3.암모니아

다롱이 홍행홍 황당한 이름사연

1) 개요

공업적으로 암모니아를 얻는 방법에는 석탄 가스로부터의 회수, 석회질소의 수증기 분리(1905년), 질소나 수소로부터의 직접 합성법(1913년) 등이 있다.
현재 공업적으로 가장 많이 사용되는 방법은 질소나수소를 직접 합성하는 하버-보슈법 (Haber - Boschprocess)

2) 암모니아의 성질과 용도

암모니아(amonia : NH₃)는 자극성 이 있고 냄새가 강한 무색의 기체이며, 공기보다 가볍고 물에 잘 녹는다.
암모니아를 물에 녹인 수용액을 암모니아수라 하며, 알칼리성
암모니아와 산소 또는 공기와의 혼합물은 폭발성이 있으며, 진한 암모니아를 호흡하면 중독
암모니아의 가장 큰 용도는 질소질 비료의 제조이고, 그 밖에는 질산 제조의 원료, 탄산나트륨의 제조, 제빙과 냉동용 냉매, 합성 섬유, 합성 수지, 농약, 의약품 등 여러 방면의 공업 원료로 그 수요가 계속 증가

그림 암모니아의 분자 구조 및 암모니아 수용액

3) 암모니아 제조 공정

가) 원료 가스의 제조

① 질소의 제조

그림 액화 공기의 분별 증류

② 수소의 제조

㉠ 수증기 개질법 (steam reforming)

그림 수증기 개질 공정도

㉡ 부분 산화법 (partial oxidation)

㉢ 수성 가스법

나) 원료 가스의 정제

원료 가스 중의 질소는 비교적 순수한 상태로 얻어진다. 그러나 수소는 나프타, 원유, 천연 가스 및 코크스 등 천연 원료를 사용하여 제조한 경우에는 이산화탄소, 메탄 및 황화합물 등이 포함되어 있다.
이산화탄소와 메탄은 암모니아 합성 공정에서 집적 촉매에 독작용을 나타내지 않으나, 일산화탄소(CO) 및 황화합물은 촉매에 대하여 심한 독작용을 나타내기 때문에, 이 유독성 가스들은 암모니아를 합성하기 전에 완전히 제거

다) 암모니아 합성

그림 암모니아의 생섬률과 온도 및 압력의 관계

압력이 높을수록 합성탑의 제작과 운전에 어려움이 있으며, 온도가 낮을 경우 반응 속도가 느려지므로 이 조건들을 잘 조절
압력은 300 기압, 온도는 500℃하고, 철산화물 촉매 (Fe₃O₄)를 사용하여 중압법으로 제조한다. 이 때, 합성탑에서 15 ~20%의 암모니아를 얻게 된다.
아래 그림에서 화학 반응이 시작되면, 반응 물질의 성분이 더 이상 소모되지 않는 범위에서 그 반응은 정지하게 된다. 이러한 평형 상태에서는 암모니아의 생성 반웅과 분해 반응이 같은 속도로 진행되고 있기 때문에 반응은 마치 정지된 것처럼 보이게 된다.

그림 암모니아의 합성 반응 상태

라) 암모니아의 합성 공정

① 가스의 압축

합성 원료인 수소와 질소를 3:1 정도로 혼합하여, 각 방식에 따라 150 ~ 1000 atm 범위 내에서 압축시킨 다음, 400 ~ 500℃로 예열해서 촉매를 채워 놓은 합성탑으로 보내어 반응

표 암모니아 합성법의 종류

② 합성탑

그림 암모니아 합성 공정

암모니아와 미반응의 질소 및 수소 등을 포함하고 있는 가스는 이미 고압으로 가압되어 있는 상태이므로, 다만 -20℃로 냉각시켜 주면 암모니아는 액체로 되어, 암모니아 분리기에서 쉽게 분리되고, 남은 질소와 수소가스는 그림에 나타낸 것과 같이 다시 합성탑으로 되돌아간다.

그림 암모니아 합성에서 가스의 순환

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