Модели молекул: Азотсодержащие соединения | marinky
Нажмите на картинку, чтобы увеличить
Аммиак
Метиламин
Диметиламин
Анилин
Триметиламин
Синильная кислота
marinkyМодели молекулграфика, неорганическая химия, органическая химияПросмотров: 5 406
marinky.com
строение, формулы, свойства и примеры
Физические свойства аммиака
Аммиак (NH3) – бесцветный газ с резким запахом (запах «нашатырного спирта»), легче воздуха, хорошо растворим в воде (один объем воды растворят до 700 объемов аммиака). Концентрированный раствор аммиака содержит 25% (массовых) аммиака и имеет плотность 0,91 г/см
Строение молекулы аммиака
Связи между атомами в молекуле аммиака – ковалентные. Общий вид молекулы AB3, следовательно, чтобы определить тип гибридизации и строение молекулы можно использовать метод валентных связей и метод Гиллеспи:
7 N 1s22s22p3
1H 1s1
В гибридизацию вступают все валентные орбитали атома азота, следовательно, тип гибридизации молекулы аммиака – sp3. Для определения структуры строения молекулы рассчитаем число неподеленных электронных пар:
НЕП = (5-3)/2 = 1
Следовательно, имеется одна неподеленная пара электронов. Аммиак имеет структуру типа AB3E – тригональной пирамиды.
Получение аммиака
Выделяют промышленные и лабораторные способы получения аммиака. В лаборатории аммиак получают действием щелочей на растворы солей аммония при нагревании:
NH4Cl + KOH = NH3↑ + KCl + H2O
NH4+ + OH— = NH3↑+ H2O
Эта реакция является качественной на ионы аммония.
Химические свойства аммиака
В химическом отношении аммиак довольно активен: он вступает в реакции взаимодействия со многими веществами. Степень окисления азота в аммиаке «-3» — минимальная, поэтому аммиак проявляет только восстановительные свойства.
При нагревании аммиака с галогенами, оксидами тяжелых металлов и кислородом образуется азот:
2NH3 + 3Br2 = N2 + 6HBr
2NH3 + 3CuO = 3Cu + N2 + 3H2O
4NH
В присутствии катализатора аммиак способен окисляться до оксида азота (II):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (катализатор – платина)
В отличие от водородных соединений неметаллов VI и VII групп, аммиак не проявляет кислотные свойства. Однако, атомы водорода в его молекуле все же способны замещаться на атомы металлов. При полном замещении водорода металлом происходит образование соединений, называемых нитридами, которые также можно получить и при непосредственном взаимодействии азота с металлом при высокой температуре.
Основные свойства аммиака обусловлены наличием неподеленной пары электронов у атома азота. Раствор аммиака в воде имеет щелочную среду:
NH3 + H2O ↔ NH4OH ↔ NH4+ + OH—
При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соли аммония, которые при нагревании разлагаются:
NH3 + HCl = NH4Cl
NH4Cl = NH3 + HCl (при нагревании)
Примеры решения задач
ru.solverbook.com
Преимущества аммиака для применения в холодильных системах | Холод-проект
Аммиак (NH3) является наиболее перспективным среди природных веществ, которые используются в качестве рабочих тел в холодильных установках и знаком под обозначением R717. Ниже рассмотрим положительные и отрицательные свойства аммиака, как холодильного агента, в сравнении с фреонами.
Рис.1. Продолжительность использования хладагентов.
Аммиак относится к группе хладагентов среднего давления и применяется при температуре конденсации не выше 550С в одноступенчатых холодильных машинах до температуры кипения – 300
Рис. 2. Диаграмма энтальпия-давление (i—P) для аммиака.
Термодинамические характеристики аммиака и некоторых фреонов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Термодинамические характеристики хладагентов.
Хладагент | Формула | Мол-ная масса μ, кг/кмоль | Норм. темпер. кипения ts, 0С | Крит. темпер. tкр, 0С | Крит. давл. Ркр, МПа | Теплота парообра-зования r, кДж/кг |
| R717 | NH3 | 17,03 | -33,35 | 132,4 | 11,397 | 1360 |
R22 | CHF2Cl | 86,47 | -40,81 | 96,13 | 4,99 | 229 |
R134a | C2 H2F4 | 102,03 | -26,3 | 101,5 | 4,06 | 215 |
| R290 | C3H8 | 44,1 | -41,97 | 96,81 | 4,269 | 419 |
R507a | Азеотропная смесь: 50%R125, 50% R143а | 98,8 | -47,1 | 71 | 3,72 | 200,5 |
R410a | Азеотропная смесь: 50%R32, 50% R125 | 72,58 | -52,6 | 72,13 | 4,93 | 264,3 |
R744 | СО2 | 44 | -93,85 (-78,5*) | 31 | 7,38 | 94,53 (573,13*) |
* – нормальная температура и теплота сублимации соответственно.
Как видно из таблицы, аммиак обладает высоким значением теплоты парообразования, что позволяет уменьшить массовый расход хладагента, циркулирующего в системе холодильной установки, по сравнению с установками, работающими на фреоне (в сравнении с R22 – в 5,94 раза, R134a – в 6,32 раза). Особенно это качество аммиака актуально при создании холодильных установок большой мощности (холодопроизводительностью более 100 кВт).
Вследствие высокого значения показателя адиабаты для аммиака (k=1,31) для него характерна высокая температура нагнетания, которая может привести не только к разложению масла, но и к его вспышке. Это, также, ограничивает применение в аммиачных установках воздушных конденсаторов.
К маслам, используемым в аммиачных холодильных машинах, предъявляют жесткие требования в отношении их термической стабильности в присутствии воздуха, влаги и металлических катализаторов. Недостаточная термическая стабильность масел приводит к образованию амидов, образованию отложений и коксованию на горячих клапанах компрессора, эмульсий в испарителях.
Одним из недостатков аммиака является то, что он вызывает коррозию медных сплавов, особенно в присутствии влаги, поэтому трубопроводы, теплообменные аппараты и арматуру данных установок выполняют из стали.
Высокая электрическая проводимость аммиака (1,1·10-7 См/м) затрудняет создание полугерметичных и герметичных компрессоров, работающих на аммиаке.
Поскольку аммиак является веществом природного происхождения, то он, в отличие от большинства распространенных фреонов, не оказывает никакого загрязняющего воздействия на окружающую среду. Влияние различных хладагентов на окружающую среду представлено в таблице 2.
Таблица 2. Влияние различных хладагентов на состояние окружающей среды.
Наименование параметра | Значения | ||||||
| R717 | R22 | R134a | R290 | R507a | R410a | R744 | |
Потенциал разрушения озонового слоя (ODP) | 0 | 0,05 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Потенциал глобального потепления (GWP) | 0 | 1700 | 1300 | 3 | 3850 | 1890 | 1 |
Аммиак – это вещество с резким удушающим запахом, вредным для организма человека. Предельно допустимая концентрация R717 в рабочей зоне (ПДК) составляет 20 мг/м3, а опасное для жизни объемное содержание составляет 350…700 мг/м3. Аммиак горюч при его объемной концентрации в воздухе свыше 11% и взрывоопасен при концентрации в пределах от 15 до 28%, токсичен. Негативные свойства R717 заставляют принимать специальные меры, обеспечивающие безопасную эксплуатацию аммиачных холодильных установок, что требует от эксплуатирующей организации решения большего количества организационных и технических вопросов. При использовании фреоновых холодильных установок часть этих вопросов отпадает.
Между тем, вопросы безопасного использования аммиака успешно решаются за счет:
- использования современных систем с минимальной заправкой;
- использования систем промежуточного охлаждения;
- использования систем автоматики и предупреждения;
- вентиляция машинных отделений;
- обучение и сертификация персонала.
Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что аммиак имеет хорошее будущее в качестве рабочего тела холодильных установок различной мощности. При его правильном использовании может быть обеспечен не только необходимый уровень безопасности, но и высокая эффективность установок.
Поделитесь с друзьями
holod-proekt.com
Аммиак: свойства и все характеристики
Характеристики и физические свойства аммиака
Аммиак очень хорошо растворим в воде: 1 объем воды растворяет при комнатной температуре около 700 объемов аммиака. Концентрированный раствор содержит 25% NH3 (масс.) и имеет плотность 0,91 г/см3
При низкой температуре из раствора аммиака может быть выделен кристаллогидрат NH3×H2O, плавящийся при -79oС. Известен также кристаллогидрат состава 2NH3×H2O.
Рис. 1. Строение молекулы аммиака.
Таблица 1. Физические свойства аммиака.
|
Молекулярная формула |
NH3 |
|
Молярная масса, г/моль |
17 |
|
Плотность, г/см3 |
0,6826 |
|
Температура плавления, oС |
195,42 |
|
Температура кипения, oС |
239,74 |
|
Растворимость в воде (0oС), г/100мл |
89,9 |
Получение аммиака
В лаборатории аммиак обычно получают6 нагревая хлорид аммония с гашеной известью:
2NH4Cl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O + 2NH3↑.
Выделяющийся аммиак содержит пары воды. Для осушения его пропускают через натронную известь (смесь извести с едким натром).
Химические свойства аммиака
В химическом отношении аммиак довольно активен; он вступает во взаимодействие со многими веществами.
Если пропускать ток NH3 по трубке, вставленной в другую широкую трубку, по которой проходит кислород, то аммиак можно легко зажечь; он горит зеленоватым пламенем. При горении аммиака образуется вода и свободный азот:
4NH3 + 3O2 = 6H2O + 2N2.
При других условиях аммиак может окисляться до оксида азота NO.
При замещении в молекулах аммиака только одного атома водорода металлами образуются амиды металлов. Так, пропуская аммиак над расплавленным натрием, можно получить амид натрия NaNH2 в виде бесцветных кристаллов:
2Na + 3NH3 = 2NaNH2 + H2.
Аммиак реагирует с кислотами, находящимися в свободном состоянии или в растворе, нейтрализуя их и образуя соли аммония. Например, с соляной кислотой получается хлорид аммония NH4Cl:
NH3 + HCl = NH4Cl.
Взаимодействие аммиака с водой тоже приводит к образованию не только гидратов аммиака, но частично и иона аммония:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH—.
Применение аммиака
Аммиак – одно из важнейших соединений азота: в больших количествах он расходуется в производстве азотных удобрений, взрывчатых веществ, полимеров, азотной кислоты и соды, используется в качестве холодильного агента в морозильных установках, а также в медицине.
Примеры решения задач
ru.solverbook.com
Физические и химические свойства аммиака
Формула – NH3. Молярная масса – 17 г/моль.
Физические свойства аммиака
Аммиак (NH3) – бесцветный газ с резким запахом (запах «нашатырного спирта»), легче воздуха, хорошо растворим в воде (один объем воды растворят до 700 объемов аммиака). Концентрированный раствор аммиака содержит 25% (массовых) аммиака и имеет плотность 0,91 г/см3.
Связи между атомами в молекуле аммиака – ковалентные. Общий вид молекулы AB3. В гибридизацию вступают все валентные орбитали атома азота, следовательно, тип гибридизации молекулы аммиака – sp3. Аммиак имеет геометрическую структуру типа AB3E – тригональная пирамида (рис. 1).
Рис. 1. Строение молекулы аммиака.
Химические свойства аммиака
В химическом отношении аммиак довольно активен: он вступает в реакции взаимодействия со многими веществами. Степень окисления азота в аммиаке «-3» — минимальная, поэтому аммиак проявляет только восстановительные свойства.
При нагревании аммиака с галогенами, оксидами тяжелых металлов и кислородом образуется азот:
2NH3 + 3Br2 = N2 + 6HBr
2NH3 + 3CuO = 3Cu + N2 + 3H2O
4NH3 +3O2 = 2N2 + 6H2O
В присутствии катализатора аммиак способен окисляться до оксида азота (II):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (катализатор – платина)
В отличие от водородных соединений неметаллов VI и VII групп, аммиак не проявляет кислотные свойства. Однако, атомы водорода в его молекуле все же способны замещаться на атомы металлов. При полном замещении водорода металлом происходит образование соединений, называемых нитридами, которые также можно получить и при непосредственном взаимодействии азота с металлом при высокой температуре.
Основные свойства аммиака обусловлены наличием неподеленной пары электронов у атома азота. Раствор аммиака в воде имеет щелочную среду:
NH3 + H2O ↔ NH4OH ↔ NH4+ + OH—
При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соли аммония, которые при нагревании разлагаются:
NH3 + HCl = NH4Cl
NH4Cl = NH3 + HCl (при нагревании)
Получение аммиака
Выделяют промышленные и лабораторные способы получения аммиака. В лаборатории аммиак получают действием щелочей на растворы солей аммония при нагревании:
NH4Cl + KOH = NH3↑ + KCl + H2O
NH4+ + OH— = NH3↑+ H2O
Эта реакция является качественной на ионы аммония.
Применение аммиака
Производство аммиака – один из важнейших технологических процессов во всем мире. Ежегодно в мире производят около 100 млн. т. аммиака. Выпуск аммиака осуществляют в жидком виде или в виде 25%-го водного раствора – аммиачной воды. Основные направления использования аммиака – производство азотной кислоты (производство азотсодержащих минеральных удобрений в последствии), солей аммония, мочевины, уротропина, синтетических волокон (нейлона и капрона). Аммиак применяют в качестве хладагента в промышленных холодильных установках, в качестве отбеливателя при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка.
Примеры решения задач
ru.solverbook.com
МИР КЛИМАТА №51 (2008) : Архив журнала : Главная
Согласно бытующему мнению, аммиак — ядовитое и взрывоопасное вещество. Однако на самом деле вред здоровью при контакте с аммиаком — скорее исключение, чем правило. Да и его взрывоопасность — заблуждение.
Как хладагент, аммиак обладает непревзойденными характеристиками, и отказываться от перспектив его использования — неразумно.
Аммиак
Аммиачные холодильные системы, разработанные в последние десятилетия в соответствии с современными нормами и правилами, соответствуют самым высоким стандартам безопасности. Более старые системы, напротив, могут быть ненадежны, а их использование — сопряжено с риском.
Эффективными и недорогими мерами по предотвращению утечек аммиака являются информирование и обучение персонала. В данной статье рассматривается аммиак с химической формулой Nh4, не содержащий воды (безводный), т.е. не являющийся вод-ным раствором аммиака (с содержанием аммиака около 20%). Безводный аммиак хранится в жидком виде под давлением.
Производство аммиака
Объем ежегодного оборота аммиака в природе составляет, как минимум, 3 миллиарда тонн. Человек в процессе жизнедеятельности производит около 17 граммов аммиака в сутки, корова — 1 тонну в год. Промышленным способом ежегодно получают около 150 миллионов тонн аммиака, из которых в качестве хладагента используется лишь около полумиллиона тонн.
Естественные потери аммиака на крупных холодильных установках традиционного типа составляют около 5-10% в год, в современных системах они значительно ниже — менее 1%.
Аммиак в качестве хладагента
Впервые аммиак был использован в компрессионной установке Дэвидом Бойлем в 1872 г. в США. В 1876 г. Карл фон Линде построил компрессионную холодильную машину для пивоваренного завода в Триесте [1]. Первоначально в качестве хладагента он предполагал использовать эфир, но тот взорвался прямо в лаборатории. Аммиак оказался более безопасным и с тех пор, благодаря уникальным термодинамическим свойствам, а также тому, что холодильные установки с его использованием оказались столь же эффективны, сколь и рентабельны, является доминирующим хладагентом в системах промышленного назначения.
Запах — существенное преимущество
Аммиак - единственный хладагент с характерным неприятным запахом, ассоциирующимся у людей с чувством страха. На первый взгляд, это достаточно веская причина, чтобы отказаться от его использования. Однако другого хладагента с такой энергетической эффективностью не существует. Вот почему изобретение технологии производства синтетического аммиака было признано одним из наиболее выдающихся достижений последнего столетия и отмечено Нобелевской премией [2].
А запах на самом деле — это скорее преимущество, поскольку даже самые малые утечки могут быть немедленно обнаружены и устранены.
Сравнение с некоторыми другими современными хладагентами
Технология применения аммиака отличается от использования других хладагентов из-за его высокой теплоты испарения. Низкая текучесть ограничивает использование аммиака для холодильных систем малой холодопроизводительности. Но в будущем аммиак может стать для них альтернативным хладагентом.
В таблице 1 представлены характеристики хладагентов в пересчете на 1 кВт холодопроизводительности при -15/+30°C [3].
Таблица 1
Сравнительные характеристики различных хладагентов
| Хладагент | Химическая формула | Температура кипения, °C | Теплота испарения, кДж/кг | Расход по жидкости, дм3с | Расход по газу, дм3с | Холодильный коэффициент COP | Потенциал разрушения озона ODP | Потенциал глобального потепления GWP |
| R134a | CH2FCF3 | -26, 2 | 217 | 0,0056 | 0,814 | 4,60 | 0 | 1300 |
| R407C | 32/125/134a | -43, 8 -36,7 | 248 | 0,0055 | 0,492 | 4,51 | 0 | 1525 |
| R410A | 32/125 | -51, 6 -51, 5 | 271 | 0,0058 | 0,318 | 4,41 | 0 | 1725 |
| R507C | 125/143a | -47, 0 | 196 | 0,0089 | 0,461 | 4,18 | 0 | 3800 |
| R717 (аммиак) | NH3 | -33, 3 | 1369 | 0,0015 | 0,463 | 4,84 | 0 | 0 |
| R290 (пропан) | C3H8 | -42,1 | 426 | 0,0074 | 0,551 | 4,74 | 0 | 3 |
| R744 (углекислый газ) | CO2 | -56, 6 | 350 | 0,0123 | 0,065 | 2,96 | 1 | 1 |
| R718 (вода) | H2O | 100 | 2456 | ? | ? | ? | 0 | 0 |
Теплота испарения диоксида углерода определяется в тройной точке
-56,6°C.
R407 и R410 характеризуются «температурным скольжением».
Свойства хладагентов
До подписания Монреальского протокола свойства хладагентов описывались небольшим количеством параметров. С тех пор к ним добавились характеристики, касающиеся воздействия на окружающую среду, а также параметры зеотропных и азеотропных смесей и сверхкритических процессов. С учетом всех этих факторов, использование в промышленных системах, например гидрофтор-углеродов, признано нежелательным из-за сложности предотвращения утечек и слишком высокой стоимости замены.
Идеального хладагента не существует, и маловероятно, что он появится в обозримом будущем [4, 5].
Статистика аварий/несчастных случаев, связанных с использованием аммиака
Специальная литература по аммиачным холодильным системам существует уже более 100 лет. Однако, есть немало оснований полагать, что многие факты все еще не нашли в ней отражения. Потребность в подробной документации по использованию аммиака в качестве хладагента очевидна.
Количество аварий, связанных с утечкой аммиака, по отношению к общему количеству систем, невелико. Все происшествия такого рода, приведшие к смерти, учитываются (в США — последние 11 лет, в Великобритании — с 1986 г., в Швеции — c 1940 г.). Судя по этим данным, шанс в течение года умереть от аммиака есть лишь у двух человек из миллиарда. Для сравнения, по сведениям американских статистиков, вероятность в течение года погибнуть от удара молнии — 32 на миллиард. В результате травм на производстве в Швеции гибнет 5 человек из миллиона, из-за дорожных происшествий — 5 на 100 000.
| Рис. 1 |
Кто страдает в результате контакта с аммиаком?
При изучении несчастных случаев с аммиаком становится ясно, что вред здоровью получают лишь те, кто находился в непосредственной близости от источника утечки. Как правило, это - обслуживающий персонал.
Неприятных последствий можно избежать, если использовать средства индивидуальной защиты, такие как комбинезоны, перчатки и полностью закрывающие лицо защитные маски.
Последствия несчастных случаев
Несчастные случаи, связанные с аммиаком, происходят не очень часто. Но каковы их последствия? Собрать подобные данные очень трудно. Выбросы аммиака вызывают серьезную тревогу в обществе и средствах массовой информации. Однако, как правило, никаких серьезных последствий для здоровья людей они не вызывают.
Так, осенью 2005 г. в Швеции огромный общественный резонанс получил выброс аммиака на холодильном хранилище в центре города. Сработал детектор утечки аммиака, были приведены в готовность местные спасательные и противопожарные службы. Но ничего серьезного не произошло, запаха не почувствовали даже жители соседних домов.
Неосведомленность
Негативное отношение к аммиаку является результатом неосведомленности, которая, в свою очередь, связана с тем, что 95% специалистов холодильной промышленности работают не с ним, а с другими хладагентами и системами. Руководители и проектировщики просто не знакомы с действующими нормами и стандартами по применению аммиака и, соответственно, не рассматривают его в качестве возможной альтернативы. Между тем соблюдение и выполнение соответствующих требований и директив делает использование аммиака удобным и безопасным.
Минимальная зарядка систем
Холодильная промышленность заинтересована в проектировании и постройке систем с минимально возможным объемом хладагента. Так обстоит дело в случае с гидрофторуглеродами, утечка которых нежелательна из-за высокой цены и экологической опасности.
Высокая удельная теплота парообразования и парциальное давление аммиака затрудняют его испарение, это значит, что он остается жидким, из-за этого утечка не может быть большой. Однако, сильный характерный запах создает у людей впечатление, что утечка гораздо серьезней, чем она есть на самом деле. В современных системах проблема утечек решается при помощи детекторов и секционирования.
Токсичность
Во всех описаниях аммиак представлен как ядовитое вещество, но что мы вкладываем в понятие «яд»? Как сказал швейцарский врач, химик и философ Парацельс (1493-1541 гг.), «в определенной дозировке ядовито любое вещество». По современному определению, яд — это вещество, которое даже в очень малых количествах представляет смертельную опасность для живых организмов.
Между тем аммиак - единственный хладагент, чей запах становится нестерпим задолго до того, как концентрация вещества становится опасной. В табл. 2 приведены данные по физиологическому воздействию аммиака на человека.
Таблица 2
Физиологическое воздействие аммиака на организм человека
| Концентрация газа, ppm | Воздействие на человека без средств защиты | Реакция организма | Продолжительность воздействия и установленные уровни воздействия |
| 5* | Пороговое значение для обнаружения аммиака. Зависит от температуры — выполнение задачи облегчается при низкой температуре и в сухой воздушной среде | ||
| 20 | Большинство людей чувствуют характерный запах | Не опасен. Предупреждение! | В большинстве стран — не ограничено |
| 25-35 | Характерный запах | Не опасен. Предупреждение! | Предельно допустимая концентрация в большинстве стран. В США — предельно допустимая концентра-ция в воздухе производственного помещения |
| 50 | Явно ощутимый запах. У непривыкшего человека возникает жела-ние покинуть производственный участок | Не опасен. Предупреждение! | ATEL — во многих странах разре-шен 8-часовой рабочий день. В ряде стран 50 ppm являются пре-дельно допустимой концентрацией |
| 100 | На здорового человека неблагоприят-ного воздействия не оказывается. Неприятный запах может вызвать панику у не привыкшего к нему человека | Не опасен | Не следует находиться под воздей-ствием дольше, чем необходимо |
| 200 | Сильный запах | Не опасен | Предельная ядовитая концентрация, установленная в рам-ках Программы управления рисками (EPA RMP), США |
| 300 | Человек, имеющий опыт работы с аммиаком, стре-мится покинуть производственный участок | Не опасен, но опытный пер-сонал считает неприемле-мым продолжение работы | В США концентрация считается представляющей непо-средственную опасность для жизни или здоровья. При концентрациях ниже этого предела использование защитных масок в США не является обязательным. |
| 400-700 | Мгновенное раздражение глаз и дыхательной системы. Даже привыкший человек не может оставаться в помещении | В нормальных условиях какого-либо вреда здоровью нет, даже при продолжительности воздействия 30 мин | |
| 1700 | Кашель, спазм голосовых связок, серьезное раздраже-ние слизистой носа, глаз и дыхательной системы | При продолжительности воздействия 30 мин — опасность для здоровья, оказание срочной медицинской помощи | |
| 2000-5000 | Кашель, спазм голосовых связок, серьезное раздраже-ние слизистой носа, глаз и дыхательной системы | При продолжительности воздействия 30 мин и даже менее возможен смертельный исход | |
| 7000 | Потеря сознания, дыхательная недостаточность | Смерть в течение нескольких минут |
* — Концентрацию в 2-5 ppm (миллионных долей) можно обнаружить по запаху; воздействие зависит от индивидуальных особенностей организма, температуры и влажности воздуха. Преимущество низкого порога чувствительности к аммиаку состоит в том, что благодаря ему возможна своевременная эвакуация из опасной зоны. Даже люди, не чувствующие запаха, ощущают его болевое воздействие на слизистые оболочки и влажные участки кожи.
Воспламеняемость
Термин «взрывоопасное» используется в отношении веществ, возгорание которых характеризуется детонацией и быстрым распространением пламени. Согласно ISO 817 [7], при сгорании аммиака выделяется вдвое меньше энергии, чем при сгорании сжиженного нефтя-ного газа, а скорость распространения пламени составляет всего около 8 см/с.
Самовоспламенение аммиака возможно при температуре выше 651°C, и как хладагент он относится к группе B2 (низкая воспламеняемость). Аммиак способен гореть только в замкнутых пространствах, в силу чего классифицируется как неогнеопасный при использовании на открытом воздухе.
Для воспламенения аммиака требуется гораздо большая энергия, чем для возгорания других горючих веществ (14 мДж против 0,26 мДж для метана, этана и пропилена и 0,02 мДж — для газообразного водорода). Энергии разрядов в трехфазных электрических системах напряжением 440 Вольт недостаточно для воспламенения аммиака, и это является причиной отсутствия каких-либо требований по взрывобезопасности электрооборудования холодильных аммиачных систем.
Соответствие стандартам пожаробезопасности
Согласно директиве ATEX (Atmosphere Explosive — франц. «взрывоопасная среда»), холодильные системы с использованием аммиака не относятся к пожароопасным. Возникновение аварийных ситуаций внутри систем невозможно. Но в случае нарушения правил эксплуатации, при открытии системы или во время обслуживания может возникнуть угроза окружающей среде, поэтому к работе с огне-опасными веществами должен допускаться квалифицированный персонал, хорошо знающий свое дело.
В последней версии рекомендаций EN 378: 2007 [8] указано: «…в случае хладагентов с характерным запахом, например аммиака, при концентрациях ниже максимально допустимого на рабочем месте уровня, использование детекторов для определения токсичности не требуется». Даны предельные ограничения концентрации в 500 ppm и 30 000 ppm, «в целях предупреждения об опасности и возможности возникновения пожара». При достижении верхнего предела все электрооборудование, которое могло бы привести к воспламенению газовой смеси в воздушной среде, должно быть отключено. При этом могут использоваться взрывобезопасные вентиляторы и датчики систем обнаружения. Эти требования включены в стандарт DIN 8975-11 [9].
Воспламеняемая концентрация аммиака составляет 15-28%. Это очень высокое значение, и в помещении могут находиться только люди, полностью экипированные средствами химической защиты. Согласно стандартам безопасности, присутствие в таких помещениях открытого огня недопустимо. Лампы накаливания необходимо оборудовать брызгонепроницаемыми крышками, например пластмассовыми плафонами. Люминесцентные лампы также должны быть закрыты, хотя они и не нагреваются при работе.
Распространение огня носит кратковременный характер и зависит от объема помещения. Уже через несколько секунд после возгорания соотношение аммиака и атмосферного кислорода становится пожаробезопасным, и если пламя не успело перекинуться на другие горючие вещества — оно гаснет.
Характеристики аммиачных систем при пожаре
При пожаре в зданиях с аммиачными установками возгорание аммиака не представляет особой угрозы. Его тепловая энергия и скорость распространения пламени низкие, что дает возможность избежать серьезного ущерба в результате утечки.
Вытекающий аммиак в таких случаях поднимается вверх за горючими газами, а его воздействие на окружающее пространство, если оно вообще имеет место, сводится лишь к распространению неприятного запаха. Следует заметить, что продукты сгорания аммиака, азот и вода, полностью безопасны для окружающей среды. В этом отношении он резко отличается от гидрофтор-углеродов. При их сгорании образуется фтористоводородная кислота, которая имеет высокую коррозионную активность и чрезвычайную токсичность.
Нормы и правила техники безопасности
Благодаря опыту использования аммиака, накопленному на протяжении более 150 лет, современные аммиачные холодильные системы имеют высокий уровень безопасности, кроме того, характерный запах позволяет быстро обнаружить любую аварию.
Первые директивы по безопасности холодильных установок были выпущены в США уже в 1918 г. За ними последовал выпуск нормативов в Германии в 1933 г. и издание Шведского сборника норм и правил эксплуатации холодильной техники в 1942 г. Сегодня в большинстве стран имеются свои стандарты. В США действуют ASHRAE 15 и ANSI/IIAR 2, в Европе действует стандарт EN 378: 2000 [8] и директивы по машинному оборудованию (MD), оборудованию, работающему под давлением (PED), и оборудованию, используемому во взрывоопасных средах (ATEX).
Вентиляция машинных отделений
Стандарты по холодильным установкам регламентируют параметры вентиляции в помещении, где размещается оборудования для работы с аммиаком. Вентиляция требуется для удаления избыточного тепла и недопущения уровня концентрации, при котором возможно воспламенение.
Часто спасательные службы запрещают использование вентиляции в машинных отделениях, чтобы избавить жителей соседних домов от едкого запаха. Но это противоречит требованиям к условиям труда на рабочем месте.
Хорошие перспективы для холодильной промышленности
В прошлом холодильная промышленность отказывалась в полной мере использовать аммиак, считая его небезопасным. Все уверения о том, что этот хладагент легок в обращении и не опасен при соблюдении определенных правил и норм, оставались без внимания.
Наибольшие затраты в случае выбросов аммиака связаны с очисткой, восстановлением отношений с общественностью и продолжением производства. Скрыть запах аммиака в случае утечки невозможно, а средства массовой информации «раздувают» это событие, придавая ему намного большее значение, чем жители соседних домов. В случае серьезного выброса расстояние, на котором можно почувствовать запах при плохих погодных условиях, составляет 1500 м. А средства массовой информации в течение нескольких часов «разносят» этот запах по всему миру.
Сравнение рабочих характеристик холодильных установок
Профессор Иоахим Пауль из Датского технического университета произвел сравнение оптимальных рабочих характеристик холодильных установок с водяным охлаждением от ведущих мировых производителей (табл. 3). Анализ выполнен при условии чистых поверхностей теплообменника (согласно данным из различных источников, процессы образования накипи и закупоривания могут приводить к понижению эффективности от 8% до 20%).
| R 134a | R 717 (аммиак) | R 718 (вода) | |
| Температура охлажденной воды (вход/выход), °C | 12/6 | 12/6 | 12/6 |
| Температура охлаждающей воды (вход/выход), °C | 19/24 | 19/24 | 19/24 |
| Температура испарения/конденсации, °C | 4,3/27,1 | 3,0/27,0 | 5,0/25,0 |
| Перепад давления | 2,1 | 2,2 | 3,6 |
| Массовый расход хладагента, кг/с /в % по отношению к R134a | 6,2 | 0,9/15 | 0,4/ 6 |
| Объемный расход хладагента, м3с/ в % по отношению к R717 | 1,320/161 | 822 | 220,115/26,778 |
| Потребляемая мощность, кВт | 141 | 125 | 101 |
| Холодильный коэффициент СОР | 7,1 | 8,0 | 9,9 |
| Мощность по вакууму, кВт | 0 | 0 | 12 |
| Полная потребляемая мощность, кВт | 141 | 125 | 113 |
| Полный СОР/ в% по отношению к R134a | 7,1 | 8,0/ 113 | 8,9/ 125 |
Таблица 3
Сравнение рабочих характеристик установок холодопроизводительностью 1000 кВт на различных хладагентах
Это сравнение показывает, что аммиак является более эффективным хладагентом для применения в холодильных установках, чем R134a. Однако лучший вариант — использование воды в открытом холодильном цикле, где, при отсутствии теплообменника, не образуется накипь и нет закупоривания.
Будущее аммиака
Будущее аммиака, в силу его превосходных свойств как хладагента, видится безоблачным. Он всегда был лучшим выбором для крупных промышленных установок. Хорошие перспективы и у углекислого газа, в некоторых случаях его применение даже предпочтительнее - из-за большей простоты обеспечения безопасности. Особенно интересен и эффективен (в том числе и для температур ниже -40°C) комбинированный вариант с использованием аммиака и углекислого газа. Также очевидно, что прекрасным хладагентом для применения в системах кондиционирования воздуха, помимо аммиака, является вода.
Общественное давление на гидрофторуглероды усиливается, и это приведет к разработке новых технических решений на основе натуральных хладагентов, одним из которых является аммиак. При его правильном использовании может быть обеспечен не только необходимый уровень безопасности, но и высокая рентабельность установок.
Список литературы:
- Тевено Р. История развития холодильной техники в мире. — IIR, Париж, 1979.
- Кавалли Д.. — Habers Nobelpris Amqvist & Wiksell, Швеция, 2004.
- Справочное руководство Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE). Основные положения, 2001.
- Кальм Д.М. Безопасность холодильных систем. — ASHRAE Journal, июль 1994, с. 17-26.
- Кальм Д.М. Четыре «R». Отзывы на выпуск норм и правил в области холодильной техники. — Engineered Systems, октябрь 2003.
- Бельке Д. Риски химических аварий в американской промышленности. — Предварительный анализ рисков аварий на опасных химических предприятиях США. — U.S. EPA, сентябрь 2000.
- Жаббур Т. и Клодик Д. ISO 817, TC86/SC8/WG5. — Арлингтон, Вирджиния, США, сентябрь 2003.
- EN 378: 2007. Стандарт EN 378: 2000 не был гармонизирован в отношении директив MD и PED.
- DIN 8975-11 Kälteanlagen und Wärmepumpen mit dem Kältemittel Ammoniak.
Материал подготовлен компанией «Альфа-Лаваль»,
статья предоставлена журналом «Холодильный Бизнес»
mir-klimata.info
| Молекулярная масса | 17.2 |
| Удельный объем жидкого аммиака при НУ | 1.43 м3/кг, 23.0 футов3/фунт |
| Плотность жидкого аммиака при НУ | 686 кг/м3, 42.6 фунтов/фут3 |
| Плотность газа аммиака при температуре кипения | 0.86 кг/м3 |
| Плотность газа аммиака при температуре 15oC = 59oF | 0.73 кг/м3 |
| Удельный объем газа аммиака при 21oC = 70oF | 1.411 м3/кг |
| Давление насыщенных паров аммиака при 25oC | 1.0 (MН/м2=МПа), 145.4 psia |
| Отношение объемов равных количеств газа аммиака и жидкого аммиака при температуре 15oC = 59oF | 947 |
| Абсолютная вязкость газа аммиака при 0oC | 0.01сПуаз, 6.72 10-6 фунтов/(фут*с) |
| Абсолютная вязкость жидкого аммиака при -23oC | 245*106 Н*сек/м2 |
| Абсолютная вязкость жидкого аммиака при 27oC | 141*106 Н*сек/м2 |
| Абсолютная вязкость жидкого аммиака при 127oC | 38*106 Н*сек/м2 |
| Скорость звука в газе при 25oC | 415 м/с |
| Скорость звука в газе при 930 oC | 870 м/с |
| Скорость звука в жидком аммиаке при -33°C | 1729 м/с |
| Удельная теплоемкость жидкого аммиака при -23 °C | 4.52 кДж/(кг*°C) |
| Удельная теплоемкость жидкого аммиака при 27 °C | 4.75 кДж/(кг*°C) |
| Удельная теплоемкость жидкого аммиака при 127 °C | 6.91 кДж/(кг*°C) |
| Удельная теплоемкость газа аммиака cp при 15 °C | 2,175 кДж/(кг*°C) |
| Показатель (коэффициент) адиабаты газа аммиака cp/cv при 15 °C | 1.3 |
| Теплопроводность жидкого аммиака при -23 °C | 592*106 кВт/(м*°C) |
| Теплопроводность жидкого аммиака при 27 °C | 477*106 кВт/(м*°C) |
| Теплопроводность жидкого аммиака при 127 °C | 207*106кВт/(м*°C) |
| Теплопроводность газа аммиака при 0oC = 32oF | 0.026 Вт/мoC, 0.015 БТЕ/(час*фут*oF) |
| Температура кипения аммиака | -28oF, -33.3oC |
| Удельная теплота парообразования аммиака при температуре кипения | 1373 кДж/кг, 589.3 БТЕ/фунт |
| Температура замерзания (таяния) аммиака | -77.7oC, -107.9 oF |
| Удельная теплота плавления аммиака(таяния) | 332,3 кДж/кг, 143.0 БТЕ/фунт |
| Критическая температура аммиака — температура при которой жидкая фаза существовать уже не может | 271.4oF, 132.5oC |
| Критическое давление аммиака — давление насыщенных паров при критической температуре | 11.4 (MН/м2=МПа), 1650 psia |
| Критический удельный объем аммиака – объем вещества в его критическом состоянии, когда теряется различие в свойствах между жидкостью и ее паром | 0.00424 м3/кг, 0.068 футов3/фунт |
| Растворимость газа аммиака в воде при 0oC = 32oF. Размерность : объем газа/объем воды | 862 |
| Токсичность аммиака | опасен Аммиак относится к токсическим веществам. По ГОСТ 12.1.005-88 аммиак относится к IV классу опасности. Действие газообразного аммиака на человека характеризуется следующими показателями в мг/куб. м: порог восприятия обонянием ………………………….. 35 можно терпеть несколько часов без серьезных последствий … 70 немедленное раздражение горла ………………………. 280 немедленное раздражение глаз, обильное слезотечение и боль …………………………………………….. 490 ларингоспазм, сильные приступы кашля, головокружение, боль в желудке, рвота. После этого в течение нескольких часов могут наблюдаться непроизвольные глотательные движения. Ларингоспазм может привести к мгновенной неспособности дыхания. Затруднение дыхания будет наблюдаться в течение нескольких часов. Возможен отек легких ……………………………………… 1200 получасовая экспозиция может быть смертельной ……….. 1700 смерть в результате прекращения дыхания и сердечной слабости ………………………………….. 3000 — 3500 Жидкий аммиак вызывает ожоги, а его пар — эритемы кожи. Предельно допустимые концентрации аммиака (ПДК), мг/куб. м: в воздухе рабочей зоны производственного помещения ….. 20 в атмосферном воздухе территории промышленного предприятия ……………………………………… 7 в атмосферном воздухе населенного пункта ……………. 0,2 в воде рыбохозяйственных водоемов ………………….. 0,05 в воде водоемов санитарно — бытового назначения (по азоту) ……………………………………. 2 мг/л. |
| Воспламеняемость, температура самовоспламенения, взрывоопасность аммиака | Газ горючий. Температура его самовоспламенения в стальной бомбе, обладающей каталитическим действием, равна 650°С, теплота сгорания равна 20790 кДж/кг (4450 ккал/кг), минимальная энергия зажигания равна 680 мДж. Смесь аммиака с воздухом становится горючей при содержании в смеси 15-28 об.% аммиака (нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени). С увеличением температуры пределы распространения пламени расширяются и при 100°С они лежат в интервале 14,5-29,5 об.% аммиака. жидкость — прекращает горение при прекращении кипения ( тепла от сгорания паров недостаточно для поддержания горения) — трудногорючая В связи с низкой нормальной скоростью горения аммиачновоздушной смеси, составляющей всего 0,1 м/сек., аммиак не способен к диффузионному горению, то есть гаснет при удаленииисточника поджигания. При поджигании аммиака в неограниченном объеме ударная взрывная волна, способная причинить разрушения, не образуется. Однако аммиак является горючим газом и при его сгорании (с воздухом или кислородом) внутри замкнутого объема (оборудования или помещения) давление может повыситься в 6 раз, вызвав разрушение оборудования или здания и ударную волну от расширения сжатых продуктов сгорания. Поэтому для помещений, в которыхобращается аммиак, по пожарной опасности в соответствии с ОНТП 24 — 86 устанавливается категория A, наружные установки не категорируются. По ПУЭ взрывоопасные зоны с аммиаком внутри помещения имеют класс B-1б, на наружных установках — B-1г. Аммиачно — воздушная смесь по взрывоопасности относится к категории — 11A и группе — T1. |
| Взрывоопасные соединения аммиака | Контакт аммиака с ртутью, хлором, йодом, бромом, кальцием, окисью серебра и некоторыми другими химическими веществами может привести к образованию взрывчатых соединений. |
| Коррозионные свойства аммиака. | Аммиак взаимодействует с медью, цинком и их сплавами, особенно в присутствии воды; растворяет обычную резину. Стали в жидком аммиаке с содержанием воды меньше 0,2% веса в присутствии кислорода могут подвергаться коррозионному растрескиванию при температуре эксплуатации до минус 20 град. C |
tehtab.ru