Файл: Эпштейн Д.А. Химия в промышленности учеб. пособие по факультатив. курсу для учащихся X классов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.06.2024
Просмотров: 116
Скачиваний: 1
азота в карбамиде была в несколько раз выше, чем в аммиач. ной селитре.
Какое количество аммиака может |
быть |
переработано в карбамид при ис |
|||||||
пользовании |
всего |
оксида |
углерода |
С 0 2 , которое |
получается |
на |
аммиачной |
||
38ВОДЄ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р е ш е п и е. На 0,85 |
т С 0 2 |
необходимо согласно уравнению:: |
|
||||||
|
|
2NH3 + СО, = (NH2 )2 СО + Н , 0 |
|
|
|||||
|
|
|
0,S5-34 |
|
п „ |
|
|
|
|
|
|
—' |
= 0 , 6 6 т |
аммиака |
|
|
|||
|
|
|
44 |
|
|
|
|
|
|
В карбамид может быть переработано 66%. аммиака. |
|
|
|||||||
Какие |
химические |
реакции |
протекают |
при синтезе |
карбами |
||||
да из аммиака |
и оксида углерода |
С02? |
Уравнение реакции по |
||||||
лучения карбамида из аммиака и оксида |
углерода |
(IV), извест |
|||||||
ное вам, суммарное: |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2NH3 |
+ С 0 2 = (NHa) 2 СО + Н 2 0 |
|
(Jf) |
||||
В действительности процесс значительно сложнее. При взаи модействии этих веществ образуется сначала карбамат аммония (аммонийная соль карбаминовой кислоты N H 2 — СООН):
|
2NH3 + С 0 2 = N H 2 |
— COONH4 +.' Q |
|
(2) |
||||||||
Карбамат |
аммония плавится |
при 152 °С. При нагревании он |
||||||||||
разлагается с образованием карбамида и воды |
(водного |
раство |
||||||||||
ра карбамида): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
N H 2 — COONH4 = N H 2 |
— СО — N H 2 |
+ Н 2 0 — Q |
(3) |
|||||||||
Положительный тепловой |
эффект реакции |
(2) |
значительно |
|||||||||
больше отрицательного теплового эффекта реакции |
(3), поэтому |
|||||||||||
в целом процесс |
идет |
с выделением тепла. |
|
|
|
|
||||||
Кроме этих двух реакций, протекают также реакции, веду |
||||||||||||
щие к образованию карбоната |
аммония, |
бикарбоната |
аммония |
|||||||||
.(составьте уравнения |
этих двух |
реакций) |
и другие, |
которые |
||||||||
можно пока не рассматривать. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Реакция |
(2) |
экзотермическая, |
гетерогенная, |
простая, обра |
||||||||
тимая. В |
каком |
направлении |
смещается |
равновесие |
(2) |
при по |
||||||
вышении |
температуры, |
давления? |
|
|
|
|
|
|
||||
Количественно о состоянии системы в равновесии при раз |
||||||||||||
личных температурах |
можно |
судить по давлению газа: |
|
|||||||||
. Температура, |
в °С |
20 |
|
|
50 |
98,5 |
130,2 |
152 |
||||
Давление, |
в |
ат |
0,117 |
|
0,658 |
|
8,42 |
38,4 |
83,3 |
|||
Следовательно, синтез карбамата аммония при повышенных температурах возможен лишь при высоких давлениях. Повышать же температуру необходимо потому, что скорость реакции при
78
обычной температуре мала и растет с повышением температуры. Скорость реакции приблизительно пропорциональна квадрату давления. При 150 °С и 100 ат реакция протекает почти мгно-' венно.
Реакция (3) эндотермическая, простая, обратимая, идет с измеримой скоростью только после перехода карбамата аммо*
ния в жидкую |
фазу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
В |
|
каком |
направлении |
'смещается |
равновесие |
(3) |
с |
повыше |
||||||||||
нием |
температуры, |
давления? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Приводим количественные данные о влиянии температуры на |
||||||||||||||||||
равновесный выход карбамида: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Температура, в |
°С |
|
|
|
145 |
|
160 |
180 |
- |
200 |
|
|
|||||
|
Выход карбамида, в |
% |
|
|
44 |
|
|
48 |
50 |
|
63 |
|
|
|||||
Увеличится |
ли |
степень |
превращения |
оксида углерода |
С02 |
в |
||||||||||||
карбамид, |
если |
вести реакцию |
в |
присутствии избыточного |
коли* |
|||||||||||||
чества |
аммиака, |
т. е. |
если |
в |
исходной смеси |
содержится |
не |
|||||||||||
2 моль |
N H 3 |
на |
1 моль |
С 0 2 , |
а больше? |
При |
155°С и 200 |
ат вы |
||||||||||
ход карбамида из карбамата аммония |
растет |
с увеличением |
||||||||||||||||
избытка аммиака |
следующим |
образом: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Избыток |
аммиака, в |
% |
|
пет |
45,2 |
76,5 |
96 |
173 |
280 |
|
|||||||
|
Выход |
карбамида, в |
% |
|
43,5 |
58,5 |
67,0 |
70,6 |
80,2 |
81,2 |
|
|||||||
В |
данном случае |
влияет на смещение равновесия также и |
||||||||||||||||
связывание |
аммиаком |
продукта реакции — воды. |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
§ |
5. Оптимальные условия |
синтеза |
карбамида |
|
|
|||||||||||
Мы рассмотрели отдельно две реакции: образование карба мата аммония и его дегидратацию. При синтезе карбамида об» разующийся карбамат аммония немедленно дегидратируется. Как вы видели, реакция (3) характеризуется неблагоприятным положением равновесия — нет возможности полностью превра тить исходные вещества в конечный продукт за один проход че рез реактор. Пользуясь выведенными ранее закономерностями управления реакциями I I I класса, можно сделать вывод, что целесообразнее использовать процесс циркуляции. Именно такая схема процесса реализована на большинстве современных про изводств (рис. 23).
Ранее были разработаны и применялись процессы без цирку
ляции |
реагентов в |
замкнутом цикле. Как на установках |
без |
||
замкнутого |
цикла |
использовать непрореагировавший |
аммиак?, |
||
Нужно |
ли |
добиваться равновесного выхода карбамида |
на |
уста' |
|
новках |
с замкнутым |
циклом? Пользуясь известными закономер* |
|||
ностями, вы можете обосновать, что в этом нет необходимости. Время реакции ограничивают 0,5—1 я для обеспечения высокой производительности реакторов — колонн синтеза мочевины. Кон-
79
Десорбер
Раг.тРіпо карбамида
Рис. 23. Схема синтеза карбамида.
центрации «инертных» примесей в сырье (такие примеси по ступают с СОг) должны быть минимальными (почему?).
Выбор оптимальной температуры. При повышении темпера туры равновесие дегидратации смещается в благоприятную сторону. Скорость обеих реакций растет с повышением темпера туры. Поэтому желательно поддерживать (главным образом за счет теплоты реакции) температуру 180—200 °С, при которой не протекают другие реакции, кроме основных.
Выбор давления. Из физико-химической характеристики ре акций следует, что, выбрав температуру, мы тем самым одно временно выбираем и давление — при температуре 180—200 °С необходимо поддерживать давление примерно 200 ат для смеще
ния равновесия и увеличения |
скорости |
реакции. |
|
|||||||
Выбор |
соотношения |
исходных |
реагентов. |
Из физико-химиче |
||||||
ской |
характеристики |
реакции |
|
(3) следует, |
что целесообразнее |
|||||
работать с избытком аммиака. Практически |
работают |
с отноше |
||||||||
нием |
N H 3 : СО2 = 4. |
|
|
|
|
|
|
|
||
При выбранных оптимальных условиях выход карбамида в |
||||||||||
расчете |
на С 0 2 |
за |
один проход через |
реактор |
составляет |
|||||
60—70%. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассчитаем, какое |
количество |
аммиака |
и оксида |
углерода |
||||||
С 0 2 |
расходуется |
для |
получения |
мочевины, |
если практический |
|||||
выход равен 93%. |
|
|
|
|
|
|
1 m карбамида: |
|||
Стехиометрический |
расход |
|
аммиака |
на |
||||||
|
|
|
2 • 17 • 1000 |
= |
_ с с _ |
кг |
|
|
||
|
|
|
• |
60 |
|
566,7 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
' |
|
|
|
|
Стехиометрический |
расход С 0 2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
•44-1000 = |
733,3 кг |
|
|
|||
С учетом потерь расход аммиака со ставляет:
566,7- 1,07 = 606,4 кг. Расход оксида углерода С 0 2 :
733,3-1,07 = 784,6 кг
Устройство колонны синтеза мочеви ны. Так же как и колонна синтеза ам миака, это—толстостенный цилиндриче ский сосуд. В результате длительных по исков найдены стали, стойкие в данной реакционной среде. Они содержат хром, никель и молибден. Ими футеруют кор пус колонны, изготовляемый из углеро дистой стали. В колонну снизу вводят жидкий аммиак, как свежий, так и цир кулирующий,' оксид углерода С 0 2 и цир кулирующий водный раствор солей. Для лучшего перемешивания реагентов в ко лонне устанавливают горизонтальные перегородки с отверстиями. Колонна про изводительностью 250 m мочевины в сут ки имеет диаметр 1,5 м и высоту 24 м (рис. 24); проектируют колонны произ водительностью 800 m в сутки.
Из колонны синтеза |
выходит |
смесь |
|
веществ, |
содержащая |
карбамид, |
воду, |
«арбамат |
и непрореагировавшие |
газы. |
|
Чтобы их разделить и получить водный раствор карбамида, нужно понизить дав ление. Благодаря этому равновесие реак
ции |
(2) сместится в сторону образова |
ния |
аммиака и оксида углерода СО2. |
Чтобы завершить этот процесс и удалить избыточный аммиак, необходимо подо греть смесь. Жидкая фаза представляет •собой 70-процентный раствор карбамида в воде. Его упаривают до концентрации 99,8% CO(NH 2 ) 2 и гранулируют.
Вопросы и задания
^3
§ •
со
t
Штуцер для' термопары
1. Какими свойствами должны обладать в |
|
|
||||
настоящее время |
минеральные удобрения? |
|
|
|
||
2. Сравните |
жидкие |
азотные |
удобрения |
— |
• |
|
•аммиак и аммиачную воду. |
|
|
|
|
||
3. К какому |
классу |
производственных реак |
Газожидхостная |
|||
ции относится образование нитрата |
аммония |
из |
|
смеем |
||
аммиака и азотной кислоты? |
|
|
|
|||
|
|
Рис. 24. |
Колонна синте |
|||
4. Почему аммиачная селитра слеживается при |
||||||
хранении? |
|
|
|
|
за |
карбамида. |
6 Зак . 1345 .