Номер 3, страница 339 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 71. Производство аммиака. Глава 7. Химическая технология - номер 3, страница 339.

Условие.

3. Расскажите об устройстве колонны синтеза.

Решение.

Решение 2.

3. Расскажите об устройстве колонны синтеза.

Колонна синтеза — это центральный аппарат в химических производствах, предназначенный для проведения каталитических реакций при высоких давлениях и температурах. Наиболее яркими примерами являются синтез аммиака по процессу Габера-Боша и синтез метанола. Устройство колонны должно обеспечивать не только прочность и герметичность в экстремальных условиях, но и оптимальный температурный режим для максимального выхода целевого продукта, так как реакции синтеза, как правило, экзотермические и обратимые.

Основные конструктивные элементы колонны синтеза включают:

• Корпус высокого давления. Это внешняя оболочка аппарата, которая воспринимает всё давление рабочего процесса (для синтеза аммиака 15-35 МПа, иногда до 100 МПа). Корпус представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд, изготовленный из легированных сталей (например, хромомолибденовых), способных сохранять прочность при высоких температурах (400–550 °C). Часто применяется многослойная конструкция для повышения надежности.
• Внутренняя катализаторная коробка. Внутри корпуса размещается картридж, в котором находится катализатор. Эта внутренняя часть не испытывает высокого перепада давления, так как давление внутри и снаружи неё практически одинаково. Её основная задача — организация правильного потока газа через слои катализатора и теплоизоляция корпуса от высоких температур.
• Слои катализатора. Твердое вещество (например, пористое железо для синтеза аммиака), на поверхности которого происходит реакция. Катализатор размещается на специальных опорных решетках (полках) внутри катализаторной коробки.
• Теплообменные устройства. Поскольку реакция синтеза (например, аммиака $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$) является экзотермической, отвод избыточного тепла и подогрев входящего холодного газа имеют решающее значение. Встроенный теплообменник обычно расположен в межтрубном пространстве между корпусом и катализаторной коробкой или непосредственно внутри нее. Холодная синтез-газовая смесь, поступая в колонну, нагревается за счет тепла горячего газа, выходящего из зоны реакции. Это позволяет экономить энергию и поддерживать температуру корпуса на безопасном уровне.
• Устройства для регулирования температуры. Для контроля температуры в полочных колоннах используется так называемый «холодный байпас» (или квенчинг). Часть холодного исходного газа подается мимо основного теплообменника и впрыскивается непосредственно между слоями катализатора, охлаждая реакционную смесь до оптимальной температуры для следующего слоя.
• Электроподогреватель. Используется при запуске установки для разогрева катализатора до температуры начала реакции (около 400–450 °C). После выхода на режим он отключается, и процесс поддерживается за счет тепла самой реакции.

По организации потока газа колонны синтеза классифицируют на:

• Аксиальные: газ движется вдоль оси аппарата (сверху вниз). Это традиционная схема с высоким гидравлическим сопротивлением.
• Радиальные: газ движется в радиальном направлении через кольцевой слой катализатора (от центра к периферии или наоборот). Такая схема позволяет значительно снизить перепад давления, использовать более мелкие гранулы катализатора и повысить производительность.
• Аксиально-радиальные: комбинированные схемы потоков.

Таким образом, колонна синтеза представляет собой сложный теплообменный реактор высокого давления, конструкция которого тщательно спроектирована для управления мощным тепловыделением экзотермической реакции и поддержания оптимальных условий для достижения максимальной степени превращения реагентов в продукт.

Ответ:

Колонна синтеза — это ключевой аппарат химической технологии, представляющий собой вертикальный реактор высокого давления для проведения каталитических экзотермических реакций (например, синтеза аммиака). Её конструкция состоит из прочного наружного корпуса и внутреннего устройства, включающего: полки с катализатором, встроенный теплообменник для рекуперации тепла реакции, и систему «холодного байпаса» для точного контроля температуры. Пуск осуществляется с помощью электроподогревателя. Такая компоновка обеспечивает оптимальные условия для максимального выхода продукта при высокой энергоэффективности. По направлению потока газа различают аксиальные и радиальные колонны.