синтетичного амоніаку
- •10.1. Загальна характеристика нітратної кислоти
- •10.2. Фізико-хімічні основи виробництва нітратної кислоти
- •10.3. Оптимальні умови процесу окиснення амоніаку
- •10.4. Переробка нітрозних газів на розбавлену нітратну кислоту
- •10.5. Виробництво розбавленої нітратної кислоти
- •11.1. Основні властивості та застосування сульфатної кислоти
- •11.2. Сировинна база сульфатно-кислотного виробництва
- •11.3. Виробництво сульфітного газу
- •11.4. Контактний спосіб виробництва сульфатної кислоти з колчедану
- •11.5. Виробництво сульфатної кислоти з сірки та сірководню
- •12.1. Загальна характеристика содових продуктів
- •12.2. Фізико-хімічні основи виробництва кальцинованої соди
- •12.3. Принципова схема виробництва кальцинованої соди
- •12.4. Виробництво каустичної соди
- •13.1. Основні закони електрохімії
- •13.2. Електроліз водних розчинів. Виробництво їдкого натру і хлору
- •13.3. Переробка електролітичного хлору. Виробництво хлоридної кислоти
- •14.1. Основні електротермічні закони
- •14.2. Виробництво кальцію карбіду
- •14.3. Виробництво кальцію ціанаміду
- •14.4. Виробництво фосфору і фосфатної кислоти
- •15.1. Піроліз деревини
- •15.2. Виробництво целюлози
- •15.3. Гідроліз деревини
- •15.4. Виробництво каніфолі і терпентину
- •Тушницький Орест Петрович загальна хімічна технологія
- •79000, М. Львів, вул. М. Коперника, 18
- •79057, М. Львів, вул. Генерала Чупринки, 103
Частина II. Промислові хімічні виробництва
Розділ 9. ВИРОБНИЦТВО АМОНІАКУ
9.1. Зв'язаний азот та його значення
Азот відіграє винятково важливу роль у природі загалом і у житті людини зокрема. Він входить до складу всіх живих організмів і бере участь в основних біохімічних процесах. У складі білків азот утворює найважливіші поживні речовини для тварин і людини. Дуже велике значення має азот у життєдіяльності рослинного і тваринного світу. Сполуки азоту широко використовуються у виробництві проміжних продуктів і барвників, для виготовлення пластичних мас, хімічних волокон, медикаментів, фотокіноматеріалів та ін. Сполуки азоту мають велике значення у виробництві вибухових речовин і запалювальних засобів. У земній корі міститься порівняно велика кількість азоту (0,04 %), який входить до складу кам'яного і бурого вугілля, торфу та інших речовин.
Над одним гектаром землі у повітрі знаходять близько 80 000 т молекулярного азоту, що у мільйон разів більше тієї кількості, яка виноситься з ґрунту врожаєм з 1 га за рік. Проте азот N2 – дуже стійка речовина. У синтезі білків у рослинних і тваринних організмах бере участь не елементарний азот, а зв'язаний, тобто його хімічні сполуки. Доступні для промислового використання поклади азотних сполук (натрієвої селітри) знайдено тільки на узбережжі Чілі та у Південній Африці. Порівняно невелику кількість зв'язаного азоту добувають при коксуванні вугілля. Природні поклади азоту не можуть задовольнити безперервно зростаючі потреби в азотних добривах та інших азотовмісних сполуках.
Атмосферний азот зв'язується у природі різними способами, збагачуючи ґрунт азотними сполуками, однак і це не може перекрити втрати азоту з ґрунту, що виноситься рослинами. Тому великого значення набули мінеральні азотні добрива, які виробляють переважно синтезом NH3 з подальшим перетворенням його в амонійні солі, солі НNО3 та аміди. Крім того, NH3 також застосовують як добриво.
Амоніак – найпростіша сполука азоту з воднем; це безбарвний газ з дуже різким характерним запахом. При –33,4 °С NH3 зріджується і кипить, перетворюючись у прозору рідину, яка твердне при –77,7 °С. Амоніак добре розчиняється у воді, утворюючи розчин, що має лужну реакцію і називається нашатирним спиртом.
Вже у давнину амоній хлорид був відомий під назвою нашатир (від персидської "нушадир" – безсмертний вогонь). У середньовічних алхімічних записах неодноразово згадувалось про появу різкого запаху при дії вапна на NH4C1. У 1774 р. Прістлі вперше добув NH3 за цією реакцією, а у 1785 р. було визначено склад амоніаку.
9.2. Методи зв'язування атмосферного азоту
У першому десятилітті XX ст. було здійснено синтез азотних сполук з азоту трьома методами: дуговим, ціанамідним і амоніачним.
Дуговий метод зв'язування атмосферного азоту – це відтворення у промислових умовах процесу, який відбувається у природі під час грозових розрядів. У полум'ї електричної дуги N2 і О2 повітря взаємодіють, утворюючи NO
N2 + О2 = 2NO – 179,2 кДж.
Рівноважні виходи NO з повітря за експериментальними даними дорівнюють:
температура, °С 1500 1800 2400
вихід NO, % 0,325 0,72 3,24
З цих даних видно, що NO утворюється тільки при дуже високих температурах і до того ж вихід його невисокий.
Швидкість утворення NO при температурі понад 2000 °С досить велика, рівновага встановлюється майже миттю. Зворотна реакція – дисоціація NO – відбувається з великою швидкістю при температурі понад 1500 °С.
З цього видно, що як з термодинамічного, так і з кінетичного боку умови для технічного здійснення процесу зв'язування атмосферного азоту окисненням його за допомогою електричної дуги важкі і неекономічні.
Внаслідок значних втрат теплоти витрата дорогоцінної у ті часи електричної енергії на промислових установках досягала 60 тис. кВт·год на 1 т зв'язаного азоту. Побудовані свого часу заводи з виробництва HNO3 дуговим способом були закриті.
Зв'язування атмосферного азоту у промислових масштабах з утворенням кальцію ціанаміду почалося наприкінці XIX ст. в Італії. У 1905 р. було налагоджено виробництво CaCN2 за таким рівнянням:
СаС2 + N2 = CaCN2 + С + 301,5 кДж.
Далі CaCN2 взаємодіє з водою, утворюючи NH3.
CaCN2 + 3H2O = CaCO3 + 2NH3.
Досі витрата енергії на зв'язування 1 т азоту ціанамідним способом досить велика і досягає 10‑12 тис. кВт·год. Проте, незважаючи на це, CaCN2 добувають цим способом, оскільки CaCN2 є цінним азотним добривом і вихідним продуктом для добування багатьох неорганічних і органічних азотних сполук.
Амоніачний метод зв'язування атмосферного азоту має величезні переваги порівняно з дуговим і ціанамідним способами. Витрата енергії на 1 т зв'язаного азоту у вигляді амоніаку становить 4‑5 тис. кВт·год, враховуючи і паливо для виробництва водню. Економічні переваги методу зв'язування азоту у вигляді NH3 настільки великі, що цей метод за короткий час витіснив усі інші і набув великого поширення.
Тепер основна кількість NH3 йде на виробництво HNO3, твердих і рідких азотних добрив, соди, на синтез багатьох сполук, полімерів, вибухових речовин і т. ін. Амоніак застосовують як холодильний агент і для азотування сталей, для створення інертного середовища та у різних синтезах.
Перший завод синтезу NH3 було збудовано в Німеччині у 1913 р. Поки не виробляли синтетичного NH3, нітратну кислоту та її солі добували з чилійської селітри і NH3, який утворювався під час коксування вугілля. Розвиток азотної промисловості як самостійної великої галузі хімічної промисловості почався тільки з розвитком синтезу NH3.
Здійснення синтезу NH3 стало можливим тільки на основі глибокого вивчення теорії процесу. Саме тоді вперше в історії хімічної промисловості для створення нового технологічного процесу всебічно було використано фізичну хімію. У свою чергу, вивчення процесу синтезу NH3 значно вплинуло на розвиток важливих розділів фізичної хімії: термодинаміки і кінетики каталітичних процесів.
Нові ідеї у технології, пов'язані із створенням виробництва NH3, відіграли велику роль розвитку хімічної промисловості. Синтез метанолу, гідрування вугілля для добування рідкого палива, синтез карбаміду та багато інших процесів значною мірою ґрунтуються на принципах, встановлених при розробці методів синтезу NH3.
Тепер виробництво синтетичного NH3 становить кілька мільйонів тонн на рік. Перші установки для синтезу NH3 мали потужність 20 тис. т NH3 на рік.
У 1958 р. вперше у нашій країні NH3 почали виробляти з водню, отриманого з природного газу, що заощадило сировинні матеріали, знизило собівартість NH3 і значно поліпшило умови праці.