Номер 1, страница 339 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 71. Производство аммиака. Глава 7. Химическая технология - номер 1, страница 339.

Условие.

1. Охарактеризуйте процесс производства аммиака. Какие принципы химического производства лежат в его основе?

Решение.

Решение 2.

Промышленный синтез аммиака является одним из важнейших химических производств в мире. Он основан на процессе, разработанном Фрицем Габером и Карлом Бошем в начале XX века.

Охарактеризуйте процесс производства аммиака

Процесс производства аммиака (процесс Габера-Боша) заключается в прямом каталитическом синтезе из азота и водорода. Основное уравнение реакции:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$ (где $Q = 92,4$ кДж)

Реакция является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема газов. Процесс состоит из нескольких ключевых стадий:

1. Получение и очистка азотоводородной смеси.
   • Источником азота ($N_2$) служит воздух, из которого его выделяют методом низкотемпературной ректификации (фракционной перегонки сжиженного воздуха).
   • Водород ($H_2$) получают преимущественно паровой конверсией природного газа (метана): $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$.
   • Полученную смесь газов (азот и водород в соотношении 1:3) тщательно очищают от каталитических ядов — соединений серы, оксидов углерода ($CO$, $CO_2$) и паров воды.

2. Синтез аммиака в колонне синтеза.

   Очищенную и сжатую азотоводородную смесь направляют в реактор (колонну синтеза), где она проходит через слои катализатора. Для смещения равновесия в сторону образования аммиака и достижения приемлемой скорости реакции, согласно принципу Ле Шателье, поддерживаются оптимальные условия:

   • Высокое давление: 15–35 МПа (150–350 атмосфер). Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема, то есть в сторону продукта ($NH_3$).
   • Оптимальная температура: 400–500 °C. Это компромиссное значение: более низкая температура выгодна для равновесия (реакция экзотермическая), но сильно замедляет реакцию, а более высокая — увеличивает скорость, но снижает равновесный выход аммиака.
   • Катализатор: губчатое (пористое) железо, активированное оксидами калия ($K_2O$), алюминия ($Al_2O_3$) и кальция ($CaO$).

3. Выделение аммиака из реакционной смеси.

   Поскольку реакция обратима, выход аммиака за один проход через реактор составляет всего 15–25%. Газовая смесь на выходе из колонны синтеза охлаждается. Аммиак, имеющий более высокую температуру кипения (-33,4 °C), конденсируется в жидкость и отделяется от непрореагировавших азота и водорода. Эти газы по замкнутому циклу (принцип циркуляции) возвращаются на вход в реактор.

Ответ: Процесс производства аммиака — это непрерывный, каталитический, циркуляционный процесс синтеза $NH_3$ из азота и водорода при температуре 400–500 °C, давлении 15–35 МПа и на железном катализаторе. Он включает три основные стадии: получение и очистку сырья, сам синтез и выделение целевого продукта с возвратом непрореагировавших газов в цикл.

Какие принципы химического производства лежат в его основе?

В основе современного производства аммиака лежат следующие общие научно-технические принципы:

• Научный подбор оптимальных условий. Условия (давление, температура, концентрации) выбираются на основе законов химической кинетики и химического равновесия (принцип Ле Шателье) для достижения максимальной скорости реакции и высокого выхода продукта при минимальных затратах.
• Принцип циркуляции. Непрореагировавшее сырье (азот и водород) не выбрасывается, а многократно возвращается в реакционную зону, что позволяет довести степень его превращения почти до 100% и снизить себестоимость продукта.
• Принцип теплообмена и использования энергии химических реакций. Процесс организован так, что тепло, выделяющееся в ходе экзотермической реакции синтеза, используется для нагрева поступающей холодной азотоводородной смеси. Это реализует принцип энергосбережения.
• Применение катализаторов. Использование высокоактивных и селективных катализаторов позволяет проводить процесс с высокой скоростью в более мягких условиях (особенно по температуре), чем это было бы возможно без них.
• Непрерывность процесса и автоматизация. Сырье непрерывно подается в аппараты, а продукты непрерывно выводятся. Это обеспечивает стабильность режима, высокую производительность и возможность полной автоматизации управления процессом.
• Комплексное использование сырья. Побочные продукты одних стадий могут служить сырьем для других производств. Например, $CO_2$, образующийся при получении водорода, используется для синтеза карбамида.

Ответ: Производство аммиака базируется на принципах: выбора оптимальных технологических условий (температура, давление, катализатор), циркуляции непрореагировавших реагентов, использования теплоты реакции для подогрева сырья (теплообмен), непрерывности процесса и комплексного использования сырья.