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合成氨的方法和流程 氨水的化學式

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氨是由什么組成的?氨是一種無機化合物 ， 由下列元素組成:氫和氮 。氨水中氮與氫的比例為1:3 ， 氨的分子式為NH3 。


氨在工業生產之前就已經存在了;它是一種自然存在的化合物 ， 是由土壤中的一些細菌捕獲空氣中的氮并將其轉化為氨而形成的 。氨是通過生物分解產生的 ， 比如枯萎的植物和腐爛的動物 。在工業過程發展之前 ， 氨的主要來源是有機物 。
合成氨概述 氨合成是由氫氣和氮氣結合生產氨的過程 。生產出來的大部分氨被用作肥料 ， 盡管它也可以用于其他用途 ， 比如制造炸藥 。這一過程是20世紀初在德國發展起來的 。
大氣中充滿了氮氣 ， 但它是不活潑的 ， 通常不與其他元素結合 。制取氨的基本策略 ， NH3 ， 是在高溫高壓下 ， 將氫氣H2和氮氣N2結合 。從化學上講 ， 這是一個困難的反應 ， 因此需要一種試劑來加速這個過程 。
20世紀初 ， 德國發明了氨合成技術 。
催化劑是一種使反應進行得更快的化合物 。在氨合成中 ， 使用的催化劑一般是鐵 。使用的鐵是還原磁鐵礦 。還有其他化學物質可以用作催化劑 ， 但鐵是最常見的 。
氫氣的來源通常是天然氣 ， 也稱為甲烷 ， CH4 。介紹了氨合成的基本工藝 。在合成氨廠還有許多其他步驟 。硫化合物首先通過與氧化鋅反應從天然氣中除去 ， 氧化鋅轉化為硫化鋅 。這就剩下了游離的甲烷 ， 甲烷再經過幾次轉化生成氫氣 。
使用的溫度約為400°C ， 使用的壓力小于最佳的反應 。出于安全考慮 ， 使用的壓力約為200個大氣壓 。在此條件下 ， 產率約為10-20% 。當混合物離開反應堆時 ， 它被冷卻 ， 這樣氨就會變成液體 。熱量被捕獲并重新用于加熱進入的氣體 。
這種氨合成方法被稱為哈伯法 ， 因為它是由德國化學家弗里茨·哈伯發明的 ， 他開發了化學反應的條件 。20世紀初 ， 他在含氮化肥短缺的情況下研制出了氨 。當時德國需要為第一次世界大戰制造炸藥 。目前 ， 全世界都在大規模生產氨 。
另一種制備反應所需氫的方法是電解水 。電解利用電來分解化合物 。在這種情況下 ， 水被分解成氫和氧 。這已經與水力發電廠的電力生產結合起來了 。早在1911年 ， 電解水就被用來為合成氨提供氫氣 。
有些微生物能夠利用空氣中的氮氣生產氨 。這個過程叫做固氮 。在這種情況下 ， 催化劑是稱為固氮酶的復合酶 。進行這一過程的細菌生活在豆科植物的根部 ， 如豌豆 。固氮顯著改善了許多土壤的養分狀況 。
合成氨流程

氫的制備 如前所述 ， 氨是一種無機分子 ， 由三個氫和一個氮組成 。氫是氨中的主要元素之一 。問題是 ， 氫分子是如何分離和得到的? 傳統的制氫方法有兩種 ， 分別是電解水和甲烷與蒸汽的反應 。
水的電解
電解水是利用電流將水分子分解為氫分子和氧分子的方法 。很簡單 ， 水分子被分解成氧和氫 。這種生產方法使用電解槽 ， 電解槽是由電解液、陽極和陰極組成的單元 。每個電解槽都有獨特的功能 ， 但最終 ， 它們都提供了相同的結果——水分子的分解 。
在聚合物電解質膜電解槽(PEM)中 ， 采用塑料固體作為電解液 。本單元的內容如下:
水在陽極形成質子(帶正電的氫離子)和氧 。
質子到達陰極(氧氣留在陽極) 。
陽極產生的電子通過一個外部電路傳到陰極 。
質子和電子在陰極上結合形成氫氣 。
陽極和陰極上的反應 。
2H?O → O? + 4H+ + 4e-
4H+ + 4e- → 2H?
電解水的優點有:

  • 【合成氨的方法和流程 氨水的化學式】主要的材料 ， 水 ， 是豐富的 ， 而且非常便宜 。
  • 產生的氫氣是純凈的 。
  • 質子的高選擇性(氧不會到達陰極) 。
電解水的缺點是:
  • 電解廠排放的廢水量令人擔憂 。
  • 這些電廠的能源消耗和需求很大 。
甲烷與蒸汽的反應
這種生產方法是將最簡單的烴類甲烷CH4 與溫度從700度到1000度的熱水蒸汽反應而成 。這個過程發生在非常高的壓力下 ， 在300kPa到2500kPa的范圍內 。反應如下:
CH4 + H_2O + 熱量——CO + 3H2
水蒸氣和甲烷之間的反應也會產生少量的二氧化碳 。這個反應吸熱性很強;它需要大量的熱量才能發生 。一氧化碳被收集起來 ， 在鎳或鉑等催化劑的存在下與水蒸氣發生反應 。產生的產物是二氧化碳和更多的氫 。
CO + H2O ——CO2 + H2
這種氣體混合物經過一個稱為變壓吸附的過程 ， 這是一種利用壓力來分離氣體混合物成分的分離技術 。氫氣被從其他雜質中分離出來 ， 然后收集起來 。
甲烷與蒸汽反應的優點是:
  • 氫氣的產率非常高 。
  • 這種方法重新利用產生的一氧化碳來制造更多的氫氣 。
  • 甲烷與蒸汽反應的缺點是:
  • 吸熱反應的發生需要過量的能量 。
  • 這個過程發生在極端條件下(高溫和高壓);而且極端的條件是昂貴的 。
  • 該過程使用昂貴的催化劑 。
氮的制備 氮是氨中的主要元素之一 。它可以通過液態空氣的分餾或甲烷與空氣的反應得到 。
液體空氣的分餾
壓縮空氣和所有氣體(氮氣和氧氣除外)被過濾掉 。將純空氣混合物的溫度設定在氧和氮的液化點以下即可液化 。液氮通過分餾從液態空氣混合物中分離出來 。由于氮的沸點低于氧 ， 氮的占比上升 ， 而氧留在底部 。
液氣分餾的優點有:
  • 與常規蒸餾塔相比 ， 分餾法有更多的理論塔板 ， 這使得分餾法在分離氣體混合物時非常有效 。
  • 提取的氮氣非常純凈 。
  • 液氣分餾的缺點有:
  • 分餾是非常昂貴的 。
  • 需要大量的能量 。
甲烷與空氣的反應 甲烷與空氣的反應是放熱燃燒反應 。甲烷與空氣中的氧氣發生反應 ， 氧氣約占空氣的21% 。剩下的79%的空氣是由氮組成的 。當甲烷與空氣反應時 ， 它被氧化成二氧化碳 。惰性的氮;它不參與反應 。
CH4 +空氣 ——CO2 + H2O + N2
產品混合物可以經過一個分離步驟 ， 其中氮被收獲并從水和二氧化碳中分離出來 。
甲烷與空氣反應的優點:
  • 燃燒反應是放熱的 ， 不需要像其他方法一樣多的能量 。
  • 這個過程比其他方法更便宜 。
甲烷與空氣反應的缺點:
    碳產物的形成可能對環境造成潛在危害 。
    氮的純度取決于產物分離步驟的效率 。
氫氣和氮氣生成氨

反應塔中的化學合成
3 H 2 + N 2 ? 2 NH 3 ?
氨合成是一種放熱反應（負焓變） ， 它在低溫下自發發生（負熵變） 。盡管它在室溫下是有利的 ， 但在室溫下發生的反應的反應速率太慢而不能應用于工業規模 。為了提高反應動力學以達到目標轉化率 ， 需要高壓和高溫 。為了有效地從其主要成分（氫氣和氮氣）合成氨 ， 反應應在鐵基催化劑的輔助下分別在 400-500 ℃和 10-30 MPa 的較高溫度和壓力下進行 。由于三鍵氮的高解離能 (941 kJ/mol) ， 需要此條件 。
冷卻
由于氨的合成反應是一個放熱過程 ， 為了得到液氨 ， 需要將化學合成得到的氨氣冷卻處理 。
氨的分離 ， 以及氫氮的回收
當氣體離開反應器時 ， 它們是熱的并且處于非常高的壓力下 。只要氨不太熱 ， 在壓力下很容易液化 ， 因此混合物的溫度降低到足以使氨變成液體 。即使在這些高壓下 ， 氮和氫仍以氣體形式存在 ， 并且可以循環使用 。
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