液氨是怎么生产的

氨是由什么组成的?氨是一种无机化合物,由下列元素组成:氢和氮。氨水中氮和氢的比例是1:3,氨的分子式是NH3。

液氨是怎么生产的

氨在工业生产之前就存在了;它是一种天然存在的化合物,由土壤中的一些细菌捕获空气体中的氮并将其转化为氨而形成。氨是由生物分解产生的,比如枯萎的植物和腐烂的动物。在工业过程发展之前,氨的主要来源是有机物。

合成氨概述

氨合成是氢和氮结合产生氨的过程。产生的大部分氨被用作肥料,尽管它也可以用于其他目的,如制造炸药。这个过程是20世纪初在德国发展起来的。

大气中充满了氮,但它是惰性的,通常不与其他元素结合。制造氨NH3的基本策略是在高温高压下将氢H2与氮N2结合。从化学上讲,这是一个困难的反应,所以需要一种试剂来加速这个过程。

20世纪初,德国发明了氨合成技术。

催化剂是一种使反应进行得更快的化合物。在氨合成中,使用的催化剂通常是铁。所用的铁是还原磁铁矿。还有其他化学物质可以用作催化剂,但铁是最常见的。

氢气的来源通常是天然气,也称为甲烷和CH4。介绍了氨合成的基本工艺。合成氨厂还有很多其他步骤。含硫化合物首先通过与氧化锌反应从天然气中去除,氧化锌转化为硫化锌。这就留下了游离的甲烷,它被转化几次以产生氢气。

使用的温度约为400 ℃,使用的压力低于最佳反应。出于安全原因,使用的压力约为200个大气压。在此条件下,产率约为10-20%。当混合物离开反应器时,它被冷却,因此氨将变成液体。热量被捕获并重新用于加热进入的气体。

这种氨合成法被称为哈伯法,因为它是由德国化学家弗里茨·哈伯发明的,他发展了化学反应的条件。20世纪初,他在没有氮肥的情况下发明了氨。当时德国需要为一战制造炸药,目前世界各地都在大规模生产氨。

另一种为反应准备氢气的方法是电解水。电解用电来分解化合物。在这种情况下,水分解成氢和氧。这与水力发电厂的电力生产相结合。早在1911年,电解水就被用来为合成氨提供氢气。

一些微生物可以利用空气体中的氮气产生氨。这个过程叫做固氮。在这种情况下,催化剂是一种叫做固氮酶的复合酶。执行这一过程的细菌生活在豆科植物的根部,如豌豆。固氮显著改善了许多土壤的养分状况。

合成氨流程氢的制备

如前所述,氨是由三个氢原子和一个氮原子组成的无机分子。氢是氨的主要元素之一。问题是,氢分子是如何分离获得的?有两种传统的制氢方法,即电解水和甲烷与蒸汽的反应。

水的电解

电解水是利用电流将水分子分解成氢分子和氧分子的方法。很简单,水分子被分解成氧和氢。这种生产方法使用电解池,电解池是由电解质、阳极和阴极组成的单元。每个电解槽都有独特的功能,但最终,它们都提供了相同的结果——水分子的分解。

在聚合物电解质膜电解槽(PEM)中,塑料固体被用作电解质。本模块的内容如下:

水在阳极形成质子(带正电荷的氢离子)和氧气。

质子到达阴极(氧气停留在阳极)。

阳极产生的电子通过外部电路传输到阴极。

质子和电子在阴极结合形成氢。

阳极和阴极上的反应。

2H₂O → O₂ + 4H+ + 4e-

4H+ + 4e- → 2H₂

电解水的优点是:

主要的材料,水,是丰富的,而且非常便宜。产生的氢气是纯净的。质子的高选择性(氧不会到达阴极)。

电解水的缺点是:

电解厂排放的废水量令人担忧。这些电厂的能源消耗和需求很大。

甲烷与蒸汽的反应

这种生产方法是由最简单的碳氢化合物甲烷CH4与700-1000度的热水蒸汽反应而成。这个过程发生在非常高的压力下,从300千帕到2500千帕。反应如下:

CH4+H2O+热-Co+3H2

水蒸气和甲烷的反应也会产生少量的二氧化碳。这个反应非常吸热;它需要大量的热量才能发生。一氧化碳被收集并在催化剂如镍或铂的存在下与水蒸气反应。产生的产物是二氧化碳和更多的氢气。

一氧化碳+ H2O——二氧化碳+H2

这种气体混合物经过一个称为变压吸附的过程,变压吸附是一种利用压力分离气体混合物成分的分离技术。氢从其他杂质中分离出来,然后被收集。

甲烷与蒸汽反应的优点是:

氢气的产率非常高。这种方法重新利用产生的一氧化碳来制造更多的氢气。甲烷与蒸汽反应的缺点是:吸热反应的发生需要过量的能量。这个过程发生在极端条件下(高温和高压);而且极端的条件是昂贵的。该过程使用昂贵的催化剂。氮的制备

氮是氨的主要元素之一。它可以通过液体空气体的分馏或甲烷与空气体的反应获得。

液态空气体的分馏

压缩空气体和所有气体(除了氮气和氧气)被过滤掉。纯空气体混合物可以通过将温度设定在低于氧和氮的液化点来液化。通过分馏从液体空气体混合物中分离出液氮。由于氮气的沸点比氧气低,所以氮气的比例上升,而氧气停留在底部。

液气分馏的优点是:

与常规蒸馏塔相比,分馏法有更多的理论塔板,这使得分馏法在分离气体混合物时非常有效。提取的氮气非常纯净。液气分馏的缺点有:分馏是非常昂贵的。需要大量的能量。甲烷与空气的反应

甲烷与空气体的反应是放热燃烧反应。甲烷与空气体中的氧气发生反应,氧气约占空气体的21%。剩余的79% 空气体由氮气组成。甲烷与空气体反应时,被氧化成二氧化碳。惰性氮气;它不参与反应。

CH4 +空气体-CO2+H2O+N2

产物混合物可以经过分离步骤,在该步骤中,氮被收获并与水和二氧化碳分离。

甲烷与空气体反应的优点:

燃烧反应是放热的,不需要像其他方法一样多的能量。这个过程比其他方法更便宜。

甲烷与空气体反应的缺点:

碳产物的形成可能对环境造成潜在危害。氮的纯度取决于产物分离步骤的效率。氢气和氮气生成氨

反应塔中的化学合成

⇋·2·NH 3

氨合成是放热反应(负焓变),在低温下自发发生(负熵变)。尽管在室温下是有利的,但是在室温下发生的反应的反应速率太慢,不能应用于工业规模。为了改善反应动力学并达到目标转化率,需要高压和高温。为了有效地从氨的主要成分(氢气和氮气)合成氨,反应应该在铁基催化剂的帮助下在分别为400-500℃和10-30 MPa的较高温度和压力下进行。因为三键氮的高离解能(941 kJ/mol ),所以需要这个条件。

凉爽的

因为氨的合成反应是一个放热过程,为了得到液氨,需要对化学合成得到的氨进行冷却。

氨的分离以及氢和氮的回收。

当气体离开反应堆时,它们是热的,处于非常高的压力下。氨只要不太热,在压力下很容易液化,所以把混合物的温度降低到足以使氨变成液体。即使在这样的高压下,氮气和氢气仍然以气体的形式存在,并且可以被回收。

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