Аммиак синтезі Қарастырылатын сұрақтар (дәріс жоспары):
1. Аммиак синтезінің негізі.
2. Аммиак синтезі үшін табиғи газдан азотсутекті қоспаны алу тәсілі.
3. Таңдамалы катализ. Өнеркәсіптік катализаторлар
Дәрістің қысқаша мазмұны:
Аммиактың синтезі. Процестің теориялық негізі.Аммиактың синтезі – химиялық процестердің өндірістік негізін іске асыру үшін қолданылатын ғылыми заңдылықтардың басты мысалы. Аммиак синтезі қайтымды реакция, жылудың бөлінуімен және көлемнің азаюымен жүреді:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 - ∆H
Ле–Шателье принципіне сәйкес температураның жоғарылауы аммиактың ыдырауына, ал қысымның жоғарылауы – оның синтезіне әкеледі. Реакция катализатордың қатысында жоғары жылдамдықпен өтеді, 5000 С төмен емес температурада активтілігі байқалады. Бірақ синтез тек жоғары қысымды қолданғанда ғана мүмкін – 107 н/м2 жоғары.
Барлық зерттелген катализаторлардың ішінде кеуекті темір ең тиімдісі болып табылады, құрамында аздаған мөлшерде активаторлар бар – алюминий оксиді ( 3-4 %), калий ( 1%), кальций ( 2-3 %) және кремний ( 0,7 %). Катализаторды алу үшін таза темірді алюминий, кремний, кальций оксиді мен калий карбонатының қатысында балқытады, одан кейін темірді Fe3O4 оксидіндегі оттекпен тотықтырады. Құйманы ұсақтайды және дәннің мөлшері 5-7 мм фракцияға бөледі. Катализатордың активтілігі каталитикалық умен улағанда төмендейді. Олардың кейбіреуі (H2S, PH3 ) қайтымсыз уландыруды тудырады (яғни бастапқы активтілігі қайтадан қалпына келмейді), басқалары ( CO, CO2, H2O, O2 ) – қайтымды. Таза азот сутекті қоспаны жібергенде активтілігі қайта қалпына келеді. Тазалау кезінде азот сутекті қоспа толықтай күкіртсутектен және фосфиннен босауы керек және тек аздаған мөлшерде оттек пен оның қосылыстары ғана болуы мүмкін. Олар толығымен колоннадағы катализатормен алдын-ала контактілеу (катализалды ) арқылы жойылады, қысымның әсерінен қоспа түсіп, ондағы қоспа көмірсутекке, суға дейін тотықсызданады:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O,
CO2 + 4H2 ↔CH4 + 2H2O,
O2 + 2H2 ↔ 2H2O
Түзілген метан у болып саналмайды, ал су газ суығанда конденсирленеді де жойылады. Көбінесе катализалдын гидрлеудің арнайы катализаторы–2000 С хром оксидіне жағылған никельмен немесе 3500С аммиак синтезінің темір катализаторымен жүргізеді, бұл жағдайда аммиак әлі түзілмейді. Катализалдын (оны тұрақтылығы жоғары темір катализатормен жүргізгенде, құрамында 7-8% Al2O3 бар және 600-700% ) продуцирлеуші болып табылады, өйткені бұл жағдайда тағы да аздаған мөлшерде аммиак түзіледі және автотермиялы.
Аммиак синтезі реакциясының бірінші сатысында азот және сутек молекуласы катализатор қабатында темір атомымен активтелген адсорбцияға ұшырайды. Ары қарай сызба бойынша жалғаспалы гидрлеу жүреді:
Fe +N ≡ N N - N→NH – NH → NH2 NH2 → NH3 NH3 Осыдан кейін аммиак молекуласы азот молекуласымен ығыстырылады және бұл құбылыстар қайталанады.Шығатын заттар катализатор қабатынан өткенде, олардың аммиакта толықтай жойылуы, тіпті 108 н/м2 қысымында да болмады, сондықтан да циркуляция принципін қолданады: түзілген аммиак газды қоспа суығанда конденсирленеді (жоғары қысымда толықтай) және бөлінеді, ал аммиак қалдығы бар азотты сутек қоспасы жаңа қоспамен араласады және қайтадан катализаторға түседі. Циркуляция шығатын заттар толықтай жойылғанша жалғасады: реакцияға қатыспаған қоспа – метан мен аргон ( азоттағы қоспа ) жиналу нәтижесінде – циркуляционды газдың бөлігі үзіліссіз құрылғыдан шығарылады ( продувка ) .
Осы дәріске ағымдық, аралық, қорытынды бақылау бойынша сұрақтар
1. Аммиак өндірісінің шикізаттық ресурсын атау. Табиғи және жолшыбай газдардың негізінде сутек өндірісі қазіргі уақытта негізгі болып саналады?
2. Аммиактың тең салмақты шығуына қандай физико – химиялық факторлар әсер етеді? Бұл әсер неде байқалады? Жауапты Ле – Шателье принципі тұрғысынан түсіндіру.
3. Аммиак синтезінің өнеркәсіптік жүйесін атау. Орташа қысымдағы аммиак синтезінің оптимальды жағдайын сипаттау.
