книги из ГПНТБ / Эпштейн Д.А. Химия в промышленности учеб. пособие по факультатив. курсу для учащихся X классов

время, чтобы аммиак полностью прореагировал — при меньшем времени контактирования часть аммиака проскочит через ка­ тализатор. Но, как показывает опыт (рис. 18), при дальнейшем увеличении длительности реакции выход N 0 резко падает (по­ чему?). На платинородиевом катализаторе максимальный выход достигается через 0,0001 сек, на окисножелезном катализато­

ре — примерно через 0,01 сек.

ветите, что процесс следует проводить при давлении, близком к атмосферному, так как при повышении давления выход NO па­ дает. Так и делают в ряде случаев, но имеются также установ­ ки, на которых аммиак окисляется под повышенным давлением по причинам, которые выяснятся несколько позлее.

Какова оптимальная конструкция контактного аппарата для окисления аммиака? Материал аппарата должен быть стоек при устанавливающихся в аппарате температурах и не содействовать течению вредных реакций. Газовую смесь нужно равномерно подводить к сеткам. Аммиачпо-воздушную смесь направляют к горизонтально расположенному пакету сеток через крышку, имеющую форму конуса. Так как реакция сильно экзотермиче­ ская, надо позаботиться об утилизации теплоты реакции, на­ пример, для производства водяного пара. Из слоя катализато­ ров горячая смесь поступает в паровой котел — утилизатор, где образующийся нитрозный газ охлаждается примерно до 200 °С (рис. 19).

простых), к которым относятся все изученные вами ранее реакции: обжиг се­

го класса реакций, в которых реагентами являются органические вещества.

Каковы закономерности управления необратимыми экзотермическими разветвленными (сложными) реакциями?

1.Эффективным средством направления реакции в нужную сторону яв­ ляется катализ. Качество катализатора оценивают в первую очередь по его селективности — способности во много раз ускорять течение реакции по из­ бранному направлению в сравнении с другими .направлениями.

2.Выход продукта достигает максимума при точно определенных и по­

і.

§ 5. Физико-химическая характеристика окисления оксида азота N0

Реакция окисления N0 неразветвленная (простая), экзотер­ мическая, гомогенная, обратимая, некаталитическая:

окислении аммиака) следующим образом зависит от темпера­ туры:

тически необратима. Наоборот, при температурах 700 °С и выше окисление N 0 при прочих указанных выше условиях невозмож* но. Реакция обратима при атмосферном давлении в интервале температур 200—700 °С. Равновесная степень окисления NO рас­ тет с увеличением давления и соотношения 02 :. N0.

Какова зависимость скорости этой реакции от температуры?

Зная общую закономерность, вы, вероятно, ответите, что ско­ рость реакции растет при повышении температуры. И сделаете ошибку! Данная реакция, как и несколько других, представляет редкое исключение из общего правила. Скорость ее увеличива­

Предполагают, что реакция протекает в результате столкно­ вения трех молекул. Две молекулы N0 образуют нестойкий.димер (NO)2 ) равновесная концентрация которого уменьшается с

Какова зависимость скорости этой реакции от давления?

Скорость ее увеличивается при повышении давления, так как растут концентрации реагирующих газов. В данном же случае скорость реакции особенно сильно зависит от давления. Напри­ мер, при повышении давления в 10 раз, время, необходимое для

64

окисления NO до одной и той же степени, уменьшается прибли­ зительно в 102 = 100 раз — реакция протекает очень быстро при высоких концентрациях реагентов и, наоборот, чрезвычайно мед­ ленно при малых концентрациях.

§ 6. Оптимальные условия окисления оксида азота N 0

Ставя перед собой в первую очередь цель возможно полнее окислить оксид азота N0, выбирают условия, которые" благо­ приятствуют смещению равновесия в сторону образования N02 , не упуская из виду и задачи ускорения реакции.

Выбор температуры. Горячий нитрозный газ должен быть охлажден до температуры ниже 200 °С. В данном случае (в от­ личие от другой экзотермической обратимой реакции — окисле­ ния S02 ) с понижением температуры увеличивается и скорость реакции. Очевидно, следует выбрать возможно более низкую температуру (какую?). Легко поддерживать температуру немно­ го выше температуры окружающей среды, пользуясь для охлаж­ дения водой. Например, в водяном трубчатом холодильнике по трубам непрерывно движется охлаждаемая газовая смесь, а в межтрубном пространстве в противоположном направлении — охлаждающая вода, имеющая обычную для данной местности температуру.

На каком из двух заводов, выпускающих азотную кислоту, будет лучший показатель расхода энергии в летнее время: на Северном Урале или на Ук­ раине — и почему?

Выбор оптимального давления. При выбранной температуре равновесие полностью смещено в сторону образования N 0 2 уже при атмосферном давлении. Однако закончить реакцию при этих условиях практически невозможно, так как скорость ее к концу становится очень малой. На первых азотнокислотных установ­ ках, на которых процесс проводился под атмосферным давле­ нием, окислялось примерно 90% N0. Легко вообразить, что представлял собой на таких установках окрашенный в желтый цвет выхлопной газ — «лисий хвост». Он очень вреден п для людей и для растительности, избавиться от него трудно: когда в газе остается мало N0, скорость ее окисления становится на­ столько низкой, что экономически нецелесообразно доводить реакцию до конца.

Физико-химические расчеты показали и промышленный опыт подтвердил, что оптимальным является повышенное давление (5—10 ат),'при котором скорость реакции гораздо больше, чем при атмосферном давлении, и легко можно окислить 98—99% N0. При этом не только увеличивается выход продукта, но и, что не менее важно, во много раз уменьшается выброс ядови­ тых газов в атмосферу.

Почему выхлопные газы желтого цвета?

5 Зак. Ш 5

Взаимодействие N 0 2 с водой идет параллельно с окислением выделяющегося N0. Нужно поддерживать благоприятные усло­ вия для обеих реакций: температура немного выше обычной, давление 5—10 ат (до 20 ат), большая поверхность соприкосно­ вения газовой и жидкой фаз.

Обоснование этих условий сделайте самостоятельно. При выборе реак­ ционного аппарата воспользуйтесь принципами, сформулированными при рас­ смотрении процесса образования серной кислоты. Нарисуйте схему реакцион­

объем. Этому требованию удовлетворяют башни с насадками из

температуру около 75°С.

Как сконцентрировать разбавленную азотную кислоту? Почему нельзя получить ее перегонкой и что изменится, если к разбавленному раствору азот­ ной кислоты добавить жидкость, которая поглощает воду, например концент­ рированную серную кислоту или нитрат магния?

При нагревании такой тройной смеси испаряется азотная кислота, а вода с серной кислотой или нитратом магния образует разбавленный водный раст­

Рис. 21. Классификация химических реакции по физико-химическим пара­ метрам, определяющим оптимальные условия промышленного производства

раметрам, играющим основную роль при определении условии высокого вы­ хода продукта, получаем шесть основных классов химических производствен­

сжатие газа расходуется в несколько раз больше энергии, чем при производ­

цессами, для проведения которых они предназначены. Выделите принципы их конструирования.

Г л а в а IV. АЗОТНЫЕ УДОБРЕНИЯ

§ 1. Какие азотные удобрения целесообразно производить

Какие требования предъявляют в настоящее время к минеральным удобре­ ниям' — их химическому составу и физическим свойствам? Каковы преиму­ щества концентрированных, комплексных и гранулированных удобрений?