Procédé pour la production d'ammoniaque synthétique. La présente invention se rapporte à un nouveau procédé pour la synthèse de l'am moniaque par ses éléments, l'hydrogène et le nitrogène. L'étude de l'équilibre chimique entre l'ammoniaque et ses éléments avait déjà démontré qu'aux températures auxquelles il pouvait s'établir avec une rapidité suffi sante en présence de substances catalytiques convenables sa tendance était entièrement du côté de l'hydrogène et du nitrogène.
Pour obtenir des concentrations d'ammoniaque qu'on pouvait déterminer avec sûreté, Nernst dans un but purement scientifique et se fon dant sur un principe bien connu de chimie- physique exposé par le Chatelier dans son théorème, étudia l'équilibre sous pressions très élevées en nous montrant ainsi quelle était la voie qu'on devait prendre dans le cas d'une production synthétique de l'ammo niaque par ses éléments. La réalisation de cette production' industrielle suit en effet immédiatement.
On connait déjà un procédé pour la pro duction industrielle de l'ammoniaque synthé- thique, caractérisé en ce qu'on fait passer le mélange des deux éléments comprimés sur une substance catalytique maintenue à haute température, on fait ensuite refroidir à basse température les gaz qui ont réagi pour éli miner l'ammoniaque qui s'est formée et on reconduit encore une fois les gaz non combinés privés de l'ammoniaque sur la substance catalytique avec de nouvelles quan tités de mélange de nitrogène et d'hydrogène correspondant aux quantités qui ont réagi et qui ont été éliminées sous forme d'ammo niaque.
L'opération est exécutée d'une manière continue dans un cycle fermé, dans lequel on introduit continuellement le mélange com primé d'hydrogène et nitrogène et duquel la quantité correspondante d'ammoniaque est éliminée. Les pressions utiles citées à titre d'exemple pour ce genre de traitement sont d'environ 150 atmosphères.
L'inconvénient principal d'un tel cycle d'opérations aux pressions indiquées consiste dans la difficulté d'éliminer du circuit gazeux la plus grande partie de l'ammoniaque pro duite. par la catalyse.
Dans ce but, il est nécessaire de refroidir les gaz qui ont - réagi, jusqu'à 40-500 au- dessous de zéro, avec une dépense relative ment énorme pour l'installation frigorifique. On peut aussi éliminer l'ammonique au moyen d'une circulation d'eau sous pression ; dans ce cas, les dépenses pour l'installation frigo rifique, quoique encore considérables, dimi nuent, mais la solution acqueuse qu'on obtient est un produit commercial de moindre valeur par rapport à l'ammoniaque anhydre.
Et étant donné le pourcent pratique de combinaison des gaz qui réagissent aux pressions indi quées, il est nécessaire de pourvoir avec beaucoup de soin et d'exactitude et le plus possible à l'élimination complète de l'ammo niaque du circuit gazeux avant que les gaz non combinés retournent sur la masse cata lytique.
On peut remédier à cet inconvénient au moyen d'un autre procédé industriel connu de synthèse de l'ammoniaque, dans lequel la pression de catalyse s'élève à une valeur d'un millier d'atmosphères avec l'effet de tripler le pourcent de combinaison cataly tique et de permettre l'élimination de presque toute l'ammoniaque qui s'est formée par simple refroidissement. avec de l'eau à la tem pérature ordinaire.
Mais l'augmentation du pourcentage de combinaison et la diminution de la masse sur laquelle la chaleur de la réaction est distribuée sont cause que la réaction exother mique, non dangereuse aux pressions de <B>150-200</B> atmosphères, détermine aux nou velles pressions très élevées dans l'unité de masse un développement de chaleur beaucoup plus grand et par conséquent le danger d'rirre élévation spontanée de température dans la masse catalytique. Ce danger devient plus grave quand les dimensions des appareils de catalyse sont très grandes et le grand nombre des expédients ingénieux qu'on a étudié jus qu'à présent n'a pas encore résolu avec sû reté ce problème important.
Or, l'inventeur a trouvé qu'à une pression quelconque, quelque élevée qu'elle soit, on petit éviter tout danger d'une surchauffe en faisant arriver dans la chambre de catalyse le mélange des éléments avec une quantité considérable d'ammoniaque telle qu'elle em pêche une élévation préjudiciable de la tempé rature de catalyse.
On peut obtenir tout cela très simplement en éliminant des produits de la réaction seu lement une partie de l'ammoniaque qui s'est formée. -un même pourcentage initial du produit de la réaction aura une action d'au tant plus grande que la température de la réaction sera plus haute.
Par exemple, une teneur initiale de 5 % d'ammoniaque dans les gaz réagissant à une pression de 700 atmosphères réduit de peu le pourcent de combinaison provoquée par une masse cata lytique déterminée à une température d'en viron 500 0, mais réduit à une bien petite valeur le pourcent de combinaison provoquée par la même masse catalytique à une tem pérature de 750 0.
En effet, dans le premier cas, le pourcent d'équibre atteint le 37 0/0 tandis que dans le second il est à peine du 9%; la plus grande prodâction de chaleur possible dans le second cas au lieu d'être 1/.r de la production du premier cas descend à '/s à cause de la présence initiale
de 5 % du produit de la réaction.
Puisque le pourcent élevé de combinaison est la cause principale des dangers des sur chauffes de la masse catalytique, il est clair que ces dangers se manifestent également si, air lieu d'augmenter la pression, on diminue la température de catalyse en employant des masses catalytiques très actives à des tem pératures plus basses que celles maintenant cri usage.
Par exemple, avec une masse ca talytique capable de fonctionner normalement à 400 0 sous une pression de 200 atmosphères, on peut atteindre un pourcent de combinai- son de 36 %. On voit facilement comme même dans ce cas, lorsque pour une cause quelle qu'elle soit la température s'élève, la présence de l'ammoniaque dans la réaction des gaz a une influence rapide sur le pour cent de combinaison et, par conséquent, sur la quantité de chaleur de la réaction.
En effet, puisque à 6000 le pourcent d'ammo niaque dans le système en équilibre est de 8,25, l'effet thermique de la réaction à cette température se réduit d'un peu plus des 3/.4 de celui obtenu à 400 0; tandis que avec un pourcent initial d'ammoniaque de 5 % l'effet thermique qui se réduit seulement de '/7 à 4000, se réduit de 3/io à la tempé rature de 600 0.
En outre, la présence d'ammoniaque aug mente la chaleur spécifique du mélange de réaction, ce qui concourt au même but, quoique en moindre mesure, c'est-à-dire à réduire la possibilité des surchauffes dans la masse catalytique.
Enfin, un dernier avantage obtenu par la présente invention est l'influence bienfaisante du produit de la réaction au commencement de la catalyse sur l'activité aussi bien que sur la durée de la masse catalytique.
Process for the production of synthetic ammonia. The present invention relates to a new process for the synthesis of ammonia by its elements, hydrogen and nitrogen. The study of the chemical equilibrium between ammonia and its elements had already shown that at temperatures at which it could be established with sufficient rapidity in the presence of suitable catalytic substances its tendency was entirely on the side of hydrogen and nitrogen.
To obtain concentrations of ammonia which could be determined with confidence, Nernst for a purely scientific purpose and based on a well-known principle of chemistry-physics exposed by the Chatelier in his theorem, studied the equilibrium under very high pressures by showing us thus what was the path which should be taken in the case of a synthetic production of ammonia by its elements. The realization of this industrial production follows immediately.
A process is already known for the industrial production of synthetic ammonia, characterized in that the mixture of the two compressed elements is passed over a catalytic substance maintained at high temperature, then the gases are cooled to a low temperature. which have reacted to remove the ammonia which has formed and the uncombined gases deprived of ammonia are again carried over to the catalytic substance with new quantities of mixture of nitrogen and hydrogen corresponding to the quantities which reacted and which were eliminated as ammonia.
The operation is carried out continuously in a closed cycle, in which the compressed mixture of hydrogen and nitrogen is continuously introduced and from which the corresponding quantity of ammonia is removed. The useful pressures cited by way of example for this type of treatment are about 150 atmospheres.
The main drawback of such a cycle of operations at the pressures indicated consists in the difficulty of eliminating from the gas circuit most of the ammonia produced. by catalysis.
For this purpose it is necessary to cool the reacted gases down to 40-500 below zero, with a relatively enormous expense for the refrigeration plant. Ammonia can also be removed by circulating water under pressure; in this case, the expenses for the refrigeration installation, although still considerable, decrease, but the aqueous solution which is obtained is a commercial product of less value compared to anhydrous ammonia.
And given the practical percentage of combination of gases which react to the pressures indicated, it is necessary to provide with great care and accuracy and as much as possible the complete removal of ammonia from the gas circuit before the gases are released. uncombined gases return to the lytic cata mass.
This drawback can be remedied by means of another known industrial process for the synthesis of ammonia, in which the catalysis pressure rises to a value of one thousand atmospheres with the effect of tripling the percentage of catalytic combination and allow the removal of almost all the ammonia which has formed by simple cooling. with water at room temperature.
But the increase in the percentage of combination and the decrease in the mass over which the heat of the reaction is distributed causes the exothermic reaction, not dangerous at pressures of <B> 150-200 </B> atmospheres, to determine at new very high pressures in the mass unit a much greater heat development and consequently the danger of a spontaneous rise in temperature in the catalytic mass. This danger becomes more serious when the dimensions of the catalysis apparatus are very large and the great number of ingenious expedients which have been studied up to now have not yet solved this important problem with certainty.
Now, the inventor has found that at any pressure, however high it may be, any danger of overheating can be avoided by causing the mixture of elements with a considerable quantity of ammonia to arrive in the catalysis chamber with a considerable quantity of ammonia such as that it prevents a detrimental rise in the catalysis temperature.
All of this can be achieved very simply by removing from the reaction products only a part of the ammonia which has formed. - the same initial percentage of the reaction product will have an action of both greater than the temperature of the reaction will be higher.
For example, an initial content of 5% ammonia in the gases reacting at a pressure of 700 atmospheres slightly reduces the percentage of combination caused by a catalytic mass determined at a temperature of about 500 0, but reduced to a very small value the percentage of combination caused by the same catalytic mass at a temperature of 750 0.
In fact, in the first case, the percentage of equilibrium reaches 37 0/0 while in the second it is barely 9%; the greatest heat production possible in the second case instead of being 1 / .r of the production of the first case goes down to '/ s because of the initial presence
of 5% of the reaction product.
Since the high percentage of combination is the main cause of the dangers of overheating the catalytic mass, it is clear that these dangers also manifest themselves if, instead of increasing the pressure, the temperature of catalysis is reduced by using catalytic masses. very active at temperatures lower than those now in use.
For example, with a catalyst mass capable of operating normally at 400 0 under a pressure of 200 atmospheres, a combination percent of 36% can be achieved. It is easily seen as even in this case, when for any cause whatever the temperature rises, the presence of ammonia in the reaction of the gases has a rapid influence on the percent of combination and, therefore, on the amount of heat of the reaction.
Indeed, since at 6000 the percent ammonia in the system in equilibrium is 8.25, the thermal effect of the reaction at this temperature is reduced by a little more than 3 / .4 of that obtained at 400 0; while with an initial percentage of ammonia of 5% the thermal effect which is reduced only from 1/7 to 4000, is reduced by 3% at the temperature of 600 0.
In addition, the presence of ammonia increases the specific heat of the reaction mixture, which contributes to the same goal, albeit to a lesser extent, ie to reduce the possibility of overheating in the catalytic mass.
Finally, a final advantage obtained by the present invention is the beneficial influence of the reaction product at the start of the catalysis on the activity as well as on the duration of the catalytic mass.