Синтез аміаку - енциклопедія - фонд знань «Ломоносов»
При розгляді галузей хімічної промисловості. що виникли в XX в. прелюді за все слід зупинитися на синтезі аміаку - однієї з найважливіших галузей хімічної технології.
Аміак - найпростіше хімічна сполука азоту і водню. Окислення аміаку (киснем повітря) дає азотну кислоту, яка є найважливішим полупродуктом барвистою промисловості та вибухових речовин, основою для отримання найрізноманітніших сортів азотних добрив.
Після першої світової війни виробництво аміаку розвивалося високими темпами. У 1912 р було виготовлено близько 700 тис. Т сполук азоту. Синтетичний аміак в той час не проводився. Перед другою світовою війною, в 1939 р виробництво сполук азоту склало близько 3 млн. / Тг, причому з них було отримано близько 2 млн. Т синтетичного аміаку. У 1952 р в капіталістичних країнах було вироблено вже понад 5 млн. Т сполук азоту, а щорічне виробництво аміаку останнім часом склало 5 млн. Т. Практично за час починаючи з першої світової війни виникла нова велика галузь хімічної промисловості - виробництво синтетичного аміаку - основа для розвитку найрізноманітніших галузей промисловості як мирного, так і військового призначення.
Якщо одним з критеріїв рівня технічного розвитку хімічної промисловості в XIX в. були такі показники, як масштаб і техніка виробництва сірчаної кислоти і соди (характерних продуктів минулого століття), то в даний час таким критерієм є виробництво синтетичного аміаку, а також синтетичного каучуку і хімічної переробки нафти.
Синтез аміаку, як, втім, і синтез каучуку, спочатку були породжені потребами імперіалістичних воєн. Ці галузі виникли в Німеччині під час першої світової війни. У 1915 р стало ясно, що запаси чилійської селітри - основного джерела пов'язаного азоту для виробництва вибухових речовин - в Німеччині швидко виснажуються. Необхідно було шукати вихід. Німецький вчений Ф. Габер ще в 1905- 1908 рр. довів, що з азоту повітря і водню можна отримати їх з'єднання - аміак. Він вирішив використовувати аміак для виробництва вибухових речовин. Для отримання пов'язаного азоту він розробив спосіб зв'язування азоту повітря з воднем, який видобувається з води. Отриманий аміак потім легко можна було використовувати для виготовлення будь-яких азотовмісних речовин. Технологічний процес виробництва аміаку (його синтез при високому тиску) був розроблений Ф. Габер і інженерами К. Бошем і А. Мітташем в 1913 р Незабаром після цього в Німеччині було налагоджено його виробництво в промислових масштабах.
Незважаючи на те що Габер ще до війни отримав кілька кубиків аміаку, хіміки всіх країн були впевнені, що здійснити цей процес у виробничому масштабі не вдасться. Справа в тому, що на каяедую тонну одержуваного аміаку потрібно приблизно 2 тис. М3 водню і близько 1 тис. М3 азоту, причому водень (як і азот) потрібно було ретельно очищати, бо сота і навіть тисячна частки відсотка Содер ^ ания таких домішок, як водяна пара, кисень, окис вуглецю, сірководень, настільки негативно позначалися на каталізаторі, що процес синтезу аміаку зупинявся. Отже, перед хіміками стояла виключно важка технічна задача очищення водню. Крім того, щоб отримати, наприклад, 300 т аміаку, необхідно стиснути 1 млн. М3 газу до 200-300 атм, а для цього були потрібні потужні компресори високого тиску. Але навіть не в цьому полягало головне перешкода. При тиску в сотні атмосфер (і до 1 тис. Атм. В системах високого тиску) і при температурі 500 ° С гарячий водень в апаратах синтезу легко проходив через кращі вуглецеві стали. Мало того, навіть у разі подолання всіх цих труднощів лише незначна частина (менше 10%) придатної газової суміші вступала в реакцію і давала аміак, інша ж частина суміші не встигала вступати в реакцію синтезу.
Вставав питання - як же використовувати не вступила в реакцію азотоводородной суміш? І, як завжди буває, коли вимоги практики весь хід розвитку техніки готує і її рішення.
Мал. 1. Схема процесу Габера-Боша.
По суті, техніка XIX в. підготувала рішення всіх науково-технічних питань, пов'язаних з процесом синтезу аміаку в окремо, і потрібно було лише об'єднати зусилля вчених і інженерів ряду галузей техніки, збільшити масштаби лабораторних робіт, проведених Габером, щоб вирішити цю задачу в великому заводському масштабі. Техніка глибокого охолодження повітря і його поділу на складові частини знайшла своє технічне рішення ще в кінці XIX ст. Це призвело до появи компресорів високого тиску. З винаходом холодильних машин були знайдені способи вилучення азоту з атмосфери і відділення його від кисню. Металургійна і газова техніка кінця XIX в. надала в розпорядження нового процесу методи газифікації палива і отримання водню, а також принципи очищення газу. Потрібно було лише ці процеси модернізувати, пристосувати до нових масштабів. Артилерійська техніка кінця XIX в. із застосуванням легованих сталей для виготовлення важких знарядь, що витримують високий тиск і дію агресивних газів при високих температурах, вказала на можливість виготовлення апаратів високого тиску. Використання ж не вступили в реакцію азоту і водню стало здійснюватися шляхом введення в хімічну техніку нового технологічного принципу - проведення процесу в замкнутій циркуляційної системі, при якому несреагіровавшіе водень і азот поверталися в систему. Отримані тим або іншим способом чисті азот і водень змішувалися в певній пропорції і знімалися багатоступеневим компресором до необхідного тиску (сучасні процеси синтезу аміаку здійснюються під тиском від 100 до 1000 атм, зазвичай - 250-350 атм.). Ця стиснута суміш подавалася в основний апарат аміачного виробництва-у колону синтезу аміаку, де вона спочатку підігрівалася до необхідної температури, а потім надходила на каталізатор, де і здійснювався синтез аміаку. Спеціальним чином приготований каталізатор був окис заліза з домішками оксидів алюмінію і калію. Колона синтезу аміаку є товстостінну сталеву трубу з легованої сталі діаметром в 1 м і висотою 50 і більше метрів. Вага такого апарата становить близько 70 т. Виготовлення цієї складної апаратури можливо тільки в країнах, що мають розвинену машинобудування і потужну металургійну промисловість.
В даний час створені апарати продуктивністю в 60-100 т і більше аміаку на добу. Процес синтезу аміаку протікає зазвичай при температурі 450-525 ° С. При цій реакції виділяється значна кількість тепла (екзотермічна реакція), яке використовується в самому ж процесі для підігріву свіжих порцій газу, що вступають в колону синтезу. Що вийшла з колони синтезу азотоводородная суміш, яка містить деяку кількість аміаку (10-18%), охолоджується водою. При охолодженні під тиском аміак конденсується і стікає в спеціальні збірники-сховища, а решта азотоводородная суміш спеціальним циркуляційним насосом високого тиску подається назад в систему синтезу, де вона приєднується до свіжої азотового-огрядною суміші, що йде на синтез. Таким чином тут здійснюється найбільш прогресивний безперервний, що ведеться по замкнутому циклу, процес виробництва.
Мал. 2 Колона синтезу аміаку.
На одному з нових аміачних заводів США в якості сировини для виробництва використовується природний газ в кількості 340 тис.-425 тис. М3 і повітря - 1 тис. Т, з яких на добу отримують 210 т безводного аміаку, 110 т азотної кислоти і деякі інші продукти.
Важливо відзначити, що технологія синтезу аміаку визначила розвиток синтезу цілого ряду інших речовин (зокрема, останнім часом заводи синтетичного аміаку переводяться на більш дешеве джерело отримання сировини для виробництва водню - природні і попутні нафтові гази.). З часу здійснення процесу синтезу аміаку в хімічну техніку впевнено входить цілий ряд складних хімічних процесів, що протікають по замкнутому циклу, з повним використанням вихідної сировини і застосуванням каталізатора. Цікаво, що при підборі каталізатора для синтезу аміаку в Німеччині свого часу було перепробувано до 20 тис. Різних речовин.