Номер 4, страница 223 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 28. Современное химическое производство. Глово 7. Химия в нашей жизни - номер 4, страница 223.

Условие.

4. Составьте принципиальную химико-технологическую схему синтеза аммиака и дайте к ней пояснения.

Решение.

Решение 2.

Синтез аммиака из азота и водорода — один из важнейших процессов в химической промышленности. Промышленный способ его получения известен как процесс Габера-Боша. Процесс основан на обратимой экзотермической реакции:

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

В соответствии с принципом Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования аммиака необходимо:

• Повышение давления: так как реакция протекает с уменьшением объёма (из 4 объёмов газов образуется 2 объёма).
• Понижение температуры: так как реакция экзотермическая.

Однако при низкой температуре скорость реакции очень мала. Поэтому на практике выбирают оптимальные условия, которые являются компромиссом между скоростью реакции и выходом продукта: давление 15-35 МПа (150-350 атм), температура 400-500 °C и использование катализатора.

Принципиальная химико-технологическая схема синтеза аммиака включает следующие основные стадии:

1. Получение и очистка азотоводородной смеси.

   Для синтеза аммиака требуется смесь азота и водорода в объёмном соотношении 1:3. Азот ($N_2$) получают фракционной перегонкой сжиженного воздуха. Водород ($H_2$) в основном получают паровой конверсией природного газа (метана $CH_4$):

   $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$

   Полученную смесь газов необходимо тщательно очистить от примесей (соединений серы, оксидов углерода CO и $CO_2$, паров воды), так как они являются каталитическими ядами, отравляющими катализатор синтеза аммиака. Очистка от оксидов углерода может проводиться, например, в процессе метанирования:

   $CO + 3H_2 \rightarrow CH_4 + H_2O$

2. Сжатие (компримирование) газовой смеси.

   Очищенная азотоводородная смесь с помощью турбокомпрессоров сжимается до необходимого рабочего давления (15-35 МПа). Высокое давление необходимо для увеличения скорости реакции и смещения равновесия в сторону образования аммиака.

3. Каталитический синтез аммиака в колонне синтеза.

   Сжатая и подогретая газовая смесь поступает в колонну синтеза (контактный аппарат). Колонна синтеза представляет собой цилиндрический аппарат высокого давления, внутри которого на специальных полках размещен катализатор. В качестве катализатора используется пористое железо с добавками оксидов алюминия ($Al_2O_3$), калия ($K_2O$) и кальция ($CaO$) для повышения его активности и стабильности.

   Внутри колонны поддерживается температура 400–500 °C. Так как реакция экзотермическая, выделяющееся тепло используется для подогрева поступающей холодной азотоводородной смеси (принцип теплообмена), что позволяет значительно экономить энергию.

4. Охлаждение газовой смеси и конденсация аммиака.

   После колонны синтеза газовая смесь (содержащая 15-25% аммиака, а также непрореагировавшие азот и водород) поступает в теплообменники и затем в холодильники. Температура кипения аммиака (–33,4 °C) значительно выше, чем у азота (–195,8 °C) и водорода (–252,9 °C). Поэтому при охлаждении аммиак конденсируется в жидкость, а азот и водород остаются в газообразном состоянии. Жидкий аммиак отделяется от газовой смеси в сепараторе и направляется на склад готовой продукции.

5. Циркуляция непрореагировавших газов.

   Поскольку за один проход через контактный аппарат в реакцию вступает лишь часть азота и водорода, непрореагировавшие газы (циркуляционный газ) из сепаратора с помощью циркуляционного насоса возвращаются на вход в колонну синтеза, предварительно смешиваясь со свежей порцией азотоводородной смеси. Этот принцип замкнутого цикла (циркуляции) позволяет достичь практически полного (97-98%) превращения исходных реагентов в аммиак, что делает производство экономически эффективным.

Ответ: Принципиальная химико-технологическая схема синтеза аммиака представляет собой непрерывный циклический процесс, основанный на обратимой каталитической реакции между азотом и водородом при высоком давлении и повышенной температуре. Схема включает следующие ключевые этапы: 1) получение и тщательная очистка азотоводородной смеси (соотношение $N_2:H_2$ = 1:3); 2) сжатие смеси до 15-35 МПа; 3) каталитический синтез в колонне синтеза при 400-500 °C на железном катализаторе; 4) охлаждение продуктов реакции для конденсации и отделения жидкого аммиака; 5) возврат (рециркуляция) непрореагировавших газов обратно в цикл для достижения высокого общего выхода продукта.