10-ma’ruza Mavzu: Ammiakni sintez kilish jarayonini avtomatlashtirish. (2 soat)

Metil spirtini ishlab chiqarish

Metanol olishning katalitik usuli sanoat rivojlanishidan oldin yog'ochni quruq distillash yo'li bilan olingan (shuning uchun uning nomi "yog'och spirti"). Hozirgi vaqtda bu usul ikkinchi darajali ahamiyatga ega.
Zamonaviy usul:
Xom ashyo: sintez gazi - uglerod oksidi (II) ning vodorod bilan aralashmasi (1:2).
Yordamchi materiallar: katalizatorlar (ZnO va CuO).
Asosiy kimyoviy jarayon: 250 ° C haroratda va 7 MPa bosimdagi sintez gazi katalitik ravishda metanolga aylanadi:
CO + 2H 2 ↔ CH3OH + Q
Texnologik jarayonning xususiyatlari: gaz aralashmasi katalizator qatlamidan o'tganda 10-15% metanol hosil bo'ladi, u kondensatsiyalanadi va reaksiyaga kirishmagan aralashma sintez gazining yangi qismi bilan aralashtiriladi va qizdirilgandan so'ng yana yuboriladi. katalizator qatlami (sirkulyatsiya). Umumiy hosil 85% ni tashkil qiladi.
Metanol va ammiakni o'rtacha bosimda sintez qilish shartlari o'xshash va xom ashyo (tabiiy gaz) ikkala jarayon uchun ham umumiydir. Shuning uchun ko'pincha metanol va ammiak ishlab chiqarish birlashtiriladi (azotli o'g'it zavodlari).
Harorat, bosim va katalizatorlarning reaktsiyalar tezligiga va kimyoviy muvozanatga ta'siri kimyo sanoatida ko'plab kimyoviy mahsulotlar ishlab chiqarishda faol qo'llaniladi. Ushbu bo'limda biz ammiakni sanoat ishlab chiqarishi bilan tanishamiz va bu omillarning barchasi uni ishlab chiqarishga qanday ta'sir qilishiga batafsil to'xtalamiz. Keyin sulfat kislotani sanoatda ishlab chiqarish bilan tanishamiz.
SANOATAL AMMIAK ISHLAB CHIQARISH
Buyuk Britaniyada sakkizta ammiak zavodi mavjud. Ularning birgalikdagi mahsuldorligi yiliga 2 million tonnadan oshadi. Hozirgi vaqtda dunyo bo'ylab yiliga taxminan 5 million tonna ammiak ishlab chiqariladi. Shaklda. 7.1 Ammiak ishlab chiqarishning o'sishi dunyo aholisining o'sishi bilan taqqoslanadi. Nega bunday katta miqdorda ammiak ishlab chiqarish kerak?
U asosan azotli o'g'itlar ishlab chiqarish uchun kerak. o'g'itlar ishlab chiqarish barcha ishlab chiqarilgan ammiakning taxminan 80% ni iste'mol qiladi] Azot o'z ichiga olgan o'g'itlar bilan birgalikda u ko'pchilik o'simliklar uchun zarur bo'lgan eruvchan shaklda tuproqqa qo'llaniladi. Ishlab chiqarilgan ammiakning qolgan 20% polimerlar, portlovchi moddalar va boshqa mahsulotlarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi! Ammiakning turli xil qo'llanilishi jadvalda keltirilgan. 7.2.
Ammiak ishlab chiqarish
Ammiak ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan birinchi sanoat jarayoni siyanamid jarayoni edi. Kaltsiy karbid ohak va uglerodni qizdirish orqali olindi.Keyin kalsiy karbid azot ostida qizdirilib, kalsiy siyanamid olinadi. Ammiak kaltsiy siyanamidning gidrolizlanishi natijasida olingan:
Bu jarayon juda ko'p energiya talab qildi va tejamkor edi.
1911 yilda F. Xaber temir katalizatori yordamida ammiakni bevosita azot va vodoroddan sintez qilish mumkinligini aniqladi. Bu usul bilan ammiak ishlab chiqaradigan birinchi zavodda suvda elektroliz yoʻli bilan olingan vodoroddan foydalanilgan.Keyinchalik suvdan vodorodni koks bilan qaytarish yoʻli bilan olina boshlagan. Vodorod ishlab chiqarishning bu usuli ancha tejamkor.
Fritz Xaber (1868, 1934)
1908 yilda nemis kimyogari Xaber ammiakni vodorod va atmosfera azoti yordamida temir katalizatorida hosil qilish mumkinligini aniqladi. Bu jarayon yuqori bosim va o'rtacha yuqori haroratni talab qiladi. Xabarning kashfiyoti Germaniyaga Birinchi jahon urushi paytida portlovchi moddalar ishlab chiqarishni davom ettirish imkonini berdi. Bu vaqtda Antantaning blokadasi Germaniyaga ilgari portlovchi moddalar ishlab chiqarish uchun xom ashyo sifatida ishlatilgan kaliy nitratining (Chili selitrasi) tabiiy konlarini olib kirishga to'sqinlik qildi.
Xaber ammiak sintezi jarayonini ishlab chiqqanidan bir yil o'tgach, u eritmalarning pH (kislota-asos xossalari) ni o'lchash uchun shisha elektrod yaratdi (10-bobga qarang).
Xaber 1918-yilda kimyo boʻyicha Nobel mukofotiga sazovor boʻldi.Gitler hokimiyat tepasiga kelgach, Xaber 1933-yilda Germaniyadan hijrat qilishga majbur boʻldi.
(Ammiakdan nitrat kislota va nitrat ishlab chiqarish 1-bo'limda tasvirlangan)
Zamonaviy ammiak ishlab chiqarish jarayoni
Ammiakni olishning zamonaviy jarayoni uni azot va vodoroddan 380-450 ° S haroratda va temir katalizatori yordamida 250 atm bosimda sintez qilishga asoslangan:
Azot havodan olinadi. Vodorod tabiiy gazdan yoki naftadan metan yordamida suvning (bug'ning) qaytarilishi natijasida hosil bo'ladi. Nafta (nafta) alifatik uglevodorodlarning suyuq aralashmasi bo'lib, xom neftni qayta ishlash jarayonida olinadi (18-bobga qarang).
Zamonaviy ammiak zavodining ishi juda murakkab. Shaklda. 7.2-rasmda tabiiy gazda ishlaydigan ammiak zavodining soddalashtirilgan sxemasi keltirilgan. Ushbu harakat sxemasi sakkiz bosqichni o'z ichiga oladi.
1-bosqich. Tabiiy gazdan oltingugurtni olib tashlash. Bu zarur, chunki oltingugurt katalitik zahardir (9.2-bo'limga qarang).
2-bosqich. Nikel katalizatori yordamida 750 ° C va 30 atm bosimda bug'ni kamaytirish orqali vodorod ishlab chiqarish:
3-bosqich. AOK qilingan havo kislorodidagi vodorodning bir qismini havo olish va yonishi:
Natijada suv bug'i, uglerod oksidi va azot aralashmasi hosil bo'ladi. Vodorod hosil bo'lishi bilan suv bug'i 2-bosqichdagi kabi kamayadi.
4-bosqich. 2 va 3-bosqichlarda hosil bo'lgan uglerod oksidining quyidagi "siljish" reaktsiyasi orqali karbonat angidridga oksidlanishi:
Bu jarayon ikkita “kesish reaktorlari”da amalga oshiriladi. Birinchisida temir oksidi katalizatori ishlatiladi va jarayon 400 ° C darajasidagi haroratda amalga oshiriladi. Ikkinchisi mis katalizatoridan foydalanadi va jarayon 220 ° S haroratda amalga oshiriladi.
5-bosqich. Kaliy karbonatning tamponlangan gidroksidi eritmasi yoki ba'zi bir amin eritmasi, masalan, etanolamin eritmasi yordamida gaz aralashmasidan karbonat angidridni yuvish. Karbonat angidrid oxir-oqibat suyultiriladi va karbamid hosil qilish uchun ishlatiladi yoki atmosferaga chiqariladi.
6-bosqich. 4-bosqichdan keyin gaz aralashmasida taxminan 0,3% uglerod oksidi qoladi. Ammiak sintezi paytida (8-bosqich) temir katalizatorini zaharlashi mumkinligi sababli, uglerod oksidi 325 ° C da nikel katalizatorida vodoroddan metanga o'tish orqali chiqariladi.
7-bosqich. Hozirgi vaqtda taxminan 74% vodorod va 25% azotni o'z ichiga olgan gaz aralashmasi siqiladi; uning bosimi esa 25-30 atm dan 200 atmgacha oshadi. Bu aralashmaning haroratining oshishiga olib kelganligi sababli, siqilganidan keyin darhol sovutiladi.
8-bosqich. Kompressordan gaz endi "ammiak sintezi sikli" ga kiradi. Shaklda ko'rsatilgan sxema. 7.2 ushbu bosqichning soddalashtirilgan ko'rinishini beradi. Birinchidan, gaz aralashmasi temir katalizatoridan foydalanadigan va 380-450 ° S haroratni saqlaydigan katalitik konvertorga kiradi. Ushbu konvertordan chiqadigan gaz aralashmasi 15% dan ortiq ammiakni o'z ichiga olmaydi. Keyin ammiak suyultiriladi va qabul qiluvchi bunkerga yuboriladi, reaksiyaga kirishmagan gazlar esa konvertorga qaytariladi.
Ammiak sintezi jarayoni uchun optimal sharoitlarni tanlash
Ammiak sintezi jarayoni iloji boricha samarali va tejamkor bo'lishi uchun uni amalga oshirish shartlarini diqqat bilan tanlash kerak. Bu holda e'tiborga olinadigan eng muhim ko'rsatkichlar: 1) ishlab chiqarish, 2) tezlik va 3) jarayonning energiya intensivligi. Jarayonning 8-bosqichiga, ya'ni to'g'ridan-to'g'ri ammiak sinteziga murojaat qilamiz va bu jarayonning samaradorligiga bosim, harorat va katalizatorlarning ta'sirini o'rganamiz.
Bosimning ta'siri. Yuqorida aytib o'tilganidek, ammiak ishlab chiqarishni quyidagi tenglama bilan ifodalash mumkin:
Bu reaksiyaning muvozanat konstantasi bilan berilgan
Agar ushbu ifodaga kiritilgan gazlarning qisman bosimlarini ularning mol ulushlari va tizimdagi umumiy P bosimi bilan ifodalasak, quyidagi ifodani olamiz:
Bu ifodani shakl berish orqali soddalashtirish mumkin
Belgilangan haroratda qiymat doimiy bo'lib qolishi kerak. Agar tizimdagi umumiy bosim P ko'tarilsa, yuqoridagi ifodadagi atama kamayishi kerak. Bundan kelib chiqadiki, kattalik doimiy bo'lib qolishi kerakligi sababli, nisbat ortishi kerak. Shunday qilib, umumiy bosimning ortishi ortishi va kamayishiga olib kelishi kerak.Shuning uchun bosimning ortishi oldinga reaktsiyaga, ya'ni ammiak unumini oshirishga yordam beradi.
Harorat va katalizatorlarning ta'siri. Ammiakning sintezi ekzotermik jarayondir (7.1-jadval, a ga qarang). Shuning uchun haroratning oshishi teskari reaktsiyaga yordam berishi kerak (oldingi bo'limga qarang). Bu shuni anglatadiki, haroratni pasaytirish ammiak sintezi reaktsiyasining unumini oshirishi kerak (7.3-rasm). Ammo, afsuski, past haroratlarda bu reaktsiya tezligi va shuning uchun ammiak ishlab chiqarish tezligi sezilarli darajada sekinlashadi. Boshqacha qilib aytganda, past haroratlarda jarayon past mahsuldorlikka ega bo'lishi kerak, shuning uchun ham past samaradorlik. Optimal ishlashga erishish uchun siz ikkita ekstremal o'rtasida murosani tanlashingiz kerak:
1) yuqori rentabellik va past reaktsiya tezligi (past haroratlarda) va
2) past rentabellik va yuqori reaktsiya tezligi (yuqori haroratda).
Guruch. 7.3. Xaber jarayonida harorat va bosimning ammiak chiqishiga ta'siri ("nisbiy rentabellik" atamasi 4.2-bo'limda tushuntirilgan).
Albatta, reaksiya tezligi katalizator yordamida oshiriladi. Shunday qilib, katalizator jarayonni past haroratlarda samaraliroq bajarishga imkon beradi. Ammiak sintezi uchun ishlatiladigan temir katalizatorining samaradorligi, agar unga promotorlar deb ataladigan qo'shilsa, ortadi. Kaliy va alyuminiy oksidlari temir katalizatorining samaradorligini oshirish uchun ishlatiladi.
Ammiak sintezi jarayonining iqtisodini batafsil ko'rib chiqish shuni ko'rsatadiki, optimal hosil va mahsuldorlikka erishish uchun haroratni taxminan 400 ° S va bosimni 250 atm darajasida saqlash kerak.
Energiya balansi
Oddiy ammiak zavodi kuniga taxminan 1000 tonna ammiak ishlab chiqaradi. Shu bilan birga, kompressorlar ishlaydigan bug 'turbinalarini haydash uchun suv bug'iga ehtiyoj kuniga 6000 tonnani tashkil qiladi. Yaxshiyamki, ammiak ishlab chiqarishda ishtirok etadigan kimyoviy jarayonlar ekzotermikdir. Ammiak ishlab chiqarish jarayonining dastlabki bosqichlarida chiqarilgan barcha energiya yuqori darajada siqilgan bug 'ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Ammiak sintezining o'zidan to'g'ridan-to'g'ri ajralib chiqadigan energiya (8-bosqich) katalitik konvertorning haroratini 400 ° C da ushlab turish uchun sarflanadi. Ammiak zavodining umumiy issiqlik samaradorligi taxminan 60% ni tashkil qiladi. Boshqacha qilib aytganda, tabiiy gaz bilan ta'minlangan iste'mol qilinadigan energiyaning taxminan 40% issiqlik yo'qotilishidir.
Ammiak zavodining dizayn xususiyatlari
Zamonaviy ammiak zavodini loyihalash, uni xodimlar bilan ta'minlash va ishlatish malakali mutaxassislarning ishtirokini va murakkab muhandislik uskunalarini qo'llashni talab qiladi. Misol uchun, jarayonning 3-bosqichida havoni siqish uchun va 7-bosqichda sintez gazini (azot va vodorod aralashmasi) siqish uchun ishlatiladigan kompressorlar juda yuqori bosimga - ba'zi hollarda 350 atmgacha chidamli bo'lishi kerak. Bu kompressorlar bug 'turbinalari tomonidan boshqariladi, ular bug'ni 100 atm bosimda va 400 ° C dan yuqori haroratda qabul qiladi. Bunday turbinalar daqiqada bir necha ming aylanishgacha bo'lgan tezlikda aylanadi.
Ammiak sintezi amalga oshiriladigan reaktorlar ham juda yuqori talablarga javob berishi kerak. Ushbu reaktorlar ishlaydigan yuqori bosim va haroratlarda vodorod metallga tarqalib, po'latga hujum qilishi mumkin. Natijada, vodorod po'lat tarkibidagi uglerod bilan reaksiyaga kirishib, metan hosil qiladi. Bu metallda teshiklarning paydo bo'lishiga olib keladi va po'latni mo'rt qiladi. Buning oldini olish uchun reaktorlar tarkibida xrom, molibden va nikel bo'lgan maxsus qotishmalardan quriladi.
Ammiak zavodining joylashuvi ham katta iqtisodiy ahamiyatga ega. Ideal holda, bunday zavod 1) energiya manbalariga yaqin joyda joylashgan bo'lishi kerak;
2) ko'p miqdorda foydalanish mumkin bo'lgan suv manbalari;
3) transport yo'llari: avtomobil yo'llari, temir yo'llar, daryolar yoki dengizlar.
Buyuk Britaniyadagi to'rtta ammiak zavodi daryo bo'yida Billingem yaqinida joylashgan. Tay (Shotlandiyada). Bu joy bir vaqtning o'zida Durhamdagi ko'mir konlariga yaqinligi sababli tanlangan. Shimoliy dengiz kontinental shelfidagi neft va gaz konlariga yaqinligi tufayli bugungi kunda ham qulayligi isbotlangan.
Azot birikmalari turli sanoat va qishloq xo'jaligi uchun alohida ahamiyatga ega. Ular nitrat kislota, turli mineral oʻgʻitlar, polimer materiallar, portlovchi va raketa yoqilgʻisi, boʻyoqlar, farmatsevtika mahsulotlari ishlab chiqarishda isteʼmol qilinadi.
Azot juda keng tarqalgan kimyoviy elementlardan biridir. Uning klarki (% og'irlik) butun sayyora uchun 0,01, er qobig'i uchun - 0,04, atmosfera uchun - 75,5. Yer qobig'ida azotning mavjud bo'lish shakllari juda xilma-xildir. U minerallar, ko'mir, neft va boshqa qazilma yoqilg'ilarda uchraydi. Azot oqsil tuzilmalarini tashkil etuvchi elementlardan biri bo'lib, Yerdagi hayot uchun muhim ahamiyatga ega. Shaklda. 8.1 er yuzida azotning mavjud bo'lish shakllari va ulardagi elementning tarkibini ko'rsatadi.
8.1-rasm - Litosferada azotning mavjudligi shakllari
Azotning asosiy tabiiy manbai atmosferadir. Undagi azotning massasi 4 × 10 15 tonnani tashkil qiladi. Biroq, gazsimon molekulyar azot eng barqaror kimyoviy moddalardan biridir. Azot molekulasidagi bog'lanish energiyasi 940,5 kJ/mol. Tabiiy sharoitda atmosfera azotining oz miqdori reaksiyaga ko'ra chaqmoq oqimlari natijasida biologik assimilyatsiya qilinadigan shaklga o'tadi.
yoki fermentlar tomonidan katalizlangan fotosintez jarayonida aminokislotalar shaklida cheklangan o'simlik turlari tomonidan to'g'ridan-to'g'ri fiksatsiya qilinadi.
Aksariyat organizmlar (yuqori o'simliklar va hayvonlar) azotni oksidlanish darajasi -3 bo'lgan birikmalar shaklida o'zlashtiradi va atmosfera azotidan foydalana olmaydi. Xuddi shu narsa azotli birikmalardan sanoatda foydalanishga ham tegishli.
Atmosfera azotini assimilyatsiya qilish yoki amalga oshirish mumkin bo'lgan holatga aylantirish tezligi tabiiy jarayonlarda juda past. O'rtacha 10 8 yil ichida hayot uchun zarur bo'lgan azotning yarmi atmosfera orqali qaytadi. Shu bilan birga, zamonaviy madaniy dehqonchilikni tashkil etish ekin maydonlaridan assimilyatsiya qilinadigan azotni doimiy ravishda olib tashlash bilan bog'liq bo'lib, yiliga 88 million tonnaga etadi, bu o'simliklarning oziqlanishi uchun zarur bo'lgan azotning 90 foizini tashkil qiladi. Shuning uchun asosiy vazifa tuproqdagi azot zahiralarini o'simliklar tomonidan o'zlashtirilgan shaklda doimiy ravishda to'ldirishdir. 19-asrning oxirigacha tabiiy o'g'itlar "bog'langan" azot manbai bo'lib xizmat qildi va faqat kichik darajada tabiiy tuzlar - tabiatda zahiralari juda cheklangan natriy va kaliy nitratlar. Madaniy dehqonchilik koʻlamining ortishi va sanoatning turli azot birikmalariga boʻlgan ehtiyoji bu birikmalarni olishning sanoat usullarini, yaʼni atmosfera azotini “bogʻlash” usullarini ishlab chiqishni taqozo etdi.
8.1.2. Atmosfera azotini biriktirish usullari
20-asrning boshlarida molekulyar azotdan birikmalar sintez qilishning uchta texnik usuli deyarli bir vaqtning o'zida ishlab chiqilgan: yoy, siyanamid va ammiak.
Azot fiksatsiyasining ushbu usullarining qiyosiy energiya sarfi Jadvalda keltirilgan. 8.1
8.1-jadval - Azotni fiksatsiyalash usullarining energiya intensivligi
Ammiakni fiksatsiya qilish usuli eng baquvvat bo'lib, uni sanoatda keng qo'llashga olib keldi.