Номер 6, страница 356 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 74. Промышленный органический синтез. Глава 7. Химическая технология - номер 6, страница 356.

Условие.

6. Сравните технологические схемы производства метанола и аммиака. Найдите общие черты и отличия.

Решение.

Решение 2.

Технологические схемы производств метанола и аммиака являются примерами крупнотоннажных химических производств, основанных на схожих физико-химических принципах, но имеющих ряд существенных отличий, обусловленных химизмом процессов и свойствами целевых продуктов.

Общие черты:

1. Исходное сырье: В качестве основного сырья для обоих производств преимущественно используется природный газ (метан $CH_4$), который служит источником водорода, а в случае метанола – и оксида углерода.
2. Стадия получения синтез-газа: Оба процесса включают стадию паровой конверсии метана для получения синтез-газа — технологической смеси газов.
3. Физико-химические принципы синтеза: Реакции синтеза и аммиака, и метанола являются обратимыми, экзотермическими (протекают с выделением тепла) и каталитическими, а также сопровождаются уменьшением объема газовой смеси.
   Синтез аммиака: $N_2\ (г) + 3H_2\ (г) \rightleftharpoons 2NH_3\ (г) + Q$
   Синтез метанола: $CO\ (г) + 2H_2\ (г) \rightleftharpoons CH_3OH\ (г) + Q$
   В соответствии с принципом Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продуктов в обоих процессах применяют высокое давление и умеренно высокие температуры (компромисс между скоростью реакции и положением равновесия).
4. Принцип циркуляции: Так как равновесие в реакторах синтеза достигается при неполном превращении реагентов, в обеих технологических схемах используется принцип циркуляции. Непрореагировавшие газы отделяются от сжиженного продукта и возвращаются обратно в реактор (на "цикл").
5. Подготовка сырья: Исходный природный газ в обоих случаях подвергается тщательной очистке от сернистых соединений (десульфуризации), так как сера является ядом для катализаторов как синтеза аммиака, так и метанола.
6. Энергоэффективность: Оба производства характеризуются высокой степенью рекуперации (повторного использования) тепла. Тепло, выделяющееся в экзотермических реакциях, используется для подогрева исходных потоков, получения водяного пара и т.д.

Отличия:

1. Состав и подготовка синтез-газа:
   • Аммиак: Требуется азотоводородная смесь в стехиометрическом соотношении $N_2 : H_2$ как 1:3. Для этого в схему вводят стадию вторичной (воздушной) конверсии для введения азота из воздуха. Оксиды углерода ($CO, CO_2$) являются каталитическими ядами, поэтому их тщательно удаляют: $CO$ переводят в $CO_2$ (стадия конверсии СО), а затем $CO_2$ поглощают растворителями. Остаточные количества $CO$ и $CO_2$ гидрируют до метана (стадия метанирования).
   • Метанол: Требуется синтез-газ, состоящий из $CO$, $CO_2$ и $H_2$. Оксид углерода ($CO$) является реагентом, а не ядом. Соотношение компонентов $([H_2] - [CO_2]) / ([CO] + [CO_2])$ стремятся поддерживать близким к 2. Азот является инертным балластом. Стадии глубокой очистки от оксидов углерода отсутствуют.

2. Катализаторы синтеза:
   • Аммиак: Используется губчатое железо (восстановленный оксид железа), активированное оксидами алюминия, калия и кальция.
   • Метанол: Используется медьсодержащий катализатор на основе оксидов меди, цинка и алюминия ($CuO-ZnO-Al_2O_3$).

3. Параметры процесса синтеза (давление и температура):
   • Аммиак: Процесс ведут при очень высоких давлениях (15–35 МПа, или ~150–350 атм) и температурах (400–500 °C).
   • Метанол: Процесс требует более мягких условий: давление 5–10 МПа (~50–100 атм) и температура 200–300 °C.

4. Выделение и очистка целевого продукта:
   • Аммиак: Продукт выделяется из реакционной смеси охлаждением и конденсацией. Полученный жидкий аммиак обычно имеет высокую чистоту и не требует дальнейшей сложной очистки.
   • Метанол: Продукт также выделяется конденсацией, однако образуется так называемый метанол-сырец, который содержит значительное количество воды (образуется в побочной реакции из $CO_2$) и другие примеси (высшие спирты, эфиры). Для получения товарного продукта требуется дополнительная стадия ректификации (дистилляции).

Ответ: Технологии производства аммиака и метанола имеют много общих черт: использование природного газа как сырья, наличие стадии получения синтез-газа, применение катализа, высокого давления, принципа циркуляции и рекуперации тепла. Ключевые отличия заключаются в составе и способе получения синтез-газа (для аммиака нужна смесь $N_2$ и $H_2$ без оксидов углерода, для метанола — смесь $CO$, $CO_2$ и $H_2$), используемых катализаторах (железный для аммиака, медный для метанола), параметрах синтеза (давление и температура для синтеза аммиака значительно выше) и методах финальной очистки продукта (для метанола требуется обязательная ректификация).