Производство аммиака азотоводородным методом

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