10.1. Проблема связанного азота

Проблема производства аммиака тесно связана с более широким вопро­сом – проблемой «связанного» азота.

Известно, что соединения азота имеют огромное значение для различ­ных отраслей промышленности и сельского хозяйства. Промышленность ис­поль­зует их для производства азотной кислоты, полимеров, взрывчатых ве­ществ, ракетных топлив, красителей, лекарственных препаратов. Сельскому хозяйству необходимы азотные удобрения.

Азот принадлежит к широко распространенным элементам, но основ­ное его количество находится в свободном состоянии в атмосфере Земли, где его доля составляет 78 %. Кларк азота в земной коре равен всего 0,04 %.

Азот является незаменимым элементом для существования жизни на Земле. В составе живой клетки его доля равна 12–19 %.

Промышленные месторождения связанного азота известны в ограни-чен­ном количестве. Единственные в мире крупные месторождения натриевой и калиевой селитр (NaNO₃ и KNO₃) находятся в Чили. Hеудиви­тельно, что взоры ученых давно были обращены на возможность фиксации атмосфер­но­го азота, энергия диссоциации которого состав­ля­ет 940,5 кДж/моль. Азот – одно из самых устойчивых химических соединений.

В настоящее время известны три основных способа связывания азота из воздуха.

10.1.1. Цианамидный способ протекает при температуре 1000 ^оС:

СаС₂ + N₂ = CaCN₂ + C + 301,5 кДж/моль 10.1)

и далее

СаСN₂ +3H₂O = CaCO₃ + 2NH₃ . (10.2)

Однако этот метод очень энергоемкий (10⁴ кВт ч/т) и поэтому не получил широкого распространения.

10.1.2. Плазменный способ связывания азота основан на прямом вза­имодействии N₂ и О₂ в условиях низкотемпературной плазмы (более 2200 К).

N₂ + O₂ = 2NO – 179,2 кДж/моль. (10.3)

В природе такой процесс наблюдается при грозовых разрядах.

Первый завод по этой технологии был пущен в 1904 г. В этом процессе атмосферный воздух пропускался через пламя электрической дуги. Из-за вы­сокого расхода энергии и низкого выхода оксида азота (II) (менее 5 %) этот метод надолго был забыт.

Однако в последние десятилетия интерес к этому способу вновь возро­дился в виде плазмохимического процесса, осуществляемого в низкотем­пера­турной воздушной плазме, с помощью новейших устройств – плазмотронов. Процесс протекает при 5000–10000 ^оС, давлении 2 МПа и времени контакта 10^–4 с, что обеспечивает довольно высокую производительность установки. А комбинирование плазменной установки с магнитогидродинамическим ге­не­ратором (МГД) позволит использовать вторичные энергоресурсы и обес­пе­чи­вать возврат энергии.

10.1.3. Аммиачный метод связывания азота ранее считался наименее перспективным, но в настоящее время получил почти исключительное рас­пространение. Процесс описывается следующей химической реакцией:

N₂ +3H₂ 2NH₃. (10.4)

В основу технологии получения аммиака синтезом азота с водородом легли многолетние исследования таких выдающихся ученых, как Оствальд, Нернст, Габер, Бош, Ле-Шателье и др. Последние трое получили Нобелев­скую премию по химии за промышленное освоение и разработку процесса синтеза аммиака из азота и водорода.

Аммиачный метод в 2,5 раза менее энергоемкий, чем цианамидный и в 15 раз – чем дуговой.

Аммиак является важнейшим соединением азота и его промышленное производство является самым многотоннажным из всех азотсодержащих веществ. Разнообразие областей его использования иллюстрирует рис. 10.1.

Карбамид Жидкие минераль- Нитрат аммония Сульфат аммония

ные удобрения

Аммофос Карбонат аммония

АММИАК

Гербициды Мочевиноальдегид- ные ВМС

А зотная Полиуретаны Полиамиды Полиакрилонитрил кислота

Рис. 10.1. Области применения аммиака