Получение водорода, кислорода, углекислого газа, аммиака и этилена в промышленности

Аммиак, химические свойства, получение

Получение водорода, кислорода, углекислого газа, аммиака и этилена в промышленности

Принципиальная технологическая схема

В зависимости от величины используемого давления различают:

— агрегаты низкого давления (10-16 МПа);

— агрегаты среднего давления (20-50 МПа);

— агрегаты высокого давления (80-100 МПа).

В мировой практике наиболее широко используются агрегаты среднего давления. В нашей стране агрегаты работают под давлением 30-36 МПа, а также несколько установок с давлением 45 МПа. Новые агрегаты строятся для давления 32 МПа, температур синтеза 420-500 °С, объемной скорости газа в единице объема слоя катализатора количеств 15-25 тыс. м3/(м3.час). При этом удельная производительность катализатора составляет 20-40 т аммиака в сутки.

1 — огневой подогреватель природного газа; 2 — колонна синтеза аммиака; 3 — подогреватель воды; 4 — выносной теплообменник; 5 — циркуляционный компрессор;

6 — сепаратор жидкого аммиака; 7 — блок АВО; 8 — конденсационная колонна; 9 — конденсационная колонна продувочных газов; 10 — испаритель жидкого аммиака;

11 — сборник жидкого аммиака; 12 — испаритель жидкого аммиака на линии танковых газов; 13 — сепаратор; 14 — промежуточная дренажная емкость; 15 — испаритель жидкого аммиака; 16 — магнитный фильтр.

Свежая АВС сжимается в четырехступенчатом ц/б компрессоре до 32 МПа и после охлаждения в АВО поступает в нижнюю часть конденсационной колонны 8, где барботирует через слой сжиженного холодного аммиака и окончательно очищается от остаточных примесей СО, СО2, Н2О и паров масла.

Сама она при этом насыщается аммиаком до 3-5 % и смешивается с циркуляционным газом. Далее смесь проходит по трубкам встроенного теплообменника в верхней части колонны 8, и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника4. здесь он нагревается до 185-195 °С за счет тепла газов выходящих из колонны синтеза 2.

Здесь он проходит снизу вверх по кольцевому зазору между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство встроенного теплообменника4. Здесь он нагревается до температуры зажигания железного катализатора марки СА-1 (420-440 °С) за счет теплоты прореагировавших газов и затем последовательно проходит четыре слоя катализатора, при этом концентрация аммиака возрастает до 15-20 %.

Пройдя через центральную трубу при 500-520 °С азотоводородоаммиачная смесь попадает в трубки встроенного теплообменника, где охлаждается до 330 °С. Дальнейшее охлаждение этой смеси до 215 °С осуществляется в подогревателе питательной воды 3 и выносном теплообменнике 4 до 65 °С. далее она охлаждается в АВО 7 до 40 °С. при этом достигается точка росы и часть аммиака конденсируется.

Жидкий аммиак отделяется в сепараторе 6, а газовая смесь содержащая 10-15 % аммиака поступает в циркуляционный компрессор 5, где вновь дожимается до 31,5 МПа компенсируя потери давления в системе. Далее циркуляционный газ поступает в систему вторичной конденсации в конденсационную колонну 8 и испаритель жидкого аммиака 15.

В колонне 8 газ охлаждается до 18 °С, а в трубках испарителей 15 до минус 5 °С за счет кипения в межтрубном пространстве жидкого аммиака, поступающего из холодильной станции. При этом из газа конденсируется дополнительное количество жидкого аммиака и смесь поступает в сепарационную часть конденсационной колонны 8, где газ отделяется от капелек жидкого аммиака и смешивается со свежей АВС и циркуляционным газом.

Газовая смесь проходит вверх по колонне через трубки встроенного т/о, затем выносной т/о 4 и попадает в колонну синтеза 2. Жидкий аммиак из первичного сепаратора 6 проходит через магнитный фильтр 16 где освобождается от катализаторной пыли и смешивается с жидким аммиаком образующимся в колонне 8.

Затем его дросселируют до 4 МПа и отводят в сборник 11. При дросселировании из жидкого аммиака выделяется растворенные в нем газы (водород, азот, метан), это так называемые «танковые» газы, которые содержат 16-18 % аммиака.

Далее они проходят сепаратор 13, где отделяются от капелек жидкого аммиака и используются как топливо совместно с продувочными газами.

В циркулирующем газе постепенно накапливаются инертные примеси (метан, аргон, гелий и др.). Для того чтобы их количество не превышало 8-10 % производится так называемая «продувка» циркуляционного газа после первичной конденсации аммиака (после сепаратора 6).

Эти газы содержат 8-9% аммиака, который выделяют за счет охлаждения до -25..-30 °С в конденсационной колонне 9 и испарителе 10продувочных газов. После этого продувочные газы, содержащие не более 2 % аммиака присоединяются к танковым газам и используются как топливо.

Тренировочные задания к разделам

1. Только смеси веществ перечислены в наборе

1) хлорид натрия, железо, песок2) квас, молоко, уксус3) воздух, пирит, магний4) фтор, кальций, железняк

2. Верны ли следующие суждения о чистых веществах и смесях?

А. Воздух является смесью веществ.Б. Бронза является чистым веществом.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

3. Верны ли следующие суждения о способах очистки веществ?

А. Бромид калия от воды можно отделить выпариванием.Б. Очистить речной песок от железных опилок можно с помощью магнита.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

4. Верны ли следующие суждения о способах очистки веществ?

А. Очистить воду от нефти можно фильтрованием.Б. Очистить речной песок от алюминиевых опилок можно фильтрованием.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

5. Верны ли суждения о правилах работы в химической лаборатории?

А. Работы с концентрированной серной кислотой проводят в вытяжном шкафу в защитных перчатках.Б. Для разделения несмешивающихся жидкостей используют мерный цилиндр.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

6. Верны ли суждения о правилах работы в химической лаборатории?

А. Горючие жидкости запрещено нагревать с помощью газовой горелки.Б. При попадании на кожу растворов щелочей их немедленно нейтрализуют соляной кислотой.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

7. Верны ли суждения о правилах работы в химической лаборатории?

А. При наливании реактивов нельзя наклоняться над сосудом во избежание попадания брызг на лицо или одежду.Б. При нагревании пробирки нельзя держать её отверстием к себе или в сторону других лиц.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

8. Верны ли суждения о правилах работы в химической лаборатории?

А. Градуированные пипетки используют для отмеривания различных объёмов жидкостей.Б. Делительные воронки применяют для разделения растворов.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

9. Верны ли суждения о правилах работы в химической лаборатории?

А. Градуированные пипетки заполняют с помощью груши.Б. При кратковременном нагревании жидкости в пробирке используют держатели.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

10. Верны ли суждения о правилах работы в химической лаборатории?

А. При длительном нагревании жидкостей используют штативы.Б. Фильтратом называют раствор, освобождённый от твердых частиц.

1) верно только А2) верно только Б3) верны оба суждения4) оба суждения неверны

11. Лакмус окрасится в красный цвет в растворе

1) Na2SO42) HCl3) K2SO44) NaOH

12. Лакмус окрасится в красный цвет в растворе

1) LiNO32) AgNO33) HNO34) Ba(NO3)2

13. Лакмус окрасится в синий цвет в растворе

1) HBr2) BaCl23) K2SO44) KOH

14. Лакмус окрасится в синий цвет в растворе

1) Ba(OH)22) KBr3) HNO34) AgNO3

15. Индикатор метиловый оранжевый окрасится в жёлтый цвет в растворе

1) HCl2) H2SO43) KOH4) K2SO4

16. Индикатор метиловый оранжевый окрасится в жёлтый цвет в растворе

1) LiOH2) HCl3) H2SO44) K2SO4

17. Индикатор метиловый оранжевый окрасится в розовый цвет в растворе

1) H2SO42) NaOH3) KCl4) K2SO4

18. Индикатор метиловый оранжевый окрасится в розовый цвет в растворе

1) K2SO32) KOH3) KBr4) HNO3

19. Для качественного определения хлорид-иона в растворе применяют реактив

1) NaNO32) Ca(NO3)23) Al(NO3)34) AgNO3

20. Для качественного определения сульфат-иона в растворе применяют реакцию с катионом

1) Al3 2) Mg2 3) Ba2 4) Na

21. Для качественного определения карбонат-иона в растворе применяют реакцию с катионом

1) Na 2) Li 3) Rb 4) Ca2

22. При взаимодействии хлорида натрия и нитрата серебра

1) выпадает осадок жёлтого цвета2) выпадает осадок коричневого цвета3) выпадает осадок белого цвета4) внешних изменений не происходит

23. При взаимодействии нитрата бария с сульфатом калия

1) выпадает кристаллический осадок белого цвета2) выделяется бесцветный газ3) выпадает осадок коричнево-красного цвета4) внешних изменений не происходит

24. При пропускании углекислого газа через известковую воду

1) внешних изменений не происходит2) выпадает осадок белого цвета, нерастворимый в кислотах3) выпадает осадок зеленоватого цвета, нерастворимый в кислотах4) выпадает осадок белого цвета, растворяющийся при дальнейшем пропускании углекислого газа

25. В пробирку с раствором соли добавили концентрированный раствор гидроксида натрия и нагрели. Наблюдалось выделение пузырьков газа, в парах которого влажная лакмусовая бумажка окрасилась в синий цвет. Эта соль

1) NH4Cl2) KCl3) BaCl24) LiBr

26. Осадок выделится при сливании растворов

1) NaCl и AgNO32) NaCl и Al(NO3)33) NaCl и KNO34) NaCl и Ca(NO3)2

27. Осадок выделится при сливании водных растворов

1) Ba(NO3)2 и HCl2) Ba(NO3)2 и HBr3) Ba(NO3)2 и H2SO44) Ba(NO3)2 и HNO2

28. Газ выделяется при сливании водных растворов

1) HCl и AgNO32) HCl и NaHCO33) HCl и Na2SO44) HCl и NaNO3

29. Смесь осадков образуется при взаимодействии водных растворов веществ

1) BaCl2 и Na2SO42) Ba(OH)2 и AlCl33) NaOH и MgCl24) Al2(SO4)3 и Ba(OH)2

30. Осадок и газ образуется одновременно при сливании растворов

1) Li2CO3 и H3PO42) Li2CO3 и HCl3) Na2CO3 и H3PO44) Na2CO3 и HCl

Химические свойства

Азотная кислота – это сильная кислота. За счет азота со степенью окисления 5 азотная кислота проявляет сильные окислительные свойства.

1. Азотная кислота практически полностью диссоциируетв водном растворе.

 HNO3 → H NO3–

2. Азотная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами. 

Например, азотная кислота взаимодействует с оксидом меди (II):

CuO     2HNO3   →   Cu(NO3)2     H2O

Еще пример: азотная кислота реагирует с гидроксидом натрия:

HNO3      NaOH   →   NaNO3     H2O

3. Азотная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов, сульфитов). 

Например, азотная кислота взаимодействует с карбонатом натрия:

2HNO3     Na2CO3   →  2NaNO3     H2O     CO2

4. Азотная кислота частично разлагается при кипении или под действием света:

4HNO3  →   4NO2      O2      2H2O

5.Азотная кислота активно взаимодействует с металлами. При этом  никогда не выделяется водород! При взаимодействии азотной кислоты с металлами окислителем всегда выступает азот 5.

металл HNO3 → нитрат металла вода газ (или соль аммония)

С алюминием, хромом и железомна холодуконцентрированная HNO3  не реагирует – кислота «пассивирует» металлы, т.к. на их поверхности образуется пленка оксидов, непроницаемая для концентрированной азотной кислоты. При нагревании реакция идет. При этом азот восстанавливается до степени окисления 4:

Fe       6HNO3(конц.)  →   Fe(NO3)3      3NO2     3H2O

 Al      6HNO3(конц.)   →  Al(NO3)3      3NO2     3H2O

Золото и платина не реагируют с азотной кислотой, но растворяются в «царской водке» – смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 :  3 (по объему):

HNO3         3HCl      Au   →   AuCl3      NO      2H2O

Концентрированная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (IV), азот восстанавливается минимально:

4HNO3(конц.)        Cu   →    Cu(NO3)2        2NO2      2H2O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными) концентрированная азотная кислота реагирует с образованием оксида азота (I):

10HNO3          4Ca   →    4Ca(NO3)2        2N2O      5H2O

Разбавленная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (II).

8HNO3 (разб.)          3Cu   →    3Cu(NO3)2        2NO      4H2O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными), а также оловоми железом разбавленная азотная кислота реагирует с образованием молекулярного азота:

12HNO3(разб)        10Na   →    10NaNO3       N2       6H2O

При взаимодействии кальцияи магнияс азотной кислотой любой концентрации (кроме очень разбавленной) образуется оксид азота (I):

10HNO3          4Ca    →   4Ca(NO3)2        2N2O      5H2O

Очень разбавленная азотная кислота реагирует с металлами с образованием нитрата аммония:

10HNO3            4Zn   →    4Zn(NO3)2        NH4NO3      3H2O

Таблица. Взаимодействие азотной кислоты с металлами.

6. Азотная кислота окисляет и неметаллы (кроме кислорода, водорода, хлора, фтора и некоторых других). При взаимодействии с неметаллами HNO3  обычно восстанавливается до NO  или NO2, неметаллы окисляются до соответствующих кислот, либо оксидов (если кислота неустойчива).

Например, азотная кислота окисляет серу, фосфор, углерод, йод:

6HNO3           S     →   H2SO4      6NO2        2H2O

Безводная азотная кислота – сильный окислитель. Поэтому она легко взаимодействует с красным и белым фосфором. Реакция с белым фосфором протекает очень бурно. Иногда она сопровождается взрывом.

5HNO3          P   →    H3PO4        5NO2        H2O

5HNO3          3P         2H2O   →    3H3PO4        5NO

Видеоопытвзаимодействия фосфора с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

4HNO3         C   →   CO2        4NO2        2H2O

Видеоопытвзаимодействия угля с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

10HNO3      I2  →   2HIO3      10NO2       4H2O

7. Концентрированная азотная кислота окисляет сложные вещества (в которых есть элементы в отрицательной, либо промежуточной степени окисления): сульфиды металлов, сероводород, фосфиды, йодиды, соединения железа (II) и др.

Например, азотная кислота окисляет оксид серы (IV):

2HNO3        SO2  →   H2SO4        2NO2

Еще пример: азотная кислота окисляет йодоводород:

6HNO3      HI   →  HIO3      6NO2      3H2O

Азотная кислота окисляет углерод до углекислого газа, т.к. угольная кислота неустойчива.

3С        4HNO3   →    3СО2       4NO       2H2O

Сера в степени окисления -2 окисляется без нагревания до простого вещества, при нагревании до серной кислоты. 

Например, сероводород окисляется азотной кислотой без нагревания до молекулярной серы:

2HNO3        H2S     →  S        2NO2      2H2O

При нагревании до серной кислоты:

2HNO3        H2S     →  H2SO4         2NO2      2H2O

8HNO3         CuS   →   CuSO4       8NO2       4H2O

Соединения железа (II) азотная кислота окисляет до соединений железа (III):

4HNO3         FeS   →   Fe(NO3)3     NO       S       2H2O

8. Азотная кислота окрашивает белкив оранжево-желтый цвет («ксантопротеиновая реакция»).

Ксантопротеиновую реакцию проводят для обнаружения белков, содержащих в своем составе ароматические аминокислоты. К раствору белка прибавляем концентрированную азотную кислоту. Белок свертывается. При нагревании белок желтеет. При добавлении избытка аммиака окраска переходит в оранжевую.

Видеоопыт обнаружения белков с помощью азотной кислоты можно посмотреть здесь.

Химические свойства аммиака

1.В водном растворе аммиак проявляет основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H ), он превращается в ион аммония. Реакция может протекать и в водном растворе, и в газовой фазе:

:NH3      H2O    ⇄    NH4       OH–

Таким образом, среда водного раствора аммиака – щелочная. Однако аммиак – слабое основание. При 20 градусах один объем воды поглощает до 700 объемов аммиака.

Видеоопытрастворения аммиака в воде можно посмотреть здесь.

2. Как основание, аммиак взаимодействует с кислотами в растворе и в газовой фазе с образованием солей аммония.

Например, аммиак реагирует с серной кислотой с образованием либо кислой соли – гидросульфата аммония (при избытке кислоты), либо средней соли – сульфата аммония (при избытке аммиака):

NH3       H2SO4    →    NH4HSO4

2NH3      H2SO4    →   (NH4)2SO4

Еще один пример: аммиак взаимодействует с водным раствором углекислого газа с образованием карбонатов или гидрокарбонатов аммония:

NH3       H2O    CO2  →    NH4HCO3

2NH3      H2O    CO2    →   (NH4)2CO3

Видеоопытвзаимодействия аммиака с концентрированными кислотами – азотной, серной и и соляной можно посмотреть  здесь.

В газовой фазе аммиак реагирует с летучим хлороводородом. При этом образуется густой белый дым – это выделяется хлорид аммония. 

NH3      HCl  →   NH4Cl

Видеоопытвзаимодействия аммиака с хлороводородом в газовой фазе (дым без огня) можно посмотреть здесь.

3. В качестве основания, водный раствор аммиака реагирует с растворами солей тяжелых металлов, образуя нерастворимые гидроксиды.

Например, водный раствор аммиака реагирует с сульфатом железа (II) с образованием сульфата аммония и гидроксида железа (II):

FeSO4   2NH3  2H2O  →  Fe(OH)2  (NH4)2SO4

4. Соли и гидроксиды меди, никеля, серебра растворяются в избытке аммиака, образуя комплексные соединения – амминокомплексы.

Например, хлорид меди (II) реагирует с избытком аммиака с образованием хлорида тетрамминомеди (II):

4NH3      CuCl2  →  [Cu(NH3)4]Cl2

Гидроксид меди (II) растворяется в избытке аммиака:

4NH3       Cu(OH)2   → [Cu(NH3)4](OH)2

5.Аммиак горит на воздухе, образуя азот и воду:

4NH3        3O2    →  2N2      6H2O

Если реакцию проводить в присутствии катализатора (Pt), то азот окисляется до NO:

4NH3        5O2    →    4NO     6H2O

6. За счет атомов водорода в степени окисления 1 аммиак может выступать в роли окислителя, например в реакциях с щелочными, щелочноземельными металлами, магнием и алюминием. С металлами реагирует только жидкий аммиак.

Например, жидкий аммиак реагирует с натрием с образованием амида натрия:

2NH3       2Na   →   2NaNH2     H2

 Также возможно образование Na2NH,  Na3N.

При взаимодействии аммиака с алюминием образуется нитрид алюминия:

2NH3        2Al   →   2AlN      3H2

7. За счет азота в степени окисления -3 аммиак проявляет восстановительные свойства. Может взаимодействовать с сильными окислителями — хлором, бромом, пероксидом водорода, пероксидами и оксидами некоторых металлов. При этом азот окисляется, как правило, до простого вещества.

Например, аммиак окисляется хлором до молекулярного азота:

2NH3        3Cl2    →  N2      6HCl

Пероксид водорода также окисляет аммиак до азота:

2NH3        3H2O2    →  N2      6H2O

Оксиды металлов, которые в электрохимическом ряду напряжений металлов расположены справа — сильные окислители. Поэтому они также окисляют аммиак до азота.

Например, оксид меди (II) окисляет аммиак:

2NH3       3CuO   →    3Cu      N2      3H2O