Номер 11, страница 169 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

11. При производстве аммиака не используют следующие принципы химической технологии:

1) циркуляцию

2) понижение давления

3) применение катализатора

4) теплообмен

5) понижение температуры

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать промышленные условия синтеза аммиака (процесс Габера-Боша) с точки зрения общих принципов химической технологии, которые направлены на увеличение выхода продукта и экономической эффективности процесса.

Уравнение реакции синтеза аммиака:

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

Реакция является обратимой, экзотермической (протекает с выделением тепла $Q$), каталитической, а также идет с уменьшением объема (из 4 моль газообразных реагентов образуется 2 моль газообразного продукта).

Рассмотрим каждый из предложенных принципов в контексте данной реакции:

1) циркуляцию

Реакция синтеза аммиака является обратимой, и равновесие достигается при неполном превращении исходных веществ. Выход аммиака за один проход через катализатор обычно составляет 10-20%. Чтобы увеличить общий (интегральный) выход продукта и не терять дорогостоящие непрореагировавшие азот и водород, их отделяют от полученного аммиака (который сжижают охлаждением) и возвращают обратно в реактор. Этот процесс возврата непрореагировавших реагентов в технологический цикл называется циркуляцией. Таким образом, принцип циркуляции является одним из ключевых в производстве аммиака.

2) понижение давления

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продуктов в реакции, протекающей с уменьшением числа моль газов, необходимо повышать давление. В реакции синтеза аммиака из 4 объемов газов-реагентов ($1$ объем $N_2$ и $3$ объема $H_2$) образуется 2 объема газа-продукта ($NH_3$). Следовательно, для увеличения выхода аммиака процесс ведут при высоком давлении (15-35 МПа, а в некоторых установках и выше). Понижение давления, наоборот, сместило бы равновесие влево, в сторону исходных веществ, что уменьшило бы выход продукта. Поэтому принцип понижения давления в производстве аммиака не используется, так как он прямо противоречит цели процесса.

3) применение катализатора

Молекула азота ($N_2$) очень инертна из-за наличия прочной тройной связи между атомами. Без катализатора скорость реакции синтеза аммиака ничтожно мала даже при высоких температурах и давлениях. Для достижения приемлемой скорости реакции используют гетерогенный катализатор, обычно на основе пористого железа с различными добавками-промоторами ($K_2O$, $Al_2O_3$ и др.). Применение катализатора является обязательным и фундаментальным принципом промышленного синтеза аммиака.

4) теплообмен

Реакция синтеза аммиака является экзотермической. Выделяющееся в реакторе тепло используется для подогрева поступающей в него холодной азотоводородной смеси. Этот прием, называемый принципом теплообмена (или рекуперации тепла), позволяет значительно сократить затраты энергии на нагрев реагентов и является важным принципом энергосбережения в современной химической технологии. Таким образом, принцип теплообмена широко используется.

5) понижение температуры

Согласно принципу Ле Шателье, для экзотермической реакции понижение температуры смещает равновесие вправо, в сторону образования продуктов, увеличивая равновесный выход. Однако при низкой температуре скорость реакции становится очень маленькой. Поэтому в промышленности выбирают компромиссную, оптимальную температуру (обычно 400–500 °С), которая обеспечивает и приемлемую скорость, и достаточно высокий равновесный выход аммиака. Кроме того, для отделения целевого продукта (аммиака) от непрореагировавших газов реакционную смесь на выходе из реактора охлаждают (понижают температуру), при этом аммиак сжижается, а азот и водород остаются в газовой фазе. Таким образом, принцип понижения температуры (и при выборе оптимальных условий, и при разделении продуктов) учитывается и используется в процессе.

Из проведенного анализа следует, что единственным принципом, который не используется в производстве аммиака, поскольку он технологически нецелесообразен и ведет к снижению выхода продукта, является понижение давления.

Ответ: 2