Попытки синтеза аммиака из азота и водорода предпринимались многими учеными, начиная с конца XVI вв., после того, как в 1784 г. крупнейший французский ученый К. Бертолле установил его состав (до этого считали, что в состав аммиака входит так же и кислород).

Но все эти попытки оставались безуспешными. Синтез аммиака был осуществлен лишь вначале XX в. Для этого имелись причины

во всех предшествующих работах был накоплен опыт в этой области к началу XX в. резко увеличилась потребность в азотистых веществах со стороны почти всех отраслей экономики, а особенно для производства взрывчатых веществ в связи с войнами огромную роль сыграли успехи физической химии. Особенно это относится к учению о химическом равновесии, развитию которого способствовали работы Р. Клаузиуса и А. Вильямсона, Я. Вант-Гоффа и А. Ле-Шателье.

В 1884 г. Я. Вант-Гофф установил зависимость подвижного равновесия от изменения температуры: каждое равновесие между двумя различными состояниями вещества (системами) смещается при понижении температуры в сторону той из двух систем, при образовании которой выделяется теплота. А. Ле-Шателье распространил этот принцип на изменение концентрации веществ, на изменение давления и т.д. В 1888 г. А. Ле-Шателье, изучая влияние давления на химические реакции, сформулировал ставший потом известным принцип. По этому принципу всякая физико-химическая система стремится сохранить состояние равновесия и на все процессы, действующие на нее извне, отвечает такими процессами изнутри системы, которые стремятся уничтожить это внешнее воздействие. Отныне можно было предвидеть направление любого химического процесса.

Таким образом, основываясь на закономерностях, установленных Я. Вант-Гоффом, и в особенности А. Ле-Шателье, можно было правильно определить оптимальные термодинамические условия проведения химического процесса, т.е. при каком давлении и температурах лучше всего проводить тот или иной химический процесс.

Это было очень важным для осуществления многих химических реакций в промышленности, и в первую очередь синтеза аммиака, явившимся первым промышленным процессом, на котором апробировались теоретические положения еще молодой тогда науки – физической химии.

По уравнению реакции:

N2+3H2==2NН3

видно, что она проходит с резким уменьшением объема (в 2 раза). Следовательно, по принципу Ле-Шателье для проведения этого процесса необходимо высокое давление.

Далее, эта реакция экзотермична, следовательно, выход аммиака будет тем больше, чем ниже температура. Отсюда становится ясным, в каком направлении должен был вестись поиск оптимальных условий синтеза аммиака. Ф. Габер так говорил о значении i физической химии и роли А. Ле-Шателье, правда, несколько умаляя роль последнего:

«Синтез аммиака из элементов – это процесс, принадлежащий классической физической химии. Мысль об обратимости процесса диссоциации аммиака имели уже Девилль, Рамзай и Юнг. Ле-Шателье уже в 1901 г. исследовал влияние температуры и давления: положение равновесия. Неудача первых попыток синтеза, однако, побудила его оставить исследование вопроса, и относящиеся сюда соображения были им лишь изложены во французском патенте, узнал об этом лишь значительно позже того, как сам пришел к успешному окончанию моей работы.

Значение найденного решения задачи состоит в том, что при нем не приходится вступать в область очень высоких температур и что поэтому расход угля по отношению к выходу аммиака значительно меньше, чем в других способах».

Непосредственным же создателем процесса каталитического синтеза аммиака, который потом можно было осуществить в промышленности, стал Фриц Габер. Он проводил исследования сначала в Карлсруэ, а потом в Берлине и посвятил синтезу аммиака значительную часть своей жизни.

Работы Ф. Габера по синтезу аммиака начались в 1904 г. В период 1907–1909 гг. он сконструировал специальный маленький контактный аппарат, где применил повышенное давление; был подобран также осмиевый катализатор. Разработанный процесс был рекомендован для промышленного производства аммиака. Произошло это так. Руководители Баденского анилинового и содового завода еще не могли предугадать, что опыты Ф. Габера имели большое промышленное значение. 2 июля 1909 г.Ф. Габер демонстрировал свои опыты по синтезу аммиака представителям этого завода К. Бошу и А. Митташу. Но опыт сначала не удавался, и К. Бош уехал. После полудня опыты были начаты снова, и аммиак был получен. А. Митташ, единственный представитель Баденского анилинового и содового завода, решился приобрести Ф. Габеру право на патентование и рекомендовать этот процесс в производство.

Хотя работы по синтезу аммиака и были переданы в производство, но техническое осуществление этого процесса на заводе встретило еще очень много трудностей. Тем не менее, в начале 1910 г. Ф. Габер уже мог с правом сказать, что «отныне открыта дорога развитию новой индустрии».

На основе маленького контактного аппарата, применяемого Ф. Габером, К. Бош разработал оригинальный контактный аппарат для промышленных условий. Всеми работами по внедрению синтеза аммиака в промышленность руководил К. Бош. Эти работы начались в октябре 1910 г., а вначале 1911 г. производство аммиака на опытной установке стало уже регулярным. За весь 1911 год количество полученного аммиака достигло 11 000 кг. В течение 1912 г. размер контактного аппарата (или печи) постепенно вырос до 4 м в длину и вместимостью до 30 кг контактной массы (катализатора).

Поскольку в тех термодинамических условиях, при которых положение химического равновесия наиболее благоприятствует выходу аммиака, азот и водород вступают в реакцию только в присутствии катализатора, то проблема поиска лучших катализаторов для синтеза аммиака с самого начала его промышленного становления имела первостепенное значение.

Катализаторами для синтеза аммиака занималась группа сотрудников во главе с А. Митташем. Они рекомендовали железные катализаторы с добавками различных оксидов. Лучшим катализатором оказался железный катализатор с добавками оксидов алюминия и калия:

Fe + Аl2O3 + К2О

Он является основой и современных катализаторов синтеза аммиака.

Одновременно с работой опытно-промышленной установки началось строительство первого в мире завода каталитического синтеза аммиака в г. Оппау. 9 сентября 1913 г. завод начал работать. К 24 октября 1913 г. ежедневная продукция завода превысила 10 т.

Уже в следующем, 1914 г., началось строительство второй очереди завода. Продукция аммиака к концу 1915 г. достигла 100 т в месяц, к середине 1916 г. – 200 от в месяц, а к концу 1917 г. – свыше 7000 от в месяц. Так произошло становление одного из самых важнейших процессов химической промышленности.

В дальнейшем в других странах также возникли свои способы? синтеза аммиака, но они принципиально не имели отличия от способа Габера-Боша. Они отличались величиной применяемого давления, особенностями аппаратуры, способами очистки азотоводородной смеси (что является очень важным), разновидностями катализаторов, но главное – высокое давление и циркуляционный характер процесса сохранились везде.

За разработку научных основ процесса синтеза аммиака и за промышленное оформление его Ф. Габеру и К. Бошу в 1918 г. была присуждена Нобелевская премия

Очень важным для успешного проведения синтеза аммиака является правильный подбор катализаторов для этой реакции. При синтезе аммиака применяются смешанные катализаторы. В нашей стране поиск смешанных катализаторов синтеза аммиака проводится под руководством С.С. Лачинова. Катализаторы, найденные им и его сотрудниками, являются одними из лучших. С 1967 г. введен стандартный катализатор следующего состава:

Очень большое значение для правильного проведения процесса синтеза аммиака в промышленности имели и имеют исследования кинетики этой реакции, т.е. определение зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ, или в применении к реакциям между газами от парциальных давлений реагирующих газов в газовой реакционной смеси. В России важные работы в этом направлении проводились М.И. Темкиным с сотрудниками. Еще в 1938 г. М.И. Темкиным и В.М. Пыжовым было установлено кинетическое уравнение реакции синтеза аммиака, которое получило признание во всем мире.

Аммиак (NНз) является важнейшим химическим продуктом, так как он служит исходным сырьем для получения самых разнообразных азотсодержащих соединений. Источников связанного азота имеющих промышленное значение, в природе очень мало.

Наиболее крупными потребителями связанного азота (а, следовательно, и аммиака) является промышленность минеральных удобрений, азотной кислоты, промежуточных продуктов и красителей, взрывчатых и горючих веществ, химических волокон, пластических масс.

При непосредственном соединении аммиака с кислотами получают соли, например нитрат или сульфит аммония. При взаимодействии аммиака с СО2; образуется карбамид (мочевина), который является одним из лучших азотных удобрений, благодаря высокой концентрации азота; на основе карбамида получают также разнообразные химические продукты.

Водные растворы аммиака (аммиачная вода), водно-аммиачные растворы солей и жидкий аммиак широко применяются в сельском хозяйстве для непосредственного внесения в почву в качестве жидких азотных удобрений.

Сухие аммиак и воздух образуют взрывоопасные смеси. [1.с. 120–124]

• Технологическая часть. Физико-химические свойства аммиака
• Теоретические основы абсорбционного процесса
• Устройство насадочного абсорбера
• Техника безопасности
• Расчетная часть
• Материальный баланс
• Определение скорости газа и диаметра абсорбера
• Определение высоты насадочной колонны
• Расчет гидравлического сопротивления насадки.
• Вывод