Produzione di ammoniaca nell'industria. Ottenere ammoniaca in laboratorio
Numerosi fattori influenzano la produzione della quantità ottimale di una sostanza chimica, nonché il raggiungimento della sua massima qualità. La produzione di ammoniaca dipende dai parametri di pressione, temperatura, presenza di catalizzatore, sostanze utilizzate e modalità di estrazione del materiale risultante. Questi parametri devono essere opportunamente bilanciati al fine di ottenere il massimo profitto dal processo produttivo.
Proprietà dell'ammoniaca
A temperatura ambiente e alla normale umidità dell'aria, l'ammoniaca è allo stato gassoso e ha un odore molto ripugnante. È dotato di un effetto velenoso e irritante sulle mucose del corpo. La produzione e le proprietà dell'ammoniaca dipendono dalla partecipazione dell'acqua al processo, poiché questa sostanza è molto solubile nelle normali caratteristiche dell'ambiente.
L'ammoniaca è un composto di idrogeno e azoto. La sua formula chimica è NH 3.
Questa sostanza chimica agisce come agente riducente attivo, a seguito della combustione di cui viene rilasciato azoto libero. L'ammoniaca presenta le caratteristiche delle basi e degli alcali.
Reazione di una sostanza con l'acqua
Sciogliendo NH 3 in acqua si ottiene acqua ammoniacale. Massimo a temperatura ordinaria, 700 volumi di ammoniaca possono essere sciolti in 1 volume di un elemento acquoso. Questa sostanza è nota come ammoniaca ed è ampiamente utilizzata nell'industria dei fertilizzanti, negli impianti tecnologici.
L'NH 3 ottenuto per dissoluzione in acqua è parzialmente ionizzato nelle sue qualità.
L'ammoniaca viene utilizzata in uno dei metodi di laboratorio per ottenere questo elemento.
Ottenere una sostanza in laboratorio
Il primo metodo per produrre ammoniaca consiste nel portare a ebollizione l'ammoniaca, dopodiché il vapore risultante viene essiccato e viene raccolto il composto chimico richiesto. È possibile ottenere ammoniaca in laboratorio anche riscaldando calce spenta e cloruro di ammonio solido.
La reazione per la produzione di ammoniaca è la seguente:
2NH 4 Cl + Ca (OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O
Durante questa reazione si forma un precipitato bianco. Questo è un sale di CaCl 2 e si formano anche acqua e l'ammoniaca desiderata. Per eseguire l'essiccazione della sostanza richiesta, viene fatta passare attraverso una miscela di calce in combinazione con sodio.
Ottenere l'ammoniaca in un laboratorio non fornisce la tecnologia più ottimale per la sua produzione nelle quantità richieste. Per molti anni le persone hanno cercato modi per estrarre la sostanza su scala industriale.
Le origini dello stabilimento delle tecnologie di produzione
Durante il periodo 1775-1780 furono condotti esperimenti sul legame di molecole di azoto libere dall'atmosfera. Il chimico svedese K. Schelle ha trovato una reazione che sembrava
Na 2 CO 3 + 4C + N 2 = 2NaCN + 3CO
Sulla base, nel 1895, N. Caro e A. Frank svilupparono un metodo per legare le molecole di azoto libere:
CaC 2 + N 2 = CaCN 2 + C
Questa opzione richiedeva molta energia ed era economicamente non redditizia, quindi nel tempo è stata abbandonata.
Un altro metodo piuttosto costoso era il processo di interazione delle molecole di azoto e ossigeno scoperto dai chimici inglesi D. Priestley e G. Cavendish:
Crescita della domanda di ammoniaca
Nel 1870, questa sostanza chimica era considerata un prodotto indesiderato dall'industria del gas ed era praticamente inutile. Tuttavia, dopo 30 anni, è diventato molto popolare nell'industria del coke sottoprodotto.
In primo luogo, l'aumento della domanda di ammoniaca è stata ricostituita separandola dal carbone. Ma con un aumento del consumo della sostanza di 10 volte, è stato svolto un lavoro pratico per trovare il modo di estrarlo. La produzione di ammoniaca iniziò ad essere introdotta utilizzando le riserve di azoto atmosferico.
La necessità di sostanze a base di azoto è stata osservata in quasi tutti i settori noti dell'economia.
Trovare modi per soddisfare la domanda industriale
L'umanità ha fatto molta strada verso l'implementazione dell'equazione per la produzione della materia:
N2 + 3H2 = 2NH3
La produzione di ammoniaca nell'industria è stata realizzata per la prima volta nel 1913 mediante sintesi catalitica da idrogeno e azoto. Il metodo fu scoperto da F. Haber nel 1908.
La tecnologia aperta ha risolto un problema di vecchia data per molti scienziati di diversi paesi. Finora non era possibile legare l'azoto sotto forma di NH 3. Questo processo chimico è chiamato reazione cianammidica. All'aumentare della temperatura della calce e del carbonio si ottiene la sostanza CaC 2 (carburo di calcio). Riscaldando l'azoto si otteneva l'ottenimento di calciocianammide CaCN 2, da cui avveniva il rilascio di ammoniaca per idrolisi.
Introduzione di tecnologie per la produzione di ammoniaca
La produzione di NH 3 su scala mondiale per il consumo industriale è iniziata con l'acquisto di un brevetto per le tecnologie di F. Haber da parte del rappresentante dello stabilimento Baden Soda A. Mittasch. All'inizio del 1911, la sintesi dell'ammoniaca in un piccolo impianto divenne regolare. K. Bosch ha creato un grande apparato di contatto basato sugli sviluppi di F. Haber. Era l'attrezzatura originale per fornire un processo di sintesi per l'estrazione dell'ammoniaca su scala di produzione. K. Bosch ha assunto l'intera leadership su questo tema.
Il risparmio sui costi energetici ha comportato la partecipazione di alcuni catalizzatori nelle reazioni di sintesi.
Un gruppo di scienziati che lavorano per trovare costituenti adatti ha proposto quanto segue: un catalizzatore di ferro, a cui sono stati aggiunti ossidi di potassio e alluminio, e che è ancora considerato uno dei migliori produttori di ammoniaca nell'industria.
09/09/1913 inizia i lavori il primo impianto al mondo, che utilizza la tecnologia della sintesi catalitica. Le capacità di produzione furono gradualmente aumentate e alla fine del 1917 furono prodotte 7 mila tonnellate di ammoniaca al mese. Nel primo anno di funzionamento dell'impianto, questa cifra era di sole 300 tonnellate al mese.
Successivamente, anche tutti gli altri paesi iniziarono a utilizzare la tecnologia di sintesi con l'uso di catalizzatori, che nella sua essenza non differiva molto dalla tecnica Haber-Bosch. L'uso di processi ad alta pressione e circolazione ha avuto luogo in qualsiasi processo tecnologico.
Introduzione della sintesi in Russia
In Russia è stata utilizzata anche la sintesi con l'uso di catalizzatori che assicurano la produzione di ammoniaca. La reazione è simile a questa:
In Russia, il primo impianto di sintesi dell'ammoniaca iniziò il suo lavoro nel 1928 a Chernorechensk, quindi furono costruiti impianti di produzione in molte altre città.
Il lavoro pratico sulla produzione di ammoniaca sta guadagnando costantemente slancio. Nel periodo dal 1960 al 1970, la sintesi è aumentata di quasi 7 volte.
Nel paese vengono utilizzate sostanze catalitiche miste per la produzione, la raccolta e il riconoscimento di successo dell'ammoniaca. Lo studio della loro composizione è condotto da un gruppo di scienziati guidati da S. S. Lachinov. È stato questo gruppo a trovare i materiali più efficaci per la tecnologia di sintesi.
Inoltre, vengono costantemente condotti studi sulla cinetica del processo. Gli sviluppi scientifici in questo settore sono stati condotti da M. I. Temkin, così come dai suoi colleghi. Nel 1938, questo scienziato, insieme al suo collega V.M. Pyzhev, fece un'importante scoperta, migliorando la produzione di ammoniaca. L'equazione della cinetica di sintesi, compilata da questi chimici, è ora applicata in tutto il mondo.
Processo di sintesi moderno
Il processo di produzione dell'ammoniaca utilizzando un catalizzatore utilizzato nella produzione odierna è reversibile. Pertanto, la questione del livello ottimale di influenza degli indicatori sul raggiungimento della massima produzione di prodotti è molto urgente.
Il processo avviene ad alta temperatura: 400-500 . Per garantire la velocità di reazione richiesta, viene utilizzato un catalizzatore. La moderna produzione di NH 3 prevede l'uso di alta pressione - circa 100-300 atm.
Insieme all'uso di un sistema di circolazione, è possibile ottenere una massa sufficientemente grande di materiali iniziali convertiti in ammoniaca.
Produzione moderna
Il sistema di funzionamento di qualsiasi impianto di ammoniaca è piuttosto complesso e contiene diverse fasi. La tecnologia per ottenere la sostanza desiderata viene eseguita in 6 fasi. Nel corso della sintesi si ottiene, si raccoglie e si riconosce l'ammoniaca.
La fase iniziale consiste nell'estrarre lo zolfo dal gas naturale utilizzando un desolforatore. Questa manipolazione è necessaria a causa del fatto che lo zolfo è un veleno catalitico e uccide il catalizzatore di nichel anche nella fase di recupero dell'idrogeno.
Nella seconda fase avviene la conversione del metano, che procede con l'utilizzo di alte temperature e pressioni utilizzando un catalizzatore al nichel.
Nella terza fase, si verifica la combustione parziale dell'idrogeno nell'ossigeno atmosferico. Il risultato è una miscela di vapore acqueo, monossido di carbonio e azoto.
Nella quarta fase si verifica una reazione di shift, che avviene in differenti catalizzatori e due differenti condizioni di temperatura. Inizialmente, viene utilizzato Fe 3 O 4 e il processo avviene a una temperatura di 400 . Nella seconda fase è coinvolto un catalizzatore di rame, più efficace nel suo effetto, che consente di effettuare la produzione a basse temperature.
La quinta fase successiva prevede l'eliminazione del monossido di carbonio (VI) non necessario dalla miscela di gas utilizzando la tecnologia di assorbimento con una soluzione alcalina.
Nella fase finale, il monossido di carbonio (II) viene rimosso mediante la reazione di conversione dell'idrogeno in metano attraverso un catalizzatore di nichel e ad alta temperatura.
La miscela di gas risultante contiene il 75% di idrogeno e il 25% di azoto. Viene compresso a grande pressione e poi raffreddato.
Sono queste manipolazioni che descrive la formula di rilascio dell'ammoniaca:
N2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 kJ
Sebbene questo processo non sembri molto complicato, tutte le azioni di cui sopra per la sua attuazione indicano la difficoltà di ottenere ammoniaca su scala industriale.
La qualità del prodotto finale è influenzata dall'assenza di impurità nella materia prima.
Dopo aver fatto molta strada da una piccola esperienza di laboratorio alla produzione su larga scala, la produzione di ammoniaca è oggi un ramo richiesto e insostituibile dell'industria chimica. Questo processo viene costantemente migliorato, garantendo qualità, efficienza e la quantità di prodotto richiesta per ogni cellula dell'economia nazionale.
