4.1 Методы связывания атмосферного азота.
Высокая энергия связи в молекуле азота обеспечила особый технологический режим проведения процессов с участием атмосферного азота:
- применение высоких температур;
- высоких давлений;
- специфических катализаторов.
В начале XX века почти одновременно были разработаны три технических метода синтеза соединений из атмосферного молекулярного азота: дуговой, цианамидный и аммиачный.
1) В основе дугового метода лежит эндотермическая реакция прямого окисления азота кислородом воздуха, протекающая при температуре около 3000˚С в пламени вольтовой дуги:
N2 + O2 = 2NO + Q
с последующим доокислением азота и получением нитрата кальция:
NO + Ca(OH)2 + O2 = Ca(NO3)2
2) Цианамидный метод основан на способности тонкоизмельчённого карбида кальция реагировать при температуре 1000˚С с молекулярным азотом с образованием кальцийцианамида:
CaC2 + N2 = CaCN2 + C + Q,
с последующим превращением кальцийцианамида в аммиак:
CaCN2 + 3H2O = 2NH3 + CaCO3 - Q
3) Аммиачный метод, в основе которого лежит реакция взаимодействия азота и водорода:
N2 + 3H2 = 2NH3 + Q
Сравнительная энергоемкость этих методов фиксации азота приведена в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Энергоемкость методов фиксации азота.
Метод |
Энергетические затраты на производство 1 т аммиака, кДж |
Дуговой |
7 104 |
Цианамидный |
1.2 104 |
Аммиачный |
0.5 104 |
Энергетически наиболее выгоден аммиачный метод фиксации, что и обусловило его широкое внедрение в промышленности.
Таким образом, вследствие разработки и внедрения промышленных методов фиксации атмосферного азота, биохимический цикл азота, характеризуемый кругооборотом по схеме:
растения животные поступление в почву продуктов жизнедеятельности и отмирания растений и животных биохимические процессы разложения захват растениями усвояемых форм азота превращается в технобиогеохимический цикл, в котором преобладающее значение имеет техносфера.
4.2 Получение аммиака.
Из азота атмосферы в промышленных условиях крупнотоннажного химического синтеза получают АММИАК. В свою очередь, аммиак является полупродуктом для всех остальных соединений азота. На рисунке 4.2. представлены основные направления использования аммиака в промышленности и сельском хозяйстве.
В Республике Беларусь аммиак выпускается на ПО «Азот», г. Гродно.
Рис. 4.2 – использование аммиака.
4.2.1 Технологические свойства аммиака.
Аммиак (NH3) – бесцветный газ с резким запахом и температурой кипения -33,4˚С и температурой плавления -77,8˚С Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды), ограниченно растворим в органических растворителях.
При взаимодействии с водой аммиак образует гидраты следующего состава:
NH3·H2O и NH3·2H2O
Незначительное количество растворенных в воде молекул аммиака ионизирует в результате реакции:
NH3 + H2O NH4+ + OH–
Степень диссоциации 0.004.
Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, фосфор, серу, иод и многие другие неорганические и органические соединения.
При температуре 1300 С аммиак диссоциирует на азот и водород:
2NH3 = N2 + 3H2
Сухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры.
Мировое производство аммиака составило в 1980 году более 90 млн. тонн.
Первый завод по производству аммиака был пущен в 1913 году с производительностью 25 т в сутки.