Промисловий синтез амоніаку: вибір оптимальних умов синтезу, будова й робота колони синтезу

Основним способом добування аміаку в промисловості є синтез його з азоту і водню: N₂ + 3H₂ ® 2NH₃. Ця реакція є оборотною, екзотермічною та відбувається лише при наявності каталізатора.

Основним завданням будь-якого виробництва є не просто добути задану речовину, а добути її найбільш економічним способом. А для цього необхідно підібрати оптимальні умови синтезу, тобто такі, за яких вихід продукту буде найбільшим і процес здійснюватиметься з великою швидкістю.

Оптимальними умовами синтезу аміаку є:

1) невеликий тиск, приблизно 30 мегапаскаль, який дає змогу змістити рівновагу в бік утворення аміаку;

2) використання каталізатора. Каталізатором у процесі синтезу аміаку є губчасте залізо з домішками оксидів калію та алюмінію;

3) температура 450–550 °С.

Промисловий синтез аміаку відбувається в колоні синтезу. Колона синтезу складається з теплообмінника і каталізаторної коробки. Діаметр колони синтезу дещо менший, ніж внутрішній діаметр корпусу колони. Отже, між каталізаторною коробкою і корпусом утворюється щілина. Вихідна суміш азоту та водню надходить у колону через цю щілину. Це запобігає перегріванню корпусу. Вихідна суміш далі проходить між гарячими трубками теплообмінника, нагрівається і потрапляє до каталізаторної коробки. Тут і відбувається сам синтез аміаку. При цьому виділяється багато теплоти. Гаряча суміш аміаку, азоту й водню потрапляє в трубки теплообмінника, тому вони і стають гарячі. Відбувається теплообмін, тобто утилізація теплоти реакції. Теплообмін - це один із важливих наукових принципів сучасного виробництва. Далі газова суміш потрапляє в холодильник, а звідти - в сепаратор. У сепараторі зріджений аміак відокремлюється від азоту і водню, що не прореагували. І азотоводнева суміш через циркуляційний насос знову потрапляє в колону синтезу. Принцип циркуляції - це ще один важливий принцип аміачного виробництва. Завдяки принципу циркуляції на сучасних заводах вихід аміаку становить 96–98 %.