На современном азотном заводе


Мы уже указали, что молекулы азота очень инертны, и прежде чем заставить вступить в какое-либо химическое соединение, их необходимо разбить на атомы. Сущность современного способа связывания азота воздуха, созданного научными открытиями немецкого ученого Габера, заключается в том, что в определенных условиях азот расщепляется на атомы и последние реагируют с атомами же водорода, образуя новое химическое соединение — аммиак. Из аммиака изготовляется азотная кислота. Азотная кислота, соединяясь с аммиаком, дает самое концентрированное азотное удобрение — аммиачную селитру. Аммиак, азотная кислота, аммиачная селитра необходимы и в военном деле для производства различных взрывчатых веществ, они находят самое широкое применение и в промышленности. Как же в промышленности осуществляют процесс соединения (синтеза) азота и водорода в аммиак и процесс его дальнейшей переработки на азотном заводе? В грандиозных газохранилищах — газгольдерах, вмещающих десятки тысяч кубометров газов, хранятся отдельно азот и водород (рис. 7).

Азот добывается из воздуха, водород — разложением воды электрическим током или каким-либо другим способом. Азот и водород добываются тут же, на азотном заводе, в специальных цехах — азотном и водородном. В третьем газгольдере хранится азото-водородная смесь. В этой смеси на одну часть азота приходятся три части водорода; это как раз соответствует тому отношению, в котором азот и водород соединены в молекуле аммиака.

Но мы могли бы прождать миллионы лет и не получить ни одного грамма аммиака, если бы решили, что смеси азота и водорода сами по себе, без вмешательства человека, вступят в газгольдере друг с другом в химическую реакцию. Чтобы все это произошло, человек должен активно вмешаться в протекание процесса и поставить азот и водород в такие условия, при которых они вынуждены будут вступить друг с другом в химическую реакцию.

Какие же это условия? Их по крайней мере три: давление, температура, катализатор. Оказывается, что для того, чтобы осуществить процесс синтеза аммиака в промышленных условиях, азот и водород должны быть сжаты до высокого давления, обычно это 250—300 атмосфер, на некоторых заводах это давление доходит до 1000 атмосфер.

Сжатие азото-водородной смеси осуществляется специальными мощными компрессорами. Но и в сжатой азото-водородной смеси химическая реакция еще не произойдет. Смесь необходимо подогреть до температуры 450—500 градусов. Но даже в горячей и сжатой азото-водородной смеси еще не протекает синтез аммиака. Процесс пойдет лишь при наличии в аппарате, где находится горячая, сжатая азото-водородная смесь, специального вещества, называемого катализатором. Катализатором в процессе синтеза аммиака обычно служит специальным образом приготовленное железо с некоторыми примесями магния, калия.

Катализатор ускоряет течение химической реакции, оставаясь сам химически неизменным.

Сжатая азото-водородная смесь направляется в стальные аппараты — колонны синтеза, похожие на дальнобойные береговые орудия. Эти аппараты сделаны из лучшей качественной стали и должны выдерживать огромное давление нагретых до высокой температуры газов. Чтобы отлить один такой аппарат, надо сварить для него сталь в нескольких мартеновских печах. Отлитая болванка для аппарата весит свыше 120 тонн. Токарный станок, на котором обтачивается такая болванка, это станок-гигант, имеющий в длину 20 метров.

Страна, изготовляющая такие аппараты, должна иметь мощно развитую металлургию и машиностроение. В такую стальную колонну синтеза аммиака закладывается катализатор и нагнетается подогретая азото-водородная смесь. Поставленные условия соблюдены, и в колонне начинается процесс аммиачного синтеза. Во время процесса выделяется много тепла, которое в дальнейшем используется для подогрева газов, идущих на синтез.

Газы после колонны синтеза содержат аммиак и остаток азото-водородной смеси, не вступившей в реакцию, от которой аммиак нужно отделить. Для этого газовая смесь впускается в аппарат—конденсатор, охлаждаемый водой. Находящийся под большим давлением аммиак при охлаждении превращается в жидкость — конденсируется, откуда и происходит название аппарата. Жидкий аммиак спускается в специальные хранилища, а отделенная от него азото-водородная смесь поступает в насос высокого давления, который вновь направляет ее в процесс. Из аммиака на рядом стоящем заводе получается азотная кислота.

Для этого аммиак испаряют — превращают в газ, смешивают с кислородом воздуха, и смесь направляют в аппарат, в котором в качестве катализатора применяются платиновые сетки. Здесь на платиновых сетках при температуре 900 градусов происходит окисление аммиака кислородом до окислов азота. Полученные окислы в специальных окислительных башнях обогащают кислородом, а затем соединяют с водой, получая при этом азотную кислоту. И аммиак и азотная кислота имеют широчайшее применение в промышленности: в холодильном деле, в производстве синтетических красителей, искусственного волокна, пластических масс, фармацевтических препаратов, взрывчатых веществ.

Но основная их масса идет на получение аммиачной селитры — важнейшего минерального удобрения. Оно получается тут же, на азотном заводе, в цехе аммиачной селитры. В специальных аппаратах заставляют химически взаимодействовать друг с другом газообразный аммиак и жидкую азотную кислоту, после ряда процессов (упарки полученных растворов аммиачной селитры, ее кристаллизации) получают твердую белую аммиачную селитру — «соль плодородия».

На азотный завод поступает вода и электрическая энергия, воздух по трубам засасывается в цех из окружающей атмосферы. С завода уходят цистерны с жидким аммиаком, азотной кислотой, вагоны с твердой аммиачной селитрой. Азотный завод — одна из вершин современной техники. Мечта Менделеева стала действительностью. Но борьба за азот на этом не кончается.