Номер 5, страница 339 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 71. Производство аммиака. Глава 7. Химическая технология - номер 5, страница 339.

Условие.

5. Изучите рисунок 166, проследите движение азотоводородной смеси, расскажите о назначении каждого из аппаратов.

Решение.

Решение 2.

На рисунке 166 изображена технологическая схема установки для синтеза аммиака. Процесс основан на обратимой экзотермической реакции, и его эффективность достигается за счет высокого давления, оптимальной температуры, использования катализатора и принципа циркуляции непрореагировавших газов.

Реакция синтеза аммиака:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$

Движение азотоводородной смеси и назначение аппаратов происходят в следующей последовательности:

• Турбокомпрессор: На этом этапе свежая азотоводородная смесь (азот и водород в соотношении 1:3) вместе с циркуляционным газом сжимается до высокого давления (15–35 МПа). Создание высокого давления необходимо для смещения химического равновесия в сторону образования аммиака (согласно принципу Ле Шателье).
• Теплообменник: Перед поступлением в реактор сжатая газовая смесь проходит через теплообменник. Здесь она нагревается за счет тепла горячей реакционной смеси, выходящей из колонны синтеза. Это позволяет значительно экономить энергию, необходимую для нагрева реагентов до температуры реакции.
• Колонна синтеза: Это основной аппарат, где происходит химическая реакция. Нагретая смесь газов поступает в колонну и проходит через слои катализатора (обычно пористое железо с примесями оксидов для увеличения активности). При температуре 400–500 °C и высоком давлении азот и водород реагируют, образуя аммиак. Поскольку реакция обратимая, на выходе из колонны в смеси остается около 15-25% аммиака.
• Холодильник (Конденсатор): Горячая газовая смесь из колонны синтеза, отдав часть тепла в теплообменнике, поступает в холодильник. Здесь она охлаждается, в результате чего аммиак, имеющий значительно более высокую температуру кипения (-33,4 °C), чем азот (-195,8 °C) и водород (-252,9 °C), конденсируется и переходит в жидкое состояние.
• Сепаратор: В сепараторе происходит отделение жидкого аммиака от непрореагировавших газов. Жидкий аммиак, как более тяжелая фракция, собирается в нижней части аппарата и выводится как конечный продукт.
• Циркуляционный насос: Газовая смесь азота и водорода, не сконденсировавшаяся в холодильнике, из верхней части сепаратора направляется в циркуляционный насос. Он поддерживает давление в системе и возвращает эти газы в начало цикла, где они смешиваются со свежей порцией азотоводородной смеси. Такая рециркуляция позволяет достичь почти 100% использования исходного сырья.

Ответ: Движение азотоводородной смеси в установке для синтеза аммиака представляет собой замкнутый цикл: смесь сжимается в компрессоре, нагревается в теплообменнике, вступает в реакцию в колонне синтеза, затем охлаждается в холодильнике для конденсации аммиака, который отделяется в сепараторе. Непрореагировавшие газы с помощью циркуляционного насоса возвращаются в начало процесса. Назначение аппаратов — создание и поддержание оптимальных условий (давление, температура) для реакции, рекуперация энергии и разделение продуктов, что обеспечивает высокую эффективность производства.