Меню Рубрики

Установки для растворения аммиака

Удобрение меняет профессию

Химическое соединение, молекула которого состоит из одного атома азота и трех атомов водорода, называемое аммиаком (NH3), — вероятно, одно из самых известных веществ на Земле. Кто не знает про нашатырный спирт (водный аммиак) или азотные удобрения? Но мало кто осознаёт, что это ещё и источник энергии, пригодный для использования, в частности, в двигателях внутреннего сгорания. При этом требуемая доработка двигателя оказывается немногим сложнее и дороже, чем при переводе бензинового мотора на газовое топливо. Хотя по энергоёмкости единицы объёма жидкий безводный аммиак примерно вдвое уступает бензину и дизельному топливу, у него есть два неоспоримых преимущества: его можно добывать в буквальном смысле из воздуха и при его сгорании не образуется никаких токсичных соединений углерода, серы и т. п. — только азот и вода.

Энергоноситель

Использовать аммиак в качестве моторного топлива пробовали ещё 70 лет назад. Из-за острого дефицита дизельного топлива правительство Бельгии было вынуждено в 1943 г. выпустить на маршруты рейсовые автобусы, работающие на аммиаке и угольном газе. До окончания войны они успели пробежать десятки тысяч километров.

Еще одна замечательная особенность аммиака — высокое процентное содержание водорода. Как это ни парадоксально звучит, хранить и транспортировать водород в виде жидкого аммиака значительно удобнее и дешевле, чем в сжатом или сжиженном состоянии. В литре жидкого безводного аммиака содержится больше водородных атомов, чем даже в литре жидкого водорода. 37 МВт·ч энергии, которые можно высвободить при сжигании тонны водорода, «упаковываются» в 6,5 т аммиака, для хранения которых под давлением около 10 атм (давление перехода аммиака в жидкое состояние при комнатной температуре) потребуется резервуар из углеродистой стали еёмкостью 10 тыс. литров. Стоимость подобного резервуара в несколько раз меньше, чем баллонов высокого давления (свыше 200 атм), необходимых для хранения тонны сжатого водорода. Напомним, что водород требует применения специальных легированных сталей (чтобы оболочка баллона не теряла пластичности).

Другой вариант — хранение аммиака в огромных (30 тыс. м 3 ) рефрижераторных ёмкостях, охлаждаемых до температуры -33 °С, при которой он переходит в жидкое состояние под атмосферным давлением. Нетрудно заметить, она намного выше, чем -253 °С, необходимые для ожижения водорода, и, следовательно, достижима гораздо более простыми и дешёвыми средствами. Интересно, что в качестве хладагента для холодильной установки может применяться сам аммиак. Немаловажно также, что вся технология и инфраструктура производства и транспортировки аммиака как сырья для изготовления азотных удобрений давно и досконально отработаны.

Накопитель энергии

Мы уже не раз писали о том, что одна из главных задач, возникающих при организации энергоснабжения с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ), — обеспечить его постоянство и бесперебойность. Все мы знаем, что солнце светит только днём и даёт хороший поток энергии только в безоблачную погоду, что ветер очень непостоянен, водообеспеченность рек зависит от осадков и т. д. Один из способов решения этой задачи — использовать энергию ВИЭ для производства топлива, с помощью которого в дальнейшем можно будет вырабатывать электроэнергию в то время, когда ВИЭ «пасуют». И аммиак — один из серьёзных претендентов на роль такого топлива.

Чтобы рассеять опасения насчёт того, что аммиак относится к классу опасных веществ (действительно, вдыхая его в больших количествах, можно в некоторых случаях получить паралич дыхания), назовём два обстоятельства. Во-первых, минимальную утечку аммиака, который имеет резкий запах, заметит даже самый нечувствительный к запахам человек. Во-вторых, аммиак почти вдвое легче воздуха, поэтому он быстро поднимается вверх, не оставляя, в отличие от других вредных газов, ядовитого облака вблизи земной поверхности.

Старый подход

Традиционно аммиак из воздуха и воды получают с применением сначала электролиза воды для получения водорода, затем — безотходного процесса Габера-Боша, когда смесь азота и водорода пропускают через нагретый катализатор под давлением около 1000 атм. При этом за счёт высокого давления равновесие в реакции N2+3H2 ↔ 2NH3 смещается вправо. Реакция образования аммиака из водорода и азота равновесная и экзотермическая (с выделением теплоты). При высоких температурах, необходимых для достижения приемлемой скорости реакции, равновесие смещается в сторону азота и водорода, из-за чего выход аммиака за один проход катализатора в промышленных условиях не превышает 14-16%. Поэтому образовавшуюся смесь охлаждают до температуры конденсации аммиака, жидкий аммиак отделяют сепаратором, а оставшуюся смесь водорода и азота направляют на рециркуляцию — вновь нагревают и пропускают через катализатор. Благодаря рециркуляции в процессе Габера-Боша теоретический выход аммиака составляет 100%. Несмотря на то, что реакция синтеза аммиака экзотермическая, процесс получается очень энергоёмким: средний расход электроэнергии на производство 1 т аммиака (без учёта электролиза) достигает 3200 кВт·ч. Энергия затрачивается на сжатие и нагрев смеси азота и водорода, а также частично рассеивается при охлаждении, необходимом для конденсации и отделения аммиака.

Новый стиль

Другой, более перспективный и экономически эффективный способ получения аммиака — так называемый твёрдотельный синтез, SSAS (Solid State Ammonia Synthesis), из водяного пара и воздуха. Здесь используется вариант обратимого твёрдооксидного топливного элемента (см. «Энерговектор» № 3/2014, с. 13) на основе трубок из протонопроводящей керамики. На одной и той же установке можно получать как аммиак из воздуха и воды с помощью электричества, так и электричество из аммиака. Проект пилотной установки такого рода разработан американской компанией Alaska Applied Sciences. Реализация проекта, по мнению авторов, позволит доказать более высокую эффективность твёрдотельного синтеза по сравнению с процессом Габера-Боша. Предполагается, что комплексная установка целиком разместится в одном перевозимом контейнере и сможет в зависимости от текущего состояния ВИЭ-генераторов либо синтезировать (на избытках вырабатываемой ими энергии) аммиак, накапливая его в резервуарах, либо генерировать из накопленного топлива недостающую энергию, подавая её в местную энергосеть. Полностью автономная необслуживаемая установка будет оснащена средствами сбора данных, системами SCADA и диспетчерского управления, чтобы обеспечить дистанционный мониторинг состояния оборудования и управление им из диспетчерского центра.

Читайте также:  Установка пневматического доводчика рдп 7

На все руки

На Аляске нет целостной энергосистемы, соединённой с Единой энергосистемой США и Канады (аналогичная картина наблюдается во многих отдалённых российских регионах). Многочисленные «островные» энергосети (причём не только на реальных океанских островах, но и на материке) часто не справляются с бесперебойной круглогодичной подачей потребителям необходимого количества электроэнергии. Кроме нескольких гидроэлектростанций, угольных ТЭС, солнечных и ветровых станций, электроэнергию для заполярного штата вырабатывают дизель-генераторы, а стоимость «северного завоза» дизельного топлива хорошо известна. Поэтому цена киловатт-часа на Аляске нередко зашкаливает за доллар, из-за чего многие местные жители вынуждены сводить потребление электроэнергии к минимуму.

Идея авторов проекта — с помощью энергии солнца и ветра снизить стоимость производства электроэнергии и по возможности обеспечить регулярную и бесперебойную её подачу, сведя при этом к минимуму вредные выбросы во внешнюю среду. Дополнительное преимущество такого подхода — возможность использования «чистого» аммиачного топлива не только для генерации электричества, но и для других целей, например, заправки доработанных лодочных моторов и привода различных механизмов. Во время испытаний в Калифорнии экспериментальный мотор более 1000 часов приводил в движение ирригационный насос, работая на смеси, состоящей из 75% аммиака и 25% пропана. Мощность этого шестицилиндрового мотора — около 100 л. с., КПД — порядка 50%.

Ещё одна интересная идея авторов проекта — размещать на морских и речных баржах крупные рефрижераторные аммиачные резервуары атмосферного давления, к которым будут подключены установки SSAS. Благодаря этому значительно упростится и удешевится доставка топлива в те районы, где оно в данный момент нужнее всего.

источник

Установки для растворения аммиака

Владельцы сайта

Урок №28. Аммиак. Физические и химические свойства аммиака, получение, применение.

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Три неспаренных p-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH4 + .

Вид химической связи: ковалентная полярная, три одинарные σ — сигма связи N-H

2. Физические свойства аммиака

При нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. Растворимость NH3 в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

Для получения аммиака в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония:

Внимание ! Гидроксид аммония неустойчивое основание, разлагается: NH 4 OH ↔ NH 3 ↑ + H 2 O

При получении аммиака держите пробирку — приёмник дном кверху, так как аммиак легче воздуха:

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:

катализатор – пористое железо

Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода).

4. Химические свойства аммиака

Для аммиака характерны реакции:

  1. с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления)
  2. без изменения степени окисления атома азота (присоединение)

Реакции с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления)

2. Каталитическое окисление амииака (катализатор Pt Rh , температура)

2 NH 3 + 3 Cl 2 = N 2 + 6 HCl (при нагревании)

аммиак – непрочное соединение, при нагревании разлагается

Реакции без изменения степени окисления атома азота (присоединение — Образование иона аммония NH4 + по донорно-акцепторному механизму)

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест; ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак выпускается в жидком виде или в виде водного раствора – аммиачной воды, которая обычно содержит 25% NH3. Огромные количества аммиака далее используются для получения азотной кислоты, которая идет на производство удобрений и множества других продуктов. Аммиачную воду применяют также непосредственно в виде удобрения, а иногда поля поливают из цистерн непосредственно жидким аммиаком. Из аммиака получают различные соли аммония, мочевину, уротропин. Его применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках.

Аммиак используется также для получения синтетических волокон, например, найлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка. В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. Аммиак используется также при производстве соды по методу Сольве. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость.

Медики используют водные растворы аммиака (нашатырный спирт) в повседневной практике: ватка, смоченная в нашатырном спирте, выводит человека из обморочного состояния. Для человека аммиак в такой дозе не опасен.

№1. Осуществить превращения по схеме:

а) Азот→ Аммиак → Оксид азота (II)

б) Нитрат аммония → Аммиак → Азот

в) Аммиак → Хлорид аммония → Аммиак → Сульфат аммония

Для ОВР составить е-баланс, для РИО полные, ионные уравнения.

№2. Напишите четыре уравнения химических реакций, в результате которых образуется аммиак.

источник

CHEMEGE.RU

Подготовка к ЕГЭ по химии и олимпиадам

Производство аммиака

Тема кодификатора ЕГЭ по химии: Общие научные принципы химического производства на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола.

В этой статье мы рассмотрим принципы химического производства на примере получения аммиака в объеме, достаточном для решения заданий по этой теме в ЕГЭ по химии.

В промышленности аммиак получают по методу Габера – прямым взаимодействием азота и водорода в реакционной колонне:

Реакция азота с водородом обратимая, экзотермическая, гомогенная (газофазная). Для увеличения выхода аммиака необходимо смещать равновесие в сторону продукта. Согласно принципу Ле-Шателье, для смещения равновесия вправо в данной реакции необходимо повышать давление и понижать температуру. Однако низкая температура уменьшит скорость реакции.

Поэтому для повышения скорости реакции температура в процессе поддерживается все-таки высокой, 500-550 о С и в присутствии катализатора.

А для смещения равновесия применяют очень высокие давления 15-30 МПа.

В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Рассмотрим процессы, протекающие на разных участках производства аммиака:

1 этап. Трубопровод. В трубопровод подается предварительно подготовленная азотно-водородная смесь (N22=1:3) в соотношении 1 к 3.

2 этап. Турбокомпрессор. Турбокомпрессор используется для сжатия исходной смеси газов с целью повышения давления. Синтез аммиака проводится при очень высоком давлении (15-30 МПа, или 150-300 атм).

3 этап. Колонна синтеза. В колонне синтеза (контактном аппарате) производится синтез аммиака. Азотно-водородная смесь продавливается через полки с катализатором. Процесс синтеза протекает обратимо (т.е. частично) и является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла. Часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание поступающей азотоводородной смеси с помощью теплообменников. Смесь, выходящая из колонны синтеза в холодильник, состоит из аммиака (20-30%) и не прорегировавших азота и водорода.

4 этап. Холодильник. В холодильнике реакционная смесь, которая выходит из колонны синтеза, охлаждается и направляется на дальнейшее разделение в сепаратор.

5 этап. Сепаратор. После прохождения холодильника температура реакционной смеси значительно снижается, и аммиак переходит в жидкую фазу. В сепараторе происходит разделение реакционной смеси, жидкий аммиак отделяют от азота и водорода и отправляют на склад.

6 этап. Циркуляционный насос. Циркуляционный насос возвращает не прореагировавшую смесь азота и водорода в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаѐтся довести использование азотводородной смеси (конверсию) до 95%.

источник

Аммиак. Свойства аммиака. Применение аммиака

Не пахнут магазинские цветы ? Обработайте их аммиаком. От его паров многие бутоны начинают благоухать. Хотя, запах самого аммиака довольно резок.

Вспоминаются нашатырь и пары мочи. Самыми чуткими к аммиаку цветами являются астры. Их аромат усиливается примерно в 6 раз.

Изменить можно и цвет бутонов. Так, от паров реагента голубые и синие лепестки зеленеют, а красные – чернеют.

Флористам, как говориться, на заметку. Однако, аммиак пригождается и в других сферах деятельности. Узнаем остальные свойства вещества, ознакомимся с путями его применения.

Свойства аммиака

Работая с парами аммиака, стоит быть осторожным. При определенной концентрации смесь реагента с воздухом взрывоопасна.

К тому же, газ токсичен. «Общение» с ним чревато нервными расстройствами, ухудшением слуха, частичной потерей памяти, помутнением хрусталиков глаз . Эти симптомы наблюдаются у людей, работающих на аммиачных производствах.

Пары аммиака всегда устремляются вверх, поскольку газ легче воздуха. Газом вещество является в обычных условиях. Для транспортировки и продажи аммиак сжижают.

Для этого нужно повышенное давление. Получают безводный концентрат. Для него существует 6221-90 ГОСТ.

Сжиженный аммиак в сосудах, все же, имеет газообразную фазу. Под давлением оба состояния вещества находятся в равновесии.

При этом, температура должна быть ниже критической, как и давление. Если будет больше 132-ух градусов и 11-ти мегапаскалей, равновесие нарушится.

Коэффициент объемного сжатия вещества в разы меньше коэффициента его расширения.

Если сосуд заполнен доверху, повышение температуры может привести к давлению в 52 мегапаскаля.

Этого достаточно, чтобы разорвать металлические швы вмещающего сосуда. Соответственно, будет взрыв.

Из концентрата аммиака можно получить раствор аммиака любой насыщенности. Хотя, человечеству пригождается и безводная версия.

Она, к примеру, является одним из азотных удобрений. Кроме азота в веществе присутствует лишь водород. Последнего 3 атома, то есть, формула газа такова: — NH3.

Такое содержание водорода – причина отличной растворимости аммиака в воде. Другие газы этим «похвастаться» не могут.

Между аммиаком и водой образуются прочные водородные связи. Чем насыщеннее раствор, тем больше его растворяющие свойства.

По ним вещество конкурирует с этиловым спиртом, с той лишь разницей, что последний органического происхождения.

Так, аммиак водный, как и концентрат, способны растворить металлы щелочной и щелочноземельной групп.

Итогом реакций становятся темно-синие жидкости. Это результат ионизации валентных электронов и солватации.

Последнее понятие обозначает электростатический контакт между молекулами растворенных металлов и аммиака.

От нашатырного спирта запах аммиака исходит неспроста. Средство является водным раствором гидроксида аммония.

То есть, аммиак – это нашатырный спирт. Гидроксид аммония содержится и в моче, а так же, в продуктах разложения органики.

Именно поэтому, к примеру, неприятно пахнут гниющие массы со дна болот. В них разлагаются остатки растений, рыб, животных .

В тех же прудах аммиак, естественно, смешивается с водой. В растворе присутствует OH-группа.

Значит, смесь способна на щелочную реакцию, является слабым основанием. Растворяет героя статьи и спирт. Аммиак не случайно смешан с ним в нашатыре.

В концентрированном виде нитрид водорода сильно преломляет свет, то есть, меняет направление его лучей.

Еще одно любопытное свойство героя статьи – кипение при минусовых температурах. Должно быть около 34-ех ниже нуля.

Если опустить температуру до 78-ми градусов, жидкость, и вовсе, затвердеет. Получаются белесые хлопья, похожие на снег. Кристаллы вещества имеют правильную, симметричную форму.

Добыча аммиака

Производство аммиака сводится к 100 000 000 тонн ежегодно. Примерно столько же добывают хлора. При этом, аммиак менее токсичен.

В указанный объем аммиака входят вещество, извлеченное из природных источников азота, и синтезированное в искусственных условиях.

Промышленный метод основан на соединении водорода и азота. Аммиак из них получается при температуре не ниже 500-от градусов Цельсия.

Еще одно условие: — давление в 350 атмосфер. Не обойтись и без катализатора. Он ускоряет вялотекущую реакцию, сам в нее не вступая.

Роль катализатора, обычно, выполняет губчатое железо . Из более дорогих помощников выбирают оксид вольфрама , или платину .

Итоговый выход продукта при взаимодействии простых веществ равен примерно 30-35%.

Это максимум при соблюдении минимально возможной температуры и наибольшего давления. Именно такой дуэт обеспечивает эффективность реакции.

Однако, при нижней температурной планке уменьшается скорость процесса. Поддашь жару, — частично останешься без аммиака, зато, получишь его быстрее.

Синтетический метод производства аммиака практически не оставляет шансов его добыче в природе из продуктов гниения органики. Процесс этот долог.

Аммиак образуется, но быстро улетучивается. В ловушки земной коры газ попадает редко.

Обычно, аммиак понемногу испаряется, что делает природные месторождения неликвидными.

Применение аммиака

Применение вещества в сельскохозяйственной сфере уже упоминалось. Теперь, перейдем к индустрии красоты, вспомнив про аммиак для волос.

Здесь же вспомним, что раствор вещества является слабой щелочью. Отсюда назначение: — обеспечить щелочной Ph краски, в районе 10-ти.

Такая среда способствует набуханию волос, что запускает реакцию разложения перекиси водорода.

Последняя, является осветлителем, поэтому, обязательно используется в оттенках блонд.

Существует краска без аммиака. Однако, производители частично лукавят. Вместо чистого вещества применяются его производные.

Они тоже поднимают Ph до щелочного уровня, но стоят дороже. Соответственно, и краска для волос без аммиака требует затрат.

Однако, потребители готовы к ним, дабы сохранить здоровье шевелюры. Дело в том, что чистый аммиак сильнее раскрывает поры волос.

Они начинают напоминать губку, сгладить поверхность которой можно лишь дорогостоящей силиконовой косметикой, заполняющей пустоты.

Из продуктов питания выраженая щелочь – сода . На ее изготавление, так же, направлен синтез аммиака.

Производят его и для получения азотной кислоты. Аммиак преобразуют в оксид азота.

Последний, окисляют до диоксида. Потом, оксиды проходят абсорбцию водой. Так и получают кислоту .

Формула аммиака, как уже говорилось, лежит в основе создания взрывчатых субстанций.

Вещество нужно и на производстве холодильного оборудования. Его действие основано на испарении сжиженного газа. При этом, поглощается много тепла, что, собственно, и обеспечивает прохладу.

В ювелирном деле также не обошлось без аммиака. Его используют для очистки изделий из золота после полировки пастой ГОИ .

Потребности человечества в аммиаке отражает тенденция его производства. Еще 30 лет назад в год формировали 70 000 000 тонн реагента.

Теперь, как указывалось в главе «Добыча», — 100 000 000. Не поменялись лишь лидеры производства. Это, по-прежнему, США и, теперь уже, Россия .

В справочниках прошлых лет фигурирует, естественно, СССР. Что поменялась стоимость вещества, и гадать не надо. Ознакомимся с актуальным ценником на аммиак.

Цена аммиака

Аммиак купить можно оптом и в розницу. Крупные поставки осуществляют, как правило, тоннами.

За 1000 килограммов просят от 19000 рублей. Небольшие предприятия готовы продавать по килограмму, прося около 30-ти рублей.

В розницу килограммы предлагают редко, тонны не предлагают вовсе. Изучим прейскурант аптек, обратив внимание на нашатырный спирт.

Обычно, его разливают во флаконы по 40 миллилитров. Стоит такой объем от 15-ти до 31-го рубля.

Интересно, что, если встречаются флаконы на 25 и 100 миллилитров, стоят они примерно так же, от 13-ти до 55-ти рублей.

При этом, стоит учесть, что спиртовой раствор 10-процентный. Сжиженный же аммиак на оптовых поставках концентрированный.

Поэтому, промышленникам приходится задумываться о правильной транспортировке груза. Есть специальные полуприцепы с цистернами.

Возраст емкостей не должен превышать 30-ти лет. Важен и состав сплава для цистерн, ведь аммиак растворяет многие металлы.

Учитывать приходится, так же, давление в резервуаре, температуру. Поэтому, рядом с объявлениями о продаже реагента, как правило, размещают и предложения по продаже и аренде полуприцепов. Без них не обойтись.

источник