Глава 10 производство аммиака
10.1. Проблема связанного азота
Проблема производства аммиака тесно связана с более широким вопросом – проблемой связанного азота.
Известно, что соединения азота имеют огромное значение для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства. Промышленность использует их для производства азотной кислоты, полимеров, взрывчатых веществ, ракетных топлив, красителей, лекарственных препаратов. Сельскому хозяйству необходимы азотные удобрения.
Азот принадлежит к широко распространенным элементам, но основное его количество находится в свободном состоянии в атмосфере Земли, где его доля составляет 78 %. Кларк азота в земной коре равен всего 0,04 %.
Азот является незаменимым элементом для существования жизни на Земле. В составе живой клетки его доля равна 12–19 %.
Промышленные месторождения связанного азота известны в ограниченном количестве. Единственные в мире крупные месторождения натриевой и калиевой селитры (NaNO3 и KNO3) находятся в Чили. Hеудивительно, что взоры ученых давно были обращены на возможность фиксации атмосферного азота, энергия диссоциации которого составляет 940,5 кДж/моль. Азот – одно из самых устойчивых химических соединений.
В настоящее время известны три основных способа связывания азота из воздуха.
10.1.1. Цианамидный способ протекает при температуре 1000 оС:
СаС2 + N2 = CaCN2 + C + 301,5 кДж/моль (10.1)
и далее
СаСN2 +3H2O = CaCO3 + 2NH3 . (10.2)
Однако этот метод очень энергоемкий (104 кВт∙ч/т), и поэтому не получил широкого распространения.
10.1.2. Плазменный способ связывания азота основан на прямом взаимодействии N2 и О2 в условиях низкотемпературной плазмы (более 2200 К):
N2 + O2 = 2NO – 179,2 кДж/моль. (10.3)
В природе такой процесс наблюдается при грозовых разрядах.
Первый завод по данной технологии был пущен в 1904 г. В этом процессе атмосферный воздух пропускался через пламя электрической дуги. Из-за высокого расхода энергии и низкого выхода оксида азота (II) (менее 5 %) метод надолго был забыт.
Однако в последние десятилетия интерес к данному способу вновь возродился в виде плазмохимического процесса, осуществляемого в низкотемпературной воздушной плазме, с помощью новейших устройств – плазмотронов. Процесс протекает при 5000–10000 оС, давлении 2 МПа и времени контакта 10–4 с, что обеспечивает довольно высокую производительность установки. А комбинирование плазменной установки с магнитогидродинамическим генератором (МГД) позволит использовать вторичные энергоресурсы и обеспечивать возврат энергии.
10.1.3. Аммиачный метод связывания азота ранее считался наименее перспективным, но в настоящее время получил почти исключительное распространение. Процесс описывается следующей химической реакцией:
N2 +3H2 2NH3. (10.4)
В основу технологии получения аммиака синтезом азота с водородом легли многолетние исследования таких выдающихся ученых, как Оствальд, Нернст, Габер, Бош, Ле-Шателье и др. Последние трое получили Нобелевскую премию по химии за промышленное освоение и разработку процесса синтеза аммиака из азота и водорода.
Аммиачный метод в 2,5 раза менее энергоемкий чем цианамидный и в 15 раз – чем дуговой.
Аммиак является важнейшим соединением азота, и его промышленное производство является самым многотоннажным из всех азотсодержащих веществ. Разнообразие областей его использования иллюстрирует рисунок 10.1.
Карбамид Жидкие минераль- Нитрат аммония Сульфат аммония
ные удобрения
Аммофос Карбонат аммония
АММИАК
Гербициды Мочевиноальдегид-
ные ВМС
А зотная Полиуретаны Полиамиды Полиакрилонитрил кислота
Рис. 10.1. Области применения аммиака