Лекция 12. Производство аммиака

1. Проблема "связанного" азота

2. Методы связывания атмосферного азота

3. Функциональная схема производства аммиака

4. Процесс очистки природного газа от серосодержащих соединений

5. Процесс двухступенчатой конверсии метана

6. Процессы очистки азотоводородной смеси от оксидов углерода

7. Процесс синтеза аммиака

1. Проблема "связанного" азота

Проблема производства аммиака тесно связана с более широким вопро­сом – проблемой связанного азота.

Соединения азота имеют исключительное значение для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства (рис. 1). Их потребляют производства азотной кислоты, минеральных удобрений, полимерных материалов, взрывчатых веществ и ракетных топлив, красителей, фармацевтических препаратов. Важнейшее значение имеет азот для жизни на Земле, являясь одним из основных элементов, входящих в состав белковых структур, без которых невозможно существование живой клетки.

Карбамид Жидкие минераль- Нитрат аммония Сульфат аммония

ные удобрения

Аммофос Карбонат аммония

АММИАК

Гербициды Мочевиноальдегид- ные ВМС

Азотная Полиуретаны Полиамиды Полиакрилонитрил кислота

Рисунок 1 – Области применения аммиака

Азот принадлежит к числу достаточно распространенных химических элементов, но его содержание в различных сферах Земли колеблется в широких пределах. Формы существования азота в земной коре весьма разнообразны. Он входит в состав различных минералов, содержится в каменном угле, нефти и других видах ископаемого топлива. Кларк азота в земной коре равен всего 0,04 %. Основным природным источником азота является атмосфера. Масса азота в ней составляет 4·10¹⁵ тонн, что соответствует 8·10⁴ тонн на каждый гектар суши. Однако газообразный молекулярный азот представляет одно из самых устойчивых химических веществ. Энергия связи в молекуле азота равна 940,5 кДж/моль. В расчете на атом азот обладает одной из самых высоких энтропий, именно поэтому элементарный азот нереакционноспособен. В естественных условиях лишь незначительное количество атмосферного азота переходит в биологически усвояемую форму в результате грозовых разрядов по реакции:

N₂ + О₂ = 2NO,

или непосредственно фиксируется ограниченными видами растений в форме аминокислот в ходе фотосинтеза, катализируемого ферментами:

N_2(атм.) → N_(бакт.) → N_{(связан.)}.

Большинство организмов (высшие растения и животные) усваивают азот в виде его соединений со степенью окисления -3 и не могут использовать азот атмосферы. То же относится и к использованию соединений азота в промышленности.

Скорость перевода атмосферного азота в состояние, в котором он может быть усвоен или реализован, в природных процессах весьма мала. В то же время, организация современного культурного земледелия связана с непрерывным уносом "усвояемого" азота с посевных площадей, достигающим 88 млн. тонн в год, а это 90% азота, необходимого для питания растений. Поэтому важнейшая задача - непрерывное пополнение запасов азота в почве в усвояемой растениями форме, то есть в виде его соединений. До конца XIX столетия источником подобного "связанного" азота служили естественные удобрения. Промышленные месторождения связанного азота известны в ограничен­ном количестве. Единственные в мире крупные месторождения натриевой и калиевой селитры (NaNO₃ и KNO₃) находятся в Чили. Увеличение масштабов культурного земледелия и потребности промышленности в разнообразных соединениях азота потребовали разработки промышленных способов "связывания" атмосферного азота.