1 Производство аммиака азотоводородным методом. Проект по химии. Петрова Анастасия, Емельянова Ольга, Жаркова Татьяна (10 класс) 2 Производство аммиака азотоводородным методом. N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3 Цепочка превращений: Fe H2O → N2 Fe H2 → NH3 Необходимое сырьё: H2O, Fe, N2 Азот мы получаем, охлаждая воздух до -200° (т.к. температура кипения азота равна -196°). Железо мы получаем путём восстановления оксида железа III (отхода первой стадии производства). Производство проходит в две стадии. 1-ая стадия – получение и очистка водорода. -Q 3 Fe + 4 H2O ↔ Fe3O2 + 4 H2 +Q твёрдый газ твёрдый газ Характеристика реакции: 1. Обратимая 2. Экзотермическая 3. С постоянным давлением (в левой части – 4 моля газа, в правой – тоже 4). 4. Некаталитическая Для увеличения скорости нужно: - Высокая температура - Высокое давление - Очистка Fe и H2O - Измельчение Fe Для увеличения выхода продукта нужно: - Низкая температура - Высокое давление Следовательно, оптимальные условия для этой реакции будут следующими: - Оптимальная температура (около 1000°С) Так как tкип. (Fe) = 1539°С, t водяного пара 700°С, следовательно оптимальная температура должна быть между 700°С и 1539°С, средняя температура будет около 1000°С. - Очистка Fe и H2O - Измельчение Fe - Высокое давление 3 2-ая стадия производства – реакция водорода с азотом. Fe +V(P) –Q N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3 +Q –V(P) газ газ газ Характеристика реакции: 1. Обратимая 2. Экзотермическая 3. С понижением давления (в левой части – 4 моля газа, в правой – 2). 4. Каталитическая (катализатор – Fe) Для увеличения скорости нужно: - Высокая температура - Увеличение давления - Очистка H2, N2, Fe - Катализатор – Fe - Размельчение Fe Для увеличения выхода продукта нужно: -Низкая температура -Высокое давление Следовательно, оптимальные условия для этой реакции будут следующими: - Оптимальная температура (около 1000°С) tкип. (N2) = -196°С, tкип. (H2) = -252,77°С, tкип. (Fe) = 1539°С, значит оптимальная температура должна быть между -196°С и 1539°С, значит, около 1000°С. - Высокое давление - Очистка H2, N2, Fe - Размельчение Fe Охлаждение смеси H2, N2 и NH3 на второй стадии во «фризераторе» осуществляется с помощью хладагента. Для превращения газа в жидкость, достаточно повышать давление, но для облегчения превращения в жидкость одновременно с повышением давления мы также охлаждаем смесь газов с помощью хладагента. Хладагент является легко летучим веществом, играющим роль передатчика тепла при циркулировании внутри охлаждающей системы. Имеется несколько видов хладагента: R-11, R-12,R-14, R-21, R-22. Особенности фреонового газа R-12, используемого на второй стадии во «фризераторе», следующие: хладагент R-12 легко превращается в жидкость, не горит и не взрывается, химически устойчив, не ядовит, а также не портит продукты питания и одежду и достаточно дешёвый. Так как из трёх этих газов у аммиака самая высокая температура кипения (-33, 42°С), он становится жидким раньше водорода и азота. Жидкий аммиак собирается в баллоны. 4 Описание производства. 1-ая стадия производства. В первый реактор засыпается измельчённое железо. Через отверстия в днище «водородного близнеца» под давлением поступает водяной пар. Когда всё железо прореагирует с паром и превратится в окалину (оксид железа III), работа реактора останавливается и через дверцу в днище высыпается окалина. В это время начинается работа второго «водородного близнеца». Оба «водородных близнеца» работают попеременно. «Водородные близнецы» сделаны из керамики, т. к. реакция в них идёт при высокой температуре (около 1000°С). «Водородные близнецы» Тем временем водород с примесью водяного пара из первого реактора идёт в «сепаратор», и там смесь пара и водорода самопроизвольно охлаждается с 700°С до 100°С, и пар конденсируется в виде воды. Работа первого «сепаратора» останавливается, вода из него поступает в «нагреватель», и начинает работать параллельный «сепаратор». В «нагревателе» вода нагревается до 700°С и в виде пара снова поступает в один из «водородных близнецов». 5 «Сепараторы» «Нагреватель» «Сепараторы» сделаны из железа, т.к. температура в них не очень высокая (охлаждается с 700°С до 100°С). В это время из «сепараторов» водород поступает на вторую стадию производства. 2-ая стадия производства. По широкой трубе водород идёт на вторую стадию, к этой трубе подсоединяется другая труба – с азотом. В трубе азот с водородом перемешиваются. Труба для перемешивания азота и водорода 6 Смесь азота и водорода под давлением (в конце трубы стоит насос) поступает в «зацикливатель», в котором уже лежит железо (катализатор). Смесь азота и водорода проходит через слой железа и поступает в трубу, на которой стоит счётчик концентрации аммиака (счётчик работает по принципу универсального индикатора). В реакторе образовывается аммиак, но в очень маленькой концентрации, поэтому смесь аммиака, азота и водорода снова поступает в реактор. Она проходит через «зацикливатель» несколько раз, и, когда счётчик аммиака фиксирует достаточно высокую концентрацию аммиака, смесь азота, водорода и аммиака поступает под давлением в следующий аппарат – «фризератор». «Зацикливатель» сделан из керамики из-за высокой температуры, при которой в нём идёт реакция (около 1000°С). «Зацикливатель» Во «фризераторе» смесь газов охлаждается при помощи хладагента R-12 . Так как из трёх этих газов у аммиака самая высокая температура кипения (-33, 42°), он становится жидким раньше водорода и азота. «Фризератор» сделан из пластмассы, т. к. температура в нём низкая (идёт охлаждение до -33,42°С - tкип. (NH3). 7 «Фризератор» Вращающаяся платформа с баллонами для жидкого аммиака Жидкий аммиак собирается в баллоны. Баллоны для сбора аммиака стоят на вращающейся платформе. Когда первый баллон уже заполнен жидким аммиаком, платформа автоматически крутится, и аммиак начинает заполнять второй баллон. Это обеспечивает непрерывность на второй стадии производства. Рентабельность производства. 1. Безотходность. Все отходы производства снова идут в реактор: - Fe3O4 восстанавливают в Fe и снова загружают в «водородного близнеца» на первую стадию; - Воду из «сепаратора» нагревают и снова пускают в «водородного близнеца» на первую стадию. 2. Непрерывность. Для обеспечения непрерывности на первой стадии поставлено два «водородных близнеца» и два «сепаратора». На второй стадии поставлена вращающаяся платформа с баллонами для аммиака. 3. Интересные решения: - Зацикливание аммиака на второй стадии для увеличения концентрации аммиака (таймер – счётчик аммиака) - Самопроизвольное охлаждение водяного пара и превращение его в воду в «сепараторе» - Открывающееся дно реактора для высыпания оксида железа III на первой стадии - Вращающаяся платформа с баллонами для непрерывности реакции во «фризераторе» 4. Экономия природных ресурсов. Реакции на первой и второй стадии экзотермические, нагревание нужно только для начала. 5. Охрана окружающей среды: - Отсутствие отходов - Полная герметичность производства (необходима, так как аммиак – ядовитое вещество). Месторасположение. Мы считаем, что завод по производству аммиака азотоводородным способом нужно поместить в Магнитогорске или его окрестностях. В Магнитогорске есть крупнейший 8 источник железной руды, который называется рудник Магнитной горы. А железная руда – очень важное сырьё для нашего производства. Рудник – старейшее производственное подразделение Магнитогорского металлургического комбината. "Магнитогорский металлургический комбинат" (ММК) является крупнейшим предприятием черной металлургии России. Магнитогорск, место расположения завода по производству аммиака Магнитогорский металлургический комбинат