ReJA: Amiak sintezi jarayoning nazariy asoslari

Amiak sintezi jarayoning nazariy asoslari

ReJA:
1. Amiak sintezi jarayoning nazariy asoslari

2.Ammiak ishlab chikarishning boskichlari.

3.Ishlatiladigan sistemalarning turlari.

4.Ammiakning ishlatilish soxalari.

Ammiak, ammiak ishlab chikarish xom ashyolari,ammiak ishlab chikarish boskichlari.

NH3 sintezi. NH3 sintezi issiklik chikishi va xajmning kamayishi bilan boradigan kaytar jaraendir. N2+3H2 k 2NH3- . Bu reaktsiyaning issiklik effekti xarorat va bosimga boglik buladi. Masalan 500Sda katalizatorlar ishtirokida yukori bosimda va texnologik sistemaning tsiklliligi xisobiga olib boriladi. Katalizatorlar sifatida Femetali ishlatiladi. Bu katalizatorlar S li birikmalar ta`sirida zaxarlanishi mumkin. Uglerod oksidlari esa katalizatorlarni fakat gaz fazaga kirgandagina zaxarlaydi. Bu sintez kuyidagi boskichlardan iborat.

Tashki diffuziya va ichki diffuziya (tashki diffuziya katalizator sirtiga N va vodorod diffuziyalanishi) ichki diffuziya katalizatorning poralari orkali ichkariga kirishi.

Katalizator sirtiga N va H ning aktivlangan diffuziyasi.

Katalizator sirtiga N va H ning uzaro ta`siri, bu uzaro ta`sir N ni katalizatorlardan elektronlar kabul kilish va H ni katalizatorga elektron berishi, bunda esa elektron muvozanat yuzaga kelishi bilan boradi. Buning natijasida yuza birikmalar NH-imid, NH2-amid, NH3-ammiak buladi.

NH3- desorbtsiyasi. Katalizatorning ichki diffuziyasiga va sirtiga fazasiga utishi.

Bu boskichlardan eng asosiy xal kiluvchi boskichi katalizator sirtida N va H ning aktivlangan diffuziya boskichidir. Fe katalizatorligida NH3 sintezi 400-500°s da sodir buladi. Bu sharoitda uncha katta chikishga ega bulmaydi. Shuning uchun sintez tsiklik sistemada olib boriladi, ya`ni NH3 ga aylanmagan NH li aralashma yana sistema kiritiladi. Tsiklik sistemada NH3 ni ishlab chikarish kam chikindili ishlab chikarish turlariga kiradi.

NH3 sintezining optimal sharoiti. Bu sistemaning asosiy kursatkichlari xosil bulix darajasi, katalizatorlarning unumdorligidir. Iktisodiy kursatkichlariga xom-ashyo va energiyaning chikitm koeffitsienti, maxsulot tannarxi kiradi.

Yukori bosim ta`sirida NH3 sintezi tezligi ortadi. Bundan tashkari teskari reaktsiyaning tezligini kamaytiradi va NH3 ni gazdan kondensatsiya orkali ajratilishini ta`minlaydi.

Xarorat rejimi xam reaktsiya tezligiga ta`sir kiladi. Xarorat ma`lum chegaraga etguncha kutarilganda tezlikni oshiradi.

Dastlabki N–Hli aralashma tarkibi xam sintezga ta`sir kursatadi. Sistemada aralashma kamaytirilganda NH3 xosil bulish tezligi pasayadi. Shu vaktda sistemaga aralashmani kiritilib turiladi. Xosil bulgan ammiakni suv va ammiaklm sovutkichlarda kondensatsiya kilish orkali chikarib turiladi. Sanoatda sistematik ammiakni ishlab chikarishda bosimni oz kupligiga karab sistemalar uch turga bulinadi:

Ammiak sintezi uchun kamroq energiya sarflaydigan texnologiya ishlab chiqildi
Zamonaviy dunyo aholisining deyarli 70 foizini mineral o‘g‘itlash orqali yetishtirilgan dehqonchilik mahsulotlari oziq-ovqat bilan ta’minlaydi. Bu jarayon o‘ta murakkab kimyoviy reaksiyalar asosiga qurilgan bo‘lib, katta energotexnologik quvvatlarni talab qiladi. Sohadagi yaqinda qayd etilgan ilmiy yangilik – yapon olimlarining ixtirosi haqida.

a. Ammiak hosil bo‘lishining harorat va bosim bilan bog‘liqligi; b. Arrhenius’ning Fe katalizator ustidan ammiak sintezi uchun qismlari.

Foto: Nature

Istalgan dehqonchilik mahsulotlarini yetishtirish borasida bugungi kunda mineral o‘g‘itlardan foydalanmasdan turib yuqori darajada hosil olishning imkoni yo‘q. Mineral o‘g‘itlarning asosiy qismini esa ammiak asosida tayyorlanadigan selitra va karbamid tashkil qiladi. Umuman olganda, sintetik ammiak — mineral o‘g‘itlar ishlab chiqarish uchun eng birlamchi xomashyo hisoblanadi.

Jahonning deyarli barcha yirik kimyo korxonalarida, shu jumladan, O‘zbekistondagi kimyo zavodlarida ham ammiak “Gaber jarayoni” deb nomlanadigan kimyoviy reaksiyalar ketma-ketligiga asoslangan texnologik jarayon asosida ishlab chiqariladi. Gaber — kelib chiqishiga ko‘ra yahudiy bo‘lgan nemis kimyogari bo‘lib, u dengiz orqali Chilidan Germaniyaga keltiriladigan tabiiy selitraning 1914—1918-yillardagi Birinchi jahon urushi paytida yo‘li to‘silgani bois Germaniyani selitra bilan ta’minlashning muqobil usullarini izlash asnosida ammiakni sun’iy sintez qilish yo‘lini topgan. Shu sababli ham jarayon uning nomi bilan ataladi.

Jarayon avval metan gazini parchalash orqali undan vodorod ajratib olish, keyin esa ushbu vodorodga havodan olingan azotni bog‘lash orqali yakunda kimyoviy formulasi NH3 bo‘lgan sintetik suyuq ammiak olish bilan kechadi. Ammiak ishlab chiqarish texnologiyasi murakkabligi jihatdan eng qiyin kimyoviy texnologik jarayonlar qatoriga kiradi. Bunda o‘ta yuqori harorat (+530℃ atrofida) va bosim (250 kgk/sm2 dan yuqori), bir necha xil katalizatorlar hamda katta quvvatli kompressor-mashinalar zarur bo‘ladi.

Jarayonning muammoli jihatlaridan biri — eng yakuniy bosqich — sintez kamerasida azot va vodorod gazlari o‘zaro birikib, ammiakka aylanishi uchun, albatta, temir katalizatori mavjud bo‘lishi kerak. Mazkur katalizator esa faqat 350 ℃ dan yuqori haroratlarda ish bera boshlaydi. Bunday yuqori harorat darajalarini barqaror ta’minlash uchun esa juda katta energiya miqdori sarflanadi. Umuman olganda, bu boradagi FIK 30-40 foiz atrofida bo‘ladi xolos. Lekin hozirda boshqa usullardan ko‘ra eng samaralirog‘i ham shu.

Ko‘rib turganingizdek, ammiakning o‘zi uchun ham xomashyo bu qazilma boylik — metan gazi bo‘ladi. U jarayonda bir vaqtning o‘zida xomashyo va yoqilg‘i sifatida ham ishtirok etadi. Ammiakni sun’iy sintez qilish uchun qo‘llab ko‘rilgan boshqa muqobil energiya manbalari, xususan, shamol energiyasi singarilar beqarorligi va ishonchli emasligi bilan istisno qilinadi. Xomashyo sifatida tarkibida vodorod tutuvchi boshqa moddalarni (suvni) qo‘llash ham metanni qo‘llashdan ko‘ra yaxshiroq natija bermaydi. Shu sababli mavjud usullarning o‘zi bilan, lekin energiya sarfini kamaytirish orqali samaradorlikni oshirish masalasi kimyogarlar oldida doim dolzarb bo‘lib kelgan. Biroq yuqorida aytganimizdek, qaysar temir katalizator 350℃ dan yuqori haroratlardagina ish bera boshlaydi.

Pastroq haroratlarda ham ishlaydigan katalizatorlarni yaratish borasida kimyogarlar anchadan buyon izlanib kelmoqda. Aftidan, yapon olimlarida bu borada dastlabki katta ilmiy yutuq qayd qilinganga o‘xshaydi. Har holda Tokio texnologiyalar instituti kimyo fani doktori Michikadzi Xara boshchiligidagi ilmiy guruh tomonidan Nature jurnalida 24-aprel kuni e’lon qilingan maqolada shunga da’vo qilinmoqda. Xususan, doktor Xaraning o‘zi Nature communications’ga bergan izohida “Bizning katalizator H2 va N2 gazlaridan 50℃ haroratda hamda 20 kJ/mol ga teng bo‘lgan favqulodda past faollashtirish energiyasi bilan ham ammiak ishlab chiqara oladi”, — deya ta’kidlagan.

Maqolada aytilishicha, doktor Xaraning past haroratli katalizatori nanotexnologiyalarni qo‘llagan holda yaratilgan bo‘lib, CaFH qattiq eritmasi sirtiga o‘rnashtirilgan ruteniy (Ru) elementi nanozarralaridan tashkil topgan. Bunda olimlar kalsiy gidridi — CaH2 ga ftorning qo‘shilishi tufayli nisbatan past harorat va bosimda ham samara beradigan katalizator hosil bo‘lishiga erishgan. Spektroskopik tahlil va kompyuter modellashtirishi orqali esa olimlar ushbu katalizatorning ammiak sintezi jarayonini qanday qilib yuzaga keltirishini ko‘rsatib bergan.

Ilmiy maqolada bayon qilinishicha, katalizatorning ta’sir mohiyati quyidagicha: kalsiy-ftorid (Ca-F) bog‘lanishning mustahkamligi, kalsiy-vodorod (Ca-H) bog‘lanish mustahkamligidan ko‘ra barqarorroq bo‘lgani uchun kalsiy-ftoridi bog‘i kalsiy-vodorod bog‘lanishini yanada susaytiradi. Natijada, ruteniy katalizator kristallaridan vodorod atomlarini sug‘urib chiqara oladigan bo‘lib qoladi va uning o‘rniga elektronlar qoldiradi. Keyin esa ushbu vodorod atomlari ruteniy nanozarralaridan H2 gazi ko‘rinishida desorbsiyalanib chiqib ketadi.

Bunga 50℃ harorat ham kifoya qiladi. Katalizator “tutib olgan” elektronlar va ftor ionlari orasidagi zaryadlarning o‘zaro itarilishi esa kristalldagi energetik to‘siqlarni pasaytiradi va shu orqali materialga yuqori elektron sig‘im bag‘ishlaydi. Ajralib chiqqan elektronlar esa N2 gazi ko‘rinishidagi azot molekulasining atomlari orasidagi bog‘lanishlarni uzib tashlaydi va muhitda ammiak hosil bo‘lishiga olib keladi.

Bu usul sinovlardan muvaffaqiyatli o‘tsa va amaliyotga tatbiq etilsa, ammiak ishlab chiqarishning ushbu yangi texnologik usuli energiya tejamkorligi nuqtayi nazaridan sohada katta istiqbollarni ochishi kerak. Natijada, bir tonna ammiak olish uchun sarflanayotgan energiya miqdorining keskin kamayishi ortidan atmosferaga tashlanadigan uglerod dioksidi gazining miqdori kamaytirilishiga ham erishilishi mumkin (Aytgancha, butun dunyo bo‘yicha ammiak zavodlari, atmosferaga chiqarilayotgan CO2 gazining, taxminan, ≈3 foizining ulushini tashlar ekan).

Qolaversa, u orqali metanning yoqilg‘i sifatida emas, balki faqat xomashyo sifatida ishlatilishiga o‘tilishi mumkin (bu esa yuqori qo‘shilgan qiymatga ega tayyor mahsulotlar ishlab chiqarilishiga yo‘naltirilishi mumkin). Bularning hammasi o‘z navbatida ikki taraflama katta foyda keltirishi kutilmoqda: birinchidan, oziq-ovqat xavfsizligi borasida arzon mineral o‘g‘itlar ishlab chiqarishi yo‘lga qo‘yilishi bilan katta samara bersa, ikkinchidan, “Gaber jarayoni”ning ekologik ko‘rsatkichlarini ham ancha yaxshilashi tayin Oddiy moddalardan ammiak sintez qilish nazariyasi ancha murakkab. Bu yerda jarayonning kimyoviy muvozanatni siljitish prinsipiga asoslangan optimal sharoitlarigina ko'rsatib o'tiladi.

Bu reaksiya ekzotermik bo'lganligi uchun temperaturaning pasayishi muvozanatni ammiak hosil bo'lish tomoniga siljitadi. Lekin bunda reaksiyaning tezligi juda kamayib ketadi. Shu sababli ammiak sintezini 500—550 °C da katalizator ishtirokida olib borishga to'g'ri keladi. Katalizator to'g'ri reaksiyani ham, teskari reaksiyani ham bir xil darajada tezlashtirishi sababli temperaturaning ko'tarilishi muvozanatni boshlang'ich moddalar tomoniga siljitadi, bu esa sanoatda ammiak ishlab chiqarish uchun nomaqbuldir. Demak, muvozanatning siljish prinsiplariga muvofiq yuqori temperaturaning ta’siriga aks ta’sir ko'rsatish uchun bosimdan foydalanish zarur. Ammiak sintez qilish uchun 15 dan 100 MPa, gacha bosim ishlatiladi. Qanday bosimda foydalanishiga qarab, sintetik ammiak ishlab chiqarishning uch xil usuli bor: past bosimli (10—15 MPa), o'rtacha bosimli (25—30 MPa) va yuqori bosimli (50—100 MPa) usul. Bulardan eng ko'p tarqalgani o'rtacha bosimli usuldir.

Zararli qo'shimchalar: vodorod sulfid, uglerod (II) oksid, suv va b. ammiak hosil bo'lish tezligiga salbiy ta’sir etadi. Ular katalizatorning aktivligini pasaytiradi. Shu sababli azot-vodorod aralashmasi qo'shimchalardan, ayniqsa oltingugurtli birikmalardan yaxshilab tozalanadi.

Lekin, shunday sharoitlarda ham azot-vodorod aralashmasining faqat bir qismigina ammiakka aylanadi. Boshlang'ich moddalardan ancha to'liq foydalanish uchun hosil bo'lgan ammiak past temperatura ta’sirida suyuqlikka aylantiriladi, azot-vodorod aralashmasining reaksiyaga kirishmagan qismi qaytadan reaktorga yuboriladi.

Reaksiyaga kirishmagan moddalar reaksiya mahsulotlaridan ajratiladigan va yana foydalanish uchun qaytadan reaksion apparatga yuboriladigan texnologik jarayon sirkulatsiya jarayoni deyiladi.

Bunday sirkulatsiya tufayli azot-vodorod aralashmasidan foydalanish darajasi 95% ga yetkaziladi.

Ammiak sintezi atmosfera azotini bog'lashning juda muhim usulidir.

Sintetik ammiak ishlab chiqarish sxemasi 10.3- rasmda ko'rsatilgan. 3 hajm vodorod va 1 hajm azot aralashmasi kompressor 1 bilan so'riladi va zaruriy bosimga qadar siqiladi. So'ngra azot-vodorod aralashmasi moy ajratkich 2 ga (moy zarrachalarini yo'qotish uchun) va qidirilgan ko'mir to'ldirilgan filtr 3 ga o'tadi. Tozalangan aralashma katalizatorli (aluminiy, kaliy, kalsiy, kremniy oksidlari qo'shilgan g'ovak temir) kontakt apparati 4ga yuboriladi, bu yerda ammiak hosil bo'ladi:

3/2H2+l/2N2 <=> NH3 АЛР=—46 kJ/mol Ammiak (vodorod nitridi, formulasi NH 3) normal sharoitda rangsiz, o’tkir xarakterli hidga ega gazdir. Bu kimyo sanoatining eng muhim mahsulotlaridan biridir. Uning yillik dunyo ishlab chiqarishi 150 million tonnaga etadi. Asosan azotli o’g’itlar (ammiakli selitra va sulfat, karbamid), portlovchi moddalar va polimerlar, azot kislotasi, soda (ammiak usuli bilan) va boshqa kimyoviy mahsulotlar ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Suyuq ammiak erituvchi sifatida ishlatiladi.

Sovutish texnologiyasida u sovutgich sifatida ishlatiladi (R717).

Tibbiyotda ko’pincha ammiak deb ataladigan 10% ammiak eritmasi hushidan ketish (nafas olishni rag’batlantirish), qusishni qo’zg’atish, shuningdek tashqi tomondan – nevralgiya, miyozit, hasharotlar chaqishi va jarrohning qo’llarini antibakteriallarga qarshi ishlatiladi. Agar u noto’g’ri ishlatilsa, u qizilo’ngach va oshqozonni kuydirishi mumkin (suyultirilmagan eritma qabul qilinganda), nafas olishning refleksli tutilishi (yuqori konsentratsiyada nafas olish).

Ammiak ishlab chiqarish texnologiyasi + qanday qilib vl olish video

Ushbu yo’nalish doirasida bugungi kunda ko’plab kompaniyalar quyidagi texnologiyalarni ishlab chiqish va loyihalashtirishga kirishdilar:

Ortiqcha miqdorda ammiakni metanol ishlab chiqarishga o’tkazish.

Faol agregatlarni almashtirish uchun zamonaviy texnologiyalar asosida ishlab chiqarishni rivojlantirish.
Integratsiyalashgan ishlab chiqarishni yaratish va modernizatsiya qilish.
Rossiyada bir tonna ammiak ishlab chiqarish uchun o’rtacha 1200 nm³, Evropada 900 nm³ tabiiy gaz iste’mol qilinadi. Belorussiya «Grodno Azot» 1200 nm³ iste’mol qiladi, modernizatsiyadan so’ng iste’molni 876 nm³ ga kamaytirish kutilmoqda. Ukraina ishlab chiqaruvchilari 750 nm³ dan 1170 nm³ gacha iste’mol qiladilar. UHDE texnologiyasiga ko’ra, bir tonna uchun 6,7 – 7,4 Gkal energiya resurslari sarfi e’lon qilinadi.

Ammiak ishlab chiqarishning sanoat usuli vodorod va azotning bevosita o’zaro ta’siriga asoslangan: Bu Haber jarayoni deb ataladi (bu usulning fizik va kimyoviy asoslarini ishlab chiqqan nemis fizigi). Reaksiya issiqlik chiqishi va hajmning pasayishi bilan sodir bo’ladi. Shuning uchun Le Shatelier printsipiga asoslanib, reaktsiya mumkin bo’lgan eng past haroratlarda va yuqori bosim ostida amalga oshirilishi kerak, shunda muvozanat o’ng tomonga siljiydi. Ammo past haroratlarda reaktsiya tezligi o’zgarmaydi, yuqori haroratda esa teskari reaktsiya tezligi oshadi. Reaktsiyani juda yuqori bosimlarda o’tkazish uchun yuqori bosimga bardosh beradigan maxsus uskunalar yaratilishi va shuning uchun katta mablag’ sarflanishi kerak. Haber jarayonida har xil harorat va bosimdagi ammiakning rentabelligi (foizida) quyidagi ma’nolarga ega: Katalizatordan foydalanish (Al2O3 va K2O qo’shilgan temir) muvozanat holatiga erishishni tezlashtirishga imkon berdi. Qizig’i shundaki, ushbu rol uchun katalizator qidirishda 20 mingdan ortiq turli xil moddalar sinab ko’rildi.

harorat 500 °C;

350 atmosfera bosimi;
katalizator.
Bunday sharoitlarda ammiakning chiqishi 30% ga teng. Sanoat sharoitida aylanish printsipi qo’llaniladi, ammiak sovutish bilan chiqariladi va reaktivdagi azot va vodorod sintez ustuniga qaytariladi. Bu bosimning oshishi tufayli yuqori reaktsiya chiqishiga erishishdan ko’ra ko’proq iqtisodiy hisoblanadi. Uni laboratoriyada olish uchun ammoniy tuzlariga kuchli gidroksidi ta’sirini qo’llang:

NH4Cl + NaOH → NH3↑ + NaCl + H2O

Odatda, laboratoriya usulida ammiak xlorid aralashmasini so’ndirilgan ohak bilan qizdirib ammiak olinadi.

2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O

Ammiakni quritish uchun ohakning kostik natriy bilan aralashmasi orqali o’tkaziladi. Juda quruq ammiakni metall natriyni eritib, keyinchalik distillangan holda olinishi mumkin. Sanoat ishlab chiqarishida odatda quritish uchun changni yutish ustunlari ishlatiladi.