3. Характеристика целевого продукта
Аммиак (NH3) – бесцветный газ с резким запахом с температурой кипения -33,35 0С и температурой плавления -77,75 0С. Аномально высокие температуры кипения и плавления аммиака объясняются ассоциацией его молекул вследствие высокой их полярности и образования водородных связей. Критическая температура аммиака равна 132,4 0С. Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды), ограниченно растворим в органических растворителях.
В водных растворах аммиака содержаться его гидраты состава NH3*H2O и 2NH3*H2O, образующие эвтектики, а также незначительное количество ионизированных молекул в результате реакции:
NH3 + H2O = NH4++OH-
Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочно-земельные металлы, фосфор, серу, йод и многие неорганические и органические соединения. При температурах выше 1300 0С аммиак диссоциирует на азот и водород:
2NH3 = N2 + 3H2 + ΔH
Cухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры. С повышение температуры границы взрываемости аммиачно-воздушных смесей расширяются и взрыв происходит при более низкой концентрации аммиака. (стр. 187-188 [1])
В промышленности выпускаются два сорта жидкого аммиака. Согласно ГОСТ 6221- 75 аммиак первого сорта должен содержать не менее 99,9 % и второго сорта 99,6 % аммиака. (стр. 206 [1])
4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства
4.1 Равновесие и скорость процесса в системе
Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции
1/2N2+3/2H2 = NH3; ΔH<0
Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (ΔH298 = -91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (ΔH725 = -112,86 кДж/моль). По принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае имеет тоже отрицательное значение (ΔS298 = -198,13 кДж/(моль*К), поэтому повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции. (стр.388 [2])
Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. По принципу
Ле Шателье в условия равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.
Для реакции синтеза константа равновесия имеет вид:
Kp = PNH3/(P1/2N2*P3/2H2)
И может быть рассчитана по уравнению:
lg(1/Kp) = -A/T+B*lgT+aT-C*T2-b,
где А,В,С – постоянные величины; коэффициенты а и b зависят от давления и возрастают с его увеличением.
Табл. 1. Константа равновесия реакции синтеза аммиака в зависимости от температуры и давления. (стр. 388 [2])
-
Температура, 0С
Давление, Мпа
0,98
4,9
9,8
29,4
58,8
98,1
200
300
400
500
600
700
0,64880
0,06238
0,01282
0,00378
0,00152
0,00071
0,69780
0,06654
0,01310
0,00384
0,00146
0,00066
0,73680
0,06966
0,01379
0,00409
0,00153
0,00070
0,91200
0,08667
0,01717
0,00501
0,00190
0,00087
2,49300
0,17330
0,02761
0,00646
0,00200
0,00085
10,3500
0,51340
0,06035
0,00978
0,00206
0,00052
Качественная и количественная оценки условий термодинамического равновесия позволяют сделать вывод, что максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низких температурах.
Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора, причем катализаторами данной реакции служат твердые вещества. Гетерогенно-каталитический процесс синтеза аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями:
1. Диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора.
2. Хемосорбция молекул реагентов (адсорбатов) на поверхности катализатора.
3. Поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними.
4. Десорбция продукта.
5. Диффузия продукта реакции (аммиака) от поверхности катализатора в газовую фазу.
Исследование кинетики и механизма реакции синтеза позволило сделать вывод, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота. Этот вывод можно описать механизмом синтеза аммиака сокращенной схемой:
N2+Z = ZN2
ZN2+3H2 = 2NH3 + Z
N2+3H2 = 2NH3,
где Z – свободный центр поверхности катализатора; ZN2 – хемосорбированная частица (адсорбат).
Скорость обратимой реакции получения аммиака из элементов на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина-Пыжева:
wгNH3
где k1 и k2 – константы скоростей соответственно образования и разложения аммиака; PN2,PH2,PNH3 – парциальные давления соответственно азота, водорода, аммиака, а – постоянная, удовлетворяющая неравенству 0<а<1 и характеризующая степень покрытия поверхности катализатора азотом.
При проведении процесса при атмосферном давлении и температуре от 400 до 500 0С для промышленных катализаторов величина а = 0,5. (стр. 390 [2])