1.2.Использование в машиностроении аммиака

и продуктов его превращений

В истории развития химии и машиностроения создание процесса синтеза аммиака явилось заметной вехой [74]:

●химики освоили управление равновесными процессами и после интенсивных поисков нашли эффективные промышленные катализаторы и оптимальные параметры температуры и давления;

●машиностроители создали аппаратуру, работающую при высоком давлении в присутствии водорода.

В начале 20 века возникла острая стимулированная интенсивным развитием земледелия потребность в промышленном получении азотсодержащих соединений, поскольку они являются важнейшей составной частью минеральных удобрений. Однако пригодные для производства удобрений азотные соединения в природе были представлены в основном только относительно небольшими залежами селитры в Чили. В 1904 г. профессор Ф. Габер синтезировал аммиак из смеси азота и водорода путем пропускания через смесь этих газов электрических искр или пропусканием газов через электрическую дугу при температуре до 1000°С. Оба процесса оказались малоэффективными и Габер прекратил работу.

В 1906 г. В. Нернст опубликовал результаты своих теоретических исследований по термодинамике, где в частности рассмотрел условия химического равновесия в реакции соединения азота и водорода с образованием аммиака. Познакомившись с работой Нернста, Габер проверил влияние давления на процесс синтеза аммиака.

N₂ + 3 Н₂ ↔ 2 NH₃ + Q

В соответствии с принципом Ле-Шателье при повышении давления до 20 МПа равновесие реакции смещается в сторону образования аммиака. Для протекания процесса с заметной скоростью Габер повысил температуру до 500°С, использовал осмий в качестве катализатора и в итоге основал первое промышленное производство аммиака.

Крупное промышленное производство аммиака было создано К. Бошем - химиком-технологом фирмы «Бадише анилин унд сода фабрик». Бош подобрал вместо дорогого осмия дешевые катализаторы из оксидов железа и алюминия; разработал технологию получения дешевого азота и водорода.

Необходимо подчеркнуть важнейшую роль машиностроителей в решении данной проблемы. Синтезу аммиака препятствовала не только сложность создания аппаратуры, выдерживающей высокие давления и температуру, но и то, что водород азото-водородной смеси состава 3Н₂-N₂ в условиях процесса растворялся в металле корпуса реактора и вызывал его «охрупчивание» с последующим разрушением реактора.

При участии Боша для синтеза аммиака разработали конструкцию «реактор в реакторе». Внешний реактор имеет стенки из обычной стали. Внутри него второй реактор, изготовленный из специальной стали, устойчивой при высокой температуре к охрупчиванию. Внешний реактор работает при более низкой температуре, при которой обычная сталь также устойчива к водороду.

В результате теоретических работ Нернста, экспериментов Габера и Боша было создано крупнотоннажное каталитическое производство аммиака. О выдающемся вкладе ученых и технологов в развитие теоретической и прикладной химии в случае создания процесса синтеза аммиака при высоком давлении свидетельствует тот факт, что Нобелевские премии по химии были присуждены Габеру в 1918 г, за синтез аммиака из составляющих его элементов, Нернсту - в 1920 за работы по термохимии и Бошу - в 1931 (совместно с Ф.Бергиусом) за разработку и использование в химии методов высокого давления.

В 2007 году 16 предприятий России произвели аммиак в объеме 12952 тысяч т. Россия— один из крупнейших мировых экспортеров аммиака. На экспорт она поставляет около 25% от общего объёма производства аммиака, что составляет около 16% мирового экспорта.

Человечество купается в океане азота (он составляет 78% воздуха), но он малодоступен из-за химической инертности. Получение из азота воздуха аммиака открыло путь к использованию неисчерпаемых ресурсов азота для получения важнейших азотсодержащих соединений, включая белковые соединения, составляющие основу живых организмов. В первую очередь из аммиака получают азотную кислоту – главный реагент при синтезе аминов, красителей, взрывчатых веществ, аминокислот и т.д.

В машиностроении сам аммиак и другие азотсодержащие вещества применяют в процессе азотирования, нитроцементации, цианирования для придания твердости и износостойкости режущим инструментам и пресс-формам - основным узлам станков по обработке металлов, для окраски изделий машиностроения (красители на основе аминов и нитросоединений); для получения полиамидных, полиимидных, нитрилсодержащих материалов (капрон, найлон и др.), взрывчатых веществ (тротила, пироксилина, аммонитов и др.), используемых в технологиях обработки металлов давлением.