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 。氨水中氮与氢的比例为1:3 ， 氨的分子式为NH3 。
氨在工业生产之前就已经存在了;它是一种自然存在的化合物 ， 是由土壤中的一些细菌捕获空气中的氮并将其转化为氨而形成的 。氨是通过生物分解产生的 ， 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 氨合成是由氢气和氮气结合生产氨的过程 。生产出来的大部分氨被用作肥料 ， 尽管它也可以用于其他用途 ， 比如制造炸药 。这一过程是20世纪初在德国发展起来的 。
大气中充满了氮气 ， 但它是不活泼的 ， 通常不与其他元素结合 。制取氨的基本策略 ， NH3 ， 是在高温高压下 ， 将氢气H2和氮气N2结合 。从化学上讲 ， 这是一个困难的反应 ， 因此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 ， 使用的催化剂一般是铁 。使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 ， CH4 。介绍了氨合成的基本工艺 。在合成氨厂还有许多其他步骤 。硫化合物首先通过与氧化锌反应从天然气中除去 ， 氧化锌转化为硫化锌 。这就剩下了游离的甲烷 ， 甲烷再经过几次转化生成氢气 。
使用的温度约为400°C ， 使用的压力小于最佳的反应 。出于安全考虑 ， 使用的压力约为200个大气压 。在此条件下 ， 产率约为10-20% 。当混合物离开反应堆时 ， 它被冷却 ， 这样氨就会变成液体 。热量被捕获并重新用于加热进入的气体 。
这种氨合成方法被称为哈伯法 ， 因为它是由德国化学家弗里茨·哈伯发明的 ， 他开发了化学反应的条件 。20世纪初 ， 他在含氮化肥短缺的情况下研制出了氨 。当时德国需要为第一次世界大战制造炸药 。目前 ， 全世界都在大规模生产氨 。
另一种制备反应所需氢的方法是电解水 。电解利用电来分解化合物 。在这种情况下 ， 水被分解成氢和氧 。这已经与水力发电厂的电力生产结合起来了 。早在1911年 ， 电解水就被用来为合成氨提供氢气 。
有些微生物能够利用空气中的氮气生产氨 。这个过程叫做固氮 。在这种情况下 ， 催化剂是称为固氮酶的复合酶 。进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 ， 氨是一种无机分子 ， 由三个氢和一个氮组成 。氢是氨中的主要元素之一 。问题是 ， 氢分子是如何分离和得到的? 传统的制氢方法有两种 ， 分别是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为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槽 ， 电解槽是由电解液、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 ， 采用塑料固体作为电解液 。本单元的内容如下:
水在阳极形成质子(带正电的氢离子)和氧 。
质子到达阴极(氧气留在阳极) 。
阳极产生的电子通过一个外部电路传到阴极 。
质子和电子在阴极上结合形成氢气 。
阳极和阴极上的反应 。
2H?O → O? + 4H+ + 4e-
4H+ + 4e- → 2H?
电解水的优点有:
- 【合成氨的方法和流程 氨水的化学式】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 。
这种生产方法是将最简单的烃类甲烷CH4 与温度从700度到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 ， 在300kPa到2500kPa的范围内 。反应如下:
CH4 + H_2O + 热量——CO + 3H2
水蒸气和甲烷之间的反应也会产生少量的二氧化碳 。这个反应吸热性很强;它需要大量的热量才能发生 。一氧化碳被收集起来 ， 在镍或铂等催化剂的存在下与水蒸气发生反应 。产生的产物是二氧化碳和更多的氢 。
CO + H2O ——CO2 + H2
这种气体混合物经过一个称为变压吸附的过程 ， 这是一种利用压力来分离气体混合物成分的分离技术 。氢气被从其他杂质中分离出来 ， 然后收集起来 。
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 。
液体空气的分馏
压缩空气和所有气体(氮气和氧气除外)被过滤掉 。将纯空气混合物的温度设定在氧和氮的液化点以下即可液化 。液氮通过分馏从液态空气混合物中分离出来 。由于氮的沸点低于氧 ， 氮的占比上升 ， 而氧留在底部 。
液气分馏的优点有:
- 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 。
CH4 +空气 ——CO2 + H2O + N2
产品混合物可以经过一个分离步骤 ， 其中氮被收获并从水和二氧化碳中分离出来 。
甲烷与空气反应的优点:
- 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 。
- 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 。
反应塔中的化学合成
3 H 2 + N 2 ? 2 NH 3 ?
氨合成是一种放热反应（负焓变） ， 它在低温下自发发生（负熵变） 。尽管它在室温下是有利的 ， 但在室温下发生的反应的反应速率太慢而不能应用于工业规模 。为了提高反应动力学以达到目标转化率 ， 需要高压和高温 。为了有效地从其主要成分（氢气和氮气）合成氨 ， 反应应在铁基催化剂的辅助下分别在 400-500 ℃和 10-30 MPa 的较高温度和压力下进行 。由于三键氮的高解离能 (941 kJ/mol) ， 需要此条件 。
冷却
由于氨的合成反应是一个放热过程 ， 为了得到液氨 ， 需要将化学合成得到的氨气冷却处理 。
氨的分离 ， 以及氢氮的回收
当气体离开反应器时 ， 它们是热的并且处于非常高的压力下 。只要氨不太热 ， 在压力下很容易液化 ， 因此混合物的温度降低到足以使氨变成液体 。即使在这些高压下 ， 氮和氢仍以气体形式存在 ， 并且可以循环使用 。
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