11. Применение аммиака. Физико-химические основы производства.

Аммиак NН₃ — бесцветный газ с удушливым резким запа­хом, действует раздражающе на слизистые оболочки. При температуре —33,19°С и атмосферном давлении аммиак кипит, а при —77,75 °С он затвердевает. Аммиак хорошо растворяется в воде. Так, при 20 °С в 1 объеме воды растворяются примерно 700 объемов газообразного аммиака, образуя водный аммиак (аммиачную воду).

При обычной температуре аммиак устойчив. При температу­рах выше 1200 °С происходит его диссоциация на водород и азот; в присутствии катализатора диссоциация аммиака наблю­дается уже при 300 °С. Аммиак весьма реакционноспособен: с кислотами образует соли, с диоксидом углерода — карбамид; на платиноидном и некоторых других катализаторах аммиак окисляется до оксида азота.

Аммиак в основном используется для производства азотной кислоты и минеральных удобрений — аммиачной селитры, карб­амида, сульфата аммония, сложных удобрений и др. Жидкий аммиак сам является высококонцентрированным азотным удоб­рением. Он применяется также в производстве капролактама, синильной кислоты, соды, взрывчатых веществ, при получении технических солей, используется как хладоагент. Он находит также широкое применение в органических синтезах. Смеси ам­миака с воздухом при определенных условиях способны взры­ваться.

Согласно ГОСТ 6221—75 аммиак выпускают трех сортов:

Высший сорт 1-й сорт 2-й сорт

Аммиак, масс, %, не менее 99,96 99,9 99,6

Влага, масс. %, не более . . 0,04 0,1 0,4

Железо, мг/л, не более ... 1 2 2

Масло, мг/л, не более ... 2 8 8

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Образование аммиака из азота и водорода протекает на ка­тализаторе при высоких давлениях и температурах по уравне­нию:

ЗН₂ + N₂ ↔ 2NH₃ + Q

Эта реакция обратима, протекает со значительным уменьше­нием объема (из четырех объемов водорода и азота получают два объема аммиака) и с выделением большого количества теп­ла. По принципу Ле-Шателье при повышении давления и пони­жении температуры равновесие реакции синтеза аммиака будет сдвигаться в сторону образования аммиака. При повышении давления и постоянной температуре равновесное содержание аммиака в смеси с азотом и водородом увеличивается. При из­вестных значениях константы равновесия Кр для азотоводород­ной смеси стехиометрического состава, пользуясь уравнением:

можно определить равновесные концентрации аммиака при раз­личных температурах.

На рис. Ш-1 приведена зависимость выхода аммиака от дав­ления и температуры равновесной газовой смеси. Если состав азотоводородной смеси, поступающей на синтез аммиака, отли­чается от стехиометрического, равновесные концентрации ам­миака резко снижаются. Этим объясняется необходимость по­лучения в промышленных условиях азотоводородной смеси сте­хиометрического состава.

В азотоводородной смеси, получаемой на промышленных ус­тановках, присутствуют так называемые инертные примеси — метан и аргон, которые не вступают в реакцию, но разбавляют азотоводородную смесь и соответственно снижают равновесную концентрацию аммиака, как это показано ниже для давления 29,4 МПа и температуры 500 °С:

Содержание инертных приме­сей, % ....... 0 5 10 20

Равновесная концентрация ам­миака, %...... 26,4 24,0 21,6 17,7

Тепловой эффект реакции синтеза аммиака зависит от дав­ления и температуры процесса. Ниже приведены значения теп­лового эффекта при различных давлениях и при температуре 500°С:

Давление, МПа..... 0,1 10 30 60 100

Тепловой эффект

кДж/кмоль . ... 49820 52040 55770 60960 68660

ккал/кмоль..... 11900 12430 13320 14560 16400