Výroba čpavku v průmyslu. Získávání amoniaku v laboratoři

Na produkci optimálního množství chemické látky a také na dosažení její maximální kvality má vliv řada faktorů. Výroba amoniaku závisí na parametrech tlaku, teploty, přítomnosti katalyzátoru, použitých látkách a způsobu extrakce výsledného materiálu. Tyto parametry musí být správně vyváženy, aby bylo dosaženo co největšího zisku z výrobního procesu.

Vlastnosti amoniaku

Při pokojové teplotě a běžné vlhkosti vzduchu je čpavek v plynném stavu a má velmi odpudivý zápach. Je obdařen jedovatým a dráždivým účinkem na sliznice těla. Výroba a vlastnosti amoniaku závisí na účasti vody v procesu, protože tato látka je velmi rozpustná v normálních vlastnostech prostředí.

Amoniak je sloučenina vodíku a dusíku. Jeho chemický vzorec je NH3.

Tato chemikálie působí jako aktivní redukční činidlo, které v důsledku spalování uvolňuje volný dusík. Amoniak vykazuje vlastnosti zásad a zásad.

Reakce látky s vodou

Rozpuštěním NH 3 ve vodě vzniká čpavková voda. Maximálně při běžné teplotě lze v 1 objemu vodného prvku rozpustit 700 objemů amoniaku. Tato látka je známá jako čpavek a je široce používána v průmyslu hnojiv, v technologických zařízeních.

NH 3 získaný rozpuštěním ve vodě je z hlediska svých kvalit částečně ionizovaný.

V jedné z laboratorních metod získávání tohoto prvku se používá amoniak.

Získání látky v laboratoři

Prvním způsobem výroby amoniaku je přivedení amoniaku k varu, načež se výsledná pára vysuší a shromáždí se požadovaná chemická sloučenina. Získání čpavku v laboratoři je možné také ohřevem hašeného vápna a pevného chloridu amonného.

Reakce na výrobu amoniaku je následující:

2NH4Cl + Ca (OH)2 → CaCl2 + 2NH3 + 2H20

Během této reakce se vytvoří bílá sraženina. Toto je sůl CaCl2 a také se tvoří voda a požadovaný amoniak. Pro sušení požadované látky prochází směsí vápna v kombinaci se sodíkem.

Získávání amoniaku v laboratoři neposkytuje nejoptimálnější technologii pro jeho výrobu v požadovaném množství. Po mnoho let lidé hledali způsoby, jak extrahovat látku v průmyslovém měřítku.

Počátky zavádění výrobních technologií

V letech 1775-1780 byly prováděny experimenty s vazbou volných molekul dusíku z atmosféry. Švédský chemik K. Schelle našel reakci, která vypadala

Na2C03 + 4C + N2 = 2NaCN + 3CO

Na jejím základě v roce 1895 N. Caro a A. Frank vyvinuli metodu vazby volných molekul dusíku:

CaC2 + N2 = CaCN2 + C

Tato varianta vyžadovala hodně energie a byla ekonomicky nerentabilní, takže se od ní časem upustilo.

Další poměrně nákladnou metodou byl proces interakce molekul dusíku a kyslíku objevený anglickými chemiky D. Priestleym a G. Cavendishem:

Růst poptávky po čpavku

V roce 1870 byla tato chemikálie považována za nežádoucí produkt plynárenského průmyslu a byla prakticky nepoužitelná. Po 30 letech se však stal velmi populárním v koksárenském průmyslu.

Za prvé, zvýšená poptávka po čpavku byla doplněna jeho oddělením od uhlí. Ale s desetinásobným zvýšením spotřeby látky byla provedena praktická práce s cílem najít způsoby, jak ji extrahovat. Výroba čpavku se začala zavádět pomocí zásob atmosférického dusíku.

Potřeba látek na bázi dusíku byla pozorována téměř ve všech známých odvětvích hospodářství.

Hledání způsobů, jak uspokojit průmyslovou poptávku

Lidstvo ušlo dlouhou cestu k realizaci rovnice pro výrobu hmoty:

N2 + 3H2 = 2NH3

Výroba amoniaku v průmyslu byla poprvé realizována v roce 1913 katalytickou syntézou z vodíku a dusíku. Metodu objevil v roce 1908 F. Haber.

Otevřená technologie vyřešila dlouhodobý problém mnoha vědců z různých zemí. Do této chvíle nebylo možné vázat dusík ve formě NH3. Tento chemický proces se nazývá kyanamidová reakce. Při zvýšení teploty vápna a uhlíku byla získána látka CaC 2 (karbid vápníku). Zahřátím dusíku bylo dosaženo získání kyanamidu vápenatého CaCN 2, ze kterého se hydrolýzou uvolnil amoniak.

Zavádění technologií výroby čpavku

Výroba NH 3 v celosvětovém měřítku pro průmyslovou spotřebu začala zakoupením technologického patentu F. Haberem A. Mittaschem, zástupcem závodu Baden Soda Plant. Začátkem roku 1911 se syntéza čpavku v malé továrně stala pravidelnou. K. Bosch vytvořil velký kontaktní aparát na základě vývoje F. Habera. Bylo to původní zařízení, které poskytovalo proces syntézy pro extrakci amoniaku ve výrobním měřítku. K. Bosch převzal celé vedení této problematiky.

Úspora nákladů na energii zahrnovala účast určitých katalyzátorů v syntézních reakcích.

Skupina vědců, kteří se snažili najít vhodné složky, navrhla následující: železný katalyzátor, do kterého byly přidány oxidy draslíku a hliníku a který je stále považován za jeden z nejlepších poskytujících výrobu amoniaku v průmyslu.

9.9.1913 zahájil svou činnost první závod na světě využívající technologii katalytické syntézy. Postupně se zvyšovaly výrobní kapacity a do konce roku 1917 se vyrábělo 7 tisíc tun čpavku měsíčně. V prvním roce provozu závodu to bylo pouze 300 tun za měsíc.

Následně také všechny ostatní země začaly používat technologii syntézy s využitím katalyzátorů, která se ve své podstatě příliš nelišila od Haber-Boschovy techniky. Využití vysokotlakých a cirkulačních procesů probíhalo v jakémkoli technologickém procesu.

Úvod do syntézy v Rusku

V Rusku se používala i syntéza s použitím katalyzátorů, které zajišťují výrobu čpavku. Reakce vypadá takto:

Úplně první závod na syntézu čpavku v Rusku zahájil svou činnost v roce 1928 v Černorečensku a poté byly výrobní závody vybudovány v mnoha dalších městech.

Praktické práce na výrobě čpavku neustále nabírají na obrátkách. V období od roku 1960 do roku 1970 se syntéza zvýšila téměř 7krát.

V tuzemsku se pro úspěšnou výrobu, sběr a rozpoznávání čpavku používají směsné katalytické látky. Studiem jejich složení se zabývá skupina vědců vedená S. S. Lachinovem. Právě tato skupina našla nejefektivnější materiály pro technologii syntézy.

Neustále se také provádějí studie kinetiky procesu. Vědecký vývoj v této oblasti prováděl M. I. Temkin, stejně jako jeho kolegové. V roce 1938 tento vědec společně se svým kolegou V.M.Pyževem učinil důležitý objev, zdokonalil produkci čpavku. Rovnice kinetiky syntézy, sestavená těmito chemiky, je nyní aplikována po celém světě.

Moderní proces syntézy

Proces výroby amoniaku za pomoci katalyzátoru používaný v dnešní výrobě je reverzibilní. Velmi naléhavá je proto otázka optimální úrovně vlivu ukazatelů na dosažení maximálního výkonu produktů.

Proces probíhá při vysoké teplotě: 400-500 ˚С. Pro zajištění požadované reakční rychlosti se používá katalyzátor. Moderní výroba NH 3 zahrnuje použití vysokého tlaku - asi 100-300 atm.

Spolu s použitím cirkulačního systému lze získat dostatečně velké množství výchozích materiálů přeměněných na amoniak.

Moderní výroba

Systém provozu jakéhokoli zařízení na výrobu amoniaku je poměrně složitý a obsahuje několik stupňů. Technologie pro získání požadované látky se provádí v 6 stupních. V průběhu syntézy se získává, shromažďuje a rozpoznává amoniak.

Počáteční fází je extrahování síry ze zemního plynu pomocí odsiřovače. Tato manipulace je nutná vzhledem k tomu, že síra je katalytický jed a zabíjí niklový katalyzátor i ve fázi získávání vodíku.

Ve druhém stupni probíhá konverze metanu, která probíhá za použití vysoké teploty a tlaku s použitím niklového katalyzátoru.

Ve třetí fázi dochází k částečnému spalování vodíku v atmosférickém kyslíku. Výsledkem je směs vodní páry, oxidu uhelnatého a dusíku.

Ve čtvrtém stupni dochází k posunové reakci, která probíhá za různých katalyzátorů a dvou různých teplotních podmínek. Zpočátku se používá Fe 3 O 4 a proces probíhá při teplotě 400 ˚С. Ve druhém stupni je zapojen měděný katalyzátor, který je účinnější ve svém účinku, což umožňuje výrobu při nízkých teplotách.

Další pátý stupeň zahrnuje odstranění zbytečného oxidu uhelnatého (VI) ze směsi plynů pomocí technologie absorpce alkalickým roztokem.

V konečné fázi se oxid uhelnatý (II) odstraňuje pomocí reakce přeměny vodíku na methan přes niklový katalyzátor a vysokou teplotu.

Výsledná směs plynů obsahuje 75 % vodíku a 25 % dusíku. Pod velkým tlakem se stlačí a následně ochladí.

Vzorec uvolňování amoniaku popisuje tyto manipulace:

N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 kJ

Ačkoli tento proces nevypadá příliš složitě, všechny výše uvedené akce pro jeho realizaci naznačují obtížnost získávání amoniaku v průmyslovém měřítku.

Kvalita konečného produktu je ovlivněna nepřítomností nečistot v surovině.

Výroba čpavku, která ušla dlouhou cestu od malých laboratorních zkušeností k velkovýrobě, je dnes žádaným a nenahraditelným odvětvím chemického průmyslu. Tento proces se neustále zdokonaluje a zajišťuje kvalitu, efektivitu a požadované množství produktu pro každou buňku národního hospodářství.