У промисловості аміак синтезують із простих речовин азоту N2 і водню Н2:
За яких умов здійснюється цей синтез, можна дізнатись з рівняння реакції. Але для виробництва цього замало, бо основним завданням є не просто добути аміак, а добути його найбільш економічним способом. Для цього необхідно з'ясувати оптимальні умови синтезу, тобто такі, за яких досягається найбільший вихід аміаку і процес здійснюється з великою швидкістю.
Звернімося до рівняння реакції. Що з нього видно?
Ми бачимо, що: 1) ця реакція є оборотною, отже, до кінця не доходить, у процесі реакції встановлюється хімічна рівновага; 2) реакція відбувається між газами зі зменшенням об'єму; 3) реакція екзотермічна, відбувається з виділенням теплоти.
Як же керувати такою реакцією, пам'ятаючи, що виробництво аміаку має бути економічно вигідним?
Згадаємо теорію, а саме — принцип Лe Шательє: якщо система перебуває у стані рівновага, то в процесі дії на неї сил, що викликають зсув рівноваги, система переходить у такий стан, в якому ефект цього впливу послаблюється.
Виходячи з принципу Ле Шательє, розмірковуємо так: якщо реакція екзотермічна, то треба знизити температуру, щоб аміак не розклався. Але зі зниженням температуришвидкість реакції зменшиться. Це нібито не страшно, бо можна використати каталізатор. Проте відомо, що каталізатор виявляє свою активність лише із-нагріванням до певної температури. Отже, знижувати температуру можна, але тільки до певної межі.
Далі звертаємо увагу, що реакція між газами відбувається зі зменшенням об'єму. Цс означає, що рівновага зміщуватиметься у бік утворення аміаку за умови підвищеного тиску. Проте навіть за дуже високого тиску зв'язати весь азот і водень не вдається, а застосування високих тисків спричинює збільшення вартості обладнання і збільшення витрат енергії на стиснення газової суміші.
Виходячи з обговорення умов процесу, робимо висновок, що для синтезу аміаку треба:
а) застосувати невеликий тиск (30 МПа), який дає змогу змістити рівновагу в бік утворення аміаку;
б) використати каталізатор (губчасте залізо з домішками А1203 і К20);
в) підвищити температуру (до 450—550 °С).
Такі умови вважаються оптимальними для економічно доцільного синтезу аміаку.
Реакція відбувається в колоні синтезу (див. форзац). Колона синтезу складається з теплообмінника (нижня частина) і каталізаторної коробки (верхня частина), діаметр якої дещо менший, ніж внутрішній діаметр корпусу колони. Отже, між каталізаторною коробкою і корпусом утворюється щілина. Холодна суміш азоту з воднем надходить у колону через цю щілину і запобігає перегріванню корпусу. Газова суміш іде донизу, проходить між гарячими трубками теплообмінника, нагрівається і потрапляє до каталізаторної коробки. Тут, на каталізаторі, відбувається синтез аміаку. При цьому виділяється багато теплоти. Гаряча суміш аміаку, азоту й водню надходить у трубки теплообмінника, тому вони гарячі. Відбувається теплообмін, теплота реакції утилізується — це один з важливих принципів сучасного виробництва.
Газ, що виходить з колони синтезу, містить 12—15 % аміаку. В такому разі не зрозуміло, чому синтез вважається економічно доцільним. Річ у тім, що далі в процесі виробництва використовують принцип циркуляції, за яким азот і водень, що не прореагували, відокремлюються від зрідженого аміаку і знову повертаються в колону синтезу. Завдякипринципу циркуляції на сучасних заводах вихід аміаку становить 96—98 %.
В Україні перший завод з виробництва синтетичного аміаку став до ладу у 1933 р. в Горлівці Донецької області. Пізніїпе з'явилися заводи у Дніпродзержинську (1938), Сіверськодонецьку (1958), Черкасах (1962), Рівному (1965) тощо. Нині триває робота з дальшого вдосконалення технології аміачного виробництва.
Завдання для самоконтролю
84. Які хімічні процеси лежать в основі лабораторного і промислового способів добування аміаку?
85. Назвіть оптимальні умови промислового синтезу аміаку. Як вони узгоджуються з принципом Ле Шательє? Дайте обгрунтовану відповідь, виходячи з рівняння реакції.
86. За кольоровим малюнком на форзаці спробуйте пояснити призначення кожного з апаратів технологічної схеми виробництва аміаку. Поясніть принцип дії колони синтезу.
87. Корпус колони синтезу аміаку зроблено із сталі. Відомо, що за високої температури і високого тиску водень і аміак руйнують сталь. Яке інженерне рішення дає змогу захистити колону від хімічного руйнування?
88. Який об'єм водню (н. у.) необхідний для виробництва аміаку масою 5 т, якщо вихід аміаку завдяки використанню циркуляції становить 95 %1
