Производство аммиака

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 

Институт –  Институт природных ресурсов

Направление (специальность)   -  Химическая технология

Кафедра – Общей  химической технологии 
 
 
 

ПРОИЗВОДСТВО  АММИАКА 
 

Отчет

по  учебной практике 
 

Студентка гр.     5А86                     __________________        А. А.Якименко

                    (номер группы)                      (подпись)                        (и. о. ф.)

                                                                                                         
 
 
 
 

Руководитель  от  кафедры общей химической технологии

                (наименование кафедры) 

                      к. х. н., ст. преп.                               

(должность  руководителя от  кафедры)       

___________                      ______________                     Д. А. Горлушко

    (оценка)                                         (подпись)                                (и. о. ф.) 

                                                _____________

                                                             (дата) 
 
 
 

      Томск 2010

Содержание 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Во  всех индустриально развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной из основных ведущих отраслей. Доказательством этого служат цифры, характеризующие стремительный рост производство связанного азота. В 1955г во всем мире было произведено аммиака около 8 млн. т, в 1965г - 20 млн. т, в 1975г - 66 млн. т, в 1980г - 100 млн. т, в 1985 - 120 млн. т.  [2]

     Азотная промышленность в России – один из базовых сегментов химической индустрии, за которым стоят заводы «большой химии». Они обеспечивает сырьем и реактивами множество других химических производств. [3] 

     В условиях мирного времени подавляющее  количество произведенного аммиака  расходуется на производство удобрений. Из аммиака получают азотную кислоту, применяемую (помимо удобрений) при  производстве промежуточных продуктов и красителей, пластических масс, химических волокон, фотографических препаратов, медикаментов, взрывчатых веществ и т. п. [4] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Физические свойства аммиака

     Под обычным давлением аммиак сжижается  при -33 °С и затвердевает при -78 °С. Теплота плавления NH₃ составляет 6 кДж/моль. Критическая температура аммиака 132 °С, критическое давление - 112 атм. Содержащие его баллоны должны быть окрашены в жёлтый цвет и иметь чёрную надпись "Аммиак".

     Аммиак  представляет собой бесцветный газ  с характерным резким запахом ("нашатырного спирта"). Растворимость его в воде больше, чем всех других газов: один объём воды поглощает при 0 °С около 1200, а при 20 °С - около 700 объёмов NH₃. Продажный концентрированный раствор имеет обычно плотность 0,91 г/см³ и содержит 25 вес.% NH₃ (т.е. близок к составу NH₃·3H₂O).

     С ассоциацией жидкого аммиака  связана его большая теплота  испарения (23,4 кДж/моль). Так как критическая  температура аммиака лежит высоко (+132 °С) и при испарении его  от окружающей среды отнимается много тепла, жидкий аммиак может служить рабочим веществом холодильных машин. Плотность по воздуху = MNH₃ / M ср.воздуха = 17 / 29 = 0,5862

     Жидкий  аммиак является хорошим растворителем  для очень большого числа органических соединений, а также многих неорганических.

     Растворение аммиака в воде сопровождается выделением тепла (около 33 кДж/моль). Влияние температуры на растворимость иллюстрируется приводимыми ниже данными, показывающими число весовых частей NH₃, поглощаемое одной весовой частью воды (под давлением аммиака, равным атмосферному): 

     Максимальной  электропроводностью обладает при  обычных условиях приблизительно 3 н раствор аммиака. Растворимость  его в органических растворителях значительно меньше, чем в воде. [5] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Химические свойства аммиака

     Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму:

     1. Аммиак - основание Льюиса. Его раствор  в воде (аммиачная вода, нашатырный  спирт) имеет щелочную реакцию  (лакмус - синий; фенолфталеин - малиновый)  из-за образования гидроксида  аммония.

NH₃ + Н₂O <--> NH₄OH <--> NH₄⁺ + OH^-

     2. Аммиак реагирует с кислотами с образованием солей аммония.

NH₃ + HCl → NH₄Cl 
2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ 
NH₃ + H₂O + CO₂ → NH₄HCO₃

     Аммиак - восстановитель (окисляется до N₂⁺¹O или N⁺²O)

     1. Разложение при нагревании

2N^-3H₃ - ^t°→ N₂0 + 3H₂

     2. Горение в кислороде

a) без  катализатора

4N^-3H₃ + 3O₂ → 2N₂0 + 6Н₂O

b) каталитическое  окисление ( kat = Pt )

4N^-3H₃ + 5O₂ → 4N⁺²O + 6Н₂O

     3. Восстановление оксидов некоторых  металлов

3Cu⁺²O + 2N^-3H₃ → 3Cu0 + N₂0 + 3Н₂O

     При пропускании струи аммиака над  нагретой CuO он окисляется до свободного азота. Окисление аммиака озоном ведёт к образованию NH₄NO₃. Интересно, что некоторое участие в таком окислении принимает, по-видимому, и смешанный с озоном обычный кислород.

     Аммиак  является хорошим горючим реактивного  топлива. Подобно воде, жидкий аммиак сильно ассоциирован, главным образом за счёт образования Н-связей. Однако они сравнительно слабы (около 4,2 кДж/моль). Вязкость жидкого аммиака почти в семь раз меньше вязкости воды. Его плотность (0,68 и 0,61 г/см³ соответственно при -33 и +20 °С) также значительно меньше, чем у воды. Электрический ток жидкий аммиак практически не проводит, так как электролитическая диссоциация по схеме:

NH₃ + NH₃ →  NH₄⁺ + NH₂^-

ничтожно  мала: ионное произведение [NH₄⁺][NH₂^-] = 2·10^-33 (при -50 °С). 

      Выше 0 °С (под давлением) жидкий аммиак смешивается с водой в любых соотношениях. На крепких растворах воды в аммиаке при 30 °С было показано, что её ионизация мала. Так, для 9 М раствора имеем         [NH₄⁺][OH^-]/[H₂O] = 1·10^-11.

     Для химической характеристики аммиака  основное значение имеют реакции трёх типов: присоединения, замещения водорода и окисления.

     Наиболее  характерные для аммиака реакции  присоединения. В частности, при  действии его на многие соли легко  образуются кристаллические аммиакаты  состава СаСl₂·8NH₃, CuSO₄·4NH₃ и т.п., по характеру образования и устойчивости похожие на кристаллогидраты.

     При растворении аммиака в воде происходит частичное образование гидроксида аммония:

NH₃ + H₂O →  NH₄OH

     В этом соединении радикал аммоний (NH₄) играет роль одновалентного металла. Поэтому электролитическая диссоциация NH₄OH протекает по основному типу:

NH₄OH →  NH₄^• + OH'

     Объединяя оба эти уравнения, получаем общее  представление о равновесиях, имеющих  место в водном растворе аммиака:

NH₃ + H₂O →  NH₄OH →  NH₄^• + OH'

     Из-за наличия этих равновесий водный раствор аммиака (часто называемый просто "аммиаком") имеет резкий запах. Ввиду того что концентрация ионов ОН' в растворе невелика, NH₄OH рассматривается как слабое основание. Гидроксид аммония является одним из важнейших химических реактивов, разбавленные растворы которого ("нашатырный спирт") применяются также в медицине и домашнем хозяйстве (при стирке белья и выводе пятен).

     Анализ  данных по распределению NH₃ между водой и органическими жидкостями показывает, что в гидратированной форме находится более 90% всего растворённого в воде аммиака. Для паровой фазы над водно-аммиачным раствором установлено наличие равновесия по схеме: 

2 NH₃ + H₂O →  2 NH₃·H₂O + 75 кДж,

характеризующегося  значением К = 1·10^-4 при 20 °С.[5] 

     3. Сырье для производства аммиака

     Сырьем  для получения продуктов в  азотной промышленности является атмосферный  воздух и различные виды топлива.

В число  постоянных составляющих воздуха входят следующие газы (в% по объему): азот - 78,16; кислород - 20,90; аргон - 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы - 0,01. В технических расчетах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода.

     Для синтеза аммиака в некоторых  схемах необходима азотоводородная  смесь в соотношении N2: H2=1: 3. Азот получают разделением воздуха или же совместно с водородом в виде азотоводородной смеси. 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.

     В настоящее время основным сырьем в производстве аммиака является природный газ.

     Синтез-газ  из твердых топлив. Первым из основных источников сырья для получения  синтез - газа явилось твердое топливо, которое перерабатывалось в газогенераторах водяного газа по следующим реакциям: