Схема производства аммиака

Производство аммиака: оборудование, химическая концепция.

Аммиак – вещество, знакомое, наверное, каждому взрослому человеку. Все дело в той физиологической роли, которую играет аммиак.

Стремительному росту объемов выпуска аммиака традиционно способствует относительная доступность необходимого для его производства сырья.

Химическая формула аммиака хорошо известна всем еще со школы – NH₃. Из нее очевидно: для его получения требуются азот и водород.

В качестве источника азота здесь прекрасно подходит обычный атмосферный воздух. Данный ресурс практически безграничен. Таким образом, сырьевая база для производства аммиака (а, соответственно, и всей азотной промышленности) лимитируется водородом. А точнее, топливом, необходимым для его получения.

Как правило, для этих целей используется природный газ. Данное обстоятельство, кстати, весьма способствовало развитию отечественной азотной промышленности: газом Россия богата.

Однако если у кого-то из сказанного выше сложилось впечатление, что крупномасштабное производство аммиака является простым и доступным процессом, то это, безусловно, ошибочно. Создание действительно эффективных производств потребовало серьезных научных усилий и технологических решений.

Достаточно сказать, что процесс получения аммиака на практике проводят в присутствии катализатора при температуре около 500°C и давлении в 350 атмосфер. Отсюда ясно, насколько энергоемким является соответствующее производство. Зато создание подобных условий позволяет добиться выхода требуемого вещества на уровне приблизительно 30 процентов.

Вообще, по мнению экспертов, историю развития крупнотоннажного аммиачного производства следует рассматривать как постоянную борьбу за повышение полезного использования энергии: электрической, тепловой, и механической. Зато этот процесс дал в итоге отличные результаты. Если на первых промышленных установках КПД составлял лишь порядка 10 процентов, то на современных высокопроизводительных установках, способных «выдавать» полмиллиона тонн продукции в год, данный показатель в пять раз выше.

Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно простое уравнение реакции, являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе.

Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор – техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.

Вторая стадия промышленного синтеза предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода). Конверсия метана – обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 °С и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды: СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂

Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака — для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступают, однако на этой стадии происходят другие процессы. Происходит частичное сгорание водорода в кислороде воздуха:

2Н₂ + О₂ = Н₂О (пар)

В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается снова с образованием водорода, как на второй стадии. Таким образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).

Окисление СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:

СО + Н₂О (пар) ↔ СО₂ + Н₂ (3)

Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe₃О₄ и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 °С. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.

На пятой степени оксид углерода (IV) удаляют из газовой смеси при помощи абсорбции раствором аМДЭА (активированный метил диэтанол амин).

В начале происходит абсорбция углекислого газа, затем – его десорбция и удаление из процесса.

Однако, качества аМДЭА очистки недостаточно для того, чтобы азото-водородную смесь можно было использовать для синтеза аммиака. Оставшегося количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака (1). На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородом в метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 ºС:

СО + 3Н₂ ↔ СН₄ +Н₂О

Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси. Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 ºС.

Предыдущая567891011121314151617181920Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

ПРОИЗВОДСТВО АММИАКА

Для нормальной жизнедеятельности растений и жи­вотных азот необходим только в усвояемой форме. Од­нако из-за высокой химической инертности азота его не­исчерпаемые ресурсы * живой природе практически недо­ступны. Для решения продовольственной проблемы человечество переводит азот в усвояемую форму, «связы­вая» его до простейшего соединения — аммиака, из кото­рого затем получают азотную кислоту и минеральные удобрения.

Темпы роста производства аммиака постоянно увели­чиваются. При этом количественный рост производства сопровождается качественными изменениями структуры производственной базы. Укрупняются мощности еди­ничных агрегатов синтеза аммиака **[6] внедряются новые эффективные катализаторы и сорбенты, разрабатываются прогрессивное оборудование и технологические схемы, обеспечивающие более полное использование сырья и топлива.

В последние годы за счет лучшей утилизации теплоты производство аммиака удается организовать по энерготехнологическому принципу, в котором процесс полностью самообеспечивает себя паром и механической энергией.

Производство аммиака состоит из трех стадий: полу­чение азотоводородной смеси, ее очистка и собственно синтез аммиака.

Первая стадия — получение азотоводородной смеси. Сырьем для производства аммиака являются азот и водород. Азот выделяют из воздуха — газовой смеси, содержащей по объему 78,05% азота, 20,95% кислорода, 0,94% аргона и в незначительных количествах угле­кислый газ, неон, гелий, криптон и ксенон. Для этого воз­дух глубоким охлаждением переводят в жидкое состоя­ние, а затем ректификацией, основанной на различии температур кипения отдельных газов, разделяют на со­ставные части.

Водород получают одним из способов: электролизом воды или водных растворов поваренной соли; из коксо­вого газа последовательным сжижением всех его компо­нентов, кроме водорода; конверсией оксида углерода ге­нераторного газа; конверсией метана или его гомологов.

Получение водорода — наиболее дорогая стадия про­изводства. В настоящее время большую часть водорода для синтеза аммиака получают из наиболее дешевых ви­дов сырья — газов, содержащих метан и его гомологи. К ним относятся попутные газы нефтедобычи, при­родный газ, газы нефтепереработки. В присутствии водя­ного пара и кислорода метан превращается в водород:

СН₄ + Н₂О СО + Н₂ — Q

СН₄+ 0.5O₂ СО + 2Н₂ + Q

а образовавшийся оксид углерода конвертируется до СО₂ и Н₂:

СО + Н₂0 С0₂ + Н₂ + Q

Конверсию природного газа проводят при атмосферном или повышенном давлении с применением катализаторов (каталитическая конверсия) или без них (высокотемпера­турная конверсия). Часто процесс на никелевом катализа­торе ведут так, чтобы остаточная концентрация метана составляла 8 — 10%. При такой концентрации метана его дальнейшее конвертирование воздухом (т. е. смесью азо­та и кислорода в соотношении 4:1) позволяет получить сразу азотоводородную смесь с соотношением N₂: Н₂ = = 1:3. Это исключает необходимость строительства до­рогостоящих и энергоемких установок разделения возду­ха и значительно улучшает технико-экономические пока­затели процесса.

Однако полученные азот, водород и азотоводородная смесь загрязнены попавшими из природного газа соеди­нениями серы, а также оксидами и диоксидами углерода, образовавшимися при конверсии.

Из-за высокой чувстви­тельности катализатора синтеза аммиака к этим приме­сям, сильно снижающим его активность и вызывающим необратимые отравления (особенно соединения, содержа­щие серу), газ подвергают тщательной очистке.

Вторая стадия — очистка газа. Для удаления примесей сернистых соединенийтипа сероуглерода CS₂, сероокиси углерода COS и меркаптанов R —SH их гидрируют на кобальтмолибденовом катализаторе при темпе­ратуре 350-450 °С до легкоулавливаемого сероводорода

9Н₂ + примеси (CS₂ + COS + R — SH) 4H₂S + 2CH₄ 4+ H₂O

Образовавшийся сероводород удаляют из газа с по­мощью различных поглотителей, например оксида цинка: ZnO + H₂S à ZnS + Н₂О

После такой очистки газ содержит сероводорода не бо­лее 1 мг/м³.

Очистка газа от СО₂ производится с помощью жидких поглотителей. На смену водной очистке, по­треблявшей большое количество воды и энергии на ее перекачку, пришла более эффективная очистка с по­мощью водных растворов этаноламинов либо горячих растворов поташа, активированных мышьяком. При про­мывке газа указанными водными растворами примеси СО₂ образуют карбонаты и бикарбонаты. Регенерация поглотителей с удалением СО₂ в десорбере производит­ся: для этаноламинов — нагреванием до 120 °С, для рас­творов поташа — снижением давления.

Примеси СО удаляются из газа поглощением мед-ноаммиачным раствором слабой уксусной или муравьи­ной кислоты. Эффективность очистки увеличивается с по­вышением давления до 30 МПа и понижением темпера­туры до 25 — 0 °С. После очистки в газе остается не более 0,003% СО. При очистке азотоводородной смеси, полу­чаемой из коксового газа, остатки СО удаляют промыв­кой жидким азотом. При этом часть азота испаряется и переходит в азотоводородную смесь, обеспечивая соот­ношение N₂ : Н₂, близкое 1:3. Разбавляя смесь допол­нительным количеством азота, ее доводят до необхо­димого для синтеза аммиака точного соотношения N₂: Н₂ = 1:3. В тех случаях, когда остаточные количе­ства СО и СО₂ в газе небольшие (до 1 %), удаление примесей осуществляется их гидрированием (метанирова-нием) по реакциям

СО + ЗН₂ СН₄ + Н₂О; СО₂ + 4Н₂ СН₄ + 2Н₂О

Температура процесса 200 — 400 °С, катализатор — никель, нанесенный на оксид алюминия.

Третья стадия — синтез аммиака. Образование аммиака по реакции

N₂+3H₂ 2NH₃ + Q протекает до­статочно быстро только в присутствии катализаторов, содержащих в качестве активаторов оксиды алюминия, калия и кальция. Тепловой эффект реакции растет с уве­личением температуры, а равновесный выход зависит не только от температуры, но и от давления.

Синтез аммиака является обратимым экзотермиче­ским процессом.

В соответствии с принципом Ле-Шателье отвод теплоты должен смещать реакцию вправо. С этой целью промежуточное охлаждение газовой смеси менее нагретым встречным потоком производится после каждого ее контакта с катализатором. Это обеспечивает автотермичность процесса. Однако несмотря на отвод теплоты, температура по ходу процесса все же несколько увеличивается. Поэтому в колонне синтеза аммиака используются катализаторы, эффективно работающие в различных диапазонах температур.

Современные колонны синтеза аммиака большой еди­ничной мощности имеют четыре полки с катализатора­ми. На первой (по ходу газа) находится низкотемпера­турный катализатор (350— 500 °С), на второй — средне-температурный (400 —550 °С); на третьей и четвер­той — высокотемпературные (550 — 700 °С).

На фактический выход аммиака кроме перечисленных факторов оказывают влияние активность катализатора, состав газовой смеси, конструктивные особенности аппа­рата (чем меньше в них гидравлическое сопротивление, тем выше пропускная способность и ниже энергетические затраты) и продолжительность соприкосновения газа с катализатором (или обратная величина, называемая объемной скоростью газа). С увеличением объемной ско­рости съем аммиака с 1 м³ контактной массы резко воз­растает. Но одновременно с этим увеличивается объем непрореагировавшей азотоводородной смеси. Во избежа­ние потерь эту смесь необходимо многократно прокачи­вать через катализатор по замкнутому циклу. Это повы­шает расход энергии на перекачку. С экономической точки зрения подобные затраты могут быть сведены к минимуму при некоторых оптимальных значениях объемной скорости газа (от 15000 до 30000 м³ газовой смеси через 1 м³ катализатора в час).

Технико-экономические показатели этого производ­ства могут быть улучшены переходом к энерго-, ресурсо-и трудосберегающей технологии. Это достигается приме­нением агрегатов большой единичной мощности, мало­водных схем и АСУТП. Особое внимание уделяется ути­лизации теплоты топочных газов, выходящих из печи нагрева метана, а также газовых потоков, покидающих реактор гидрирования органической серы, конвертеры метана и оксида углерода, колонны синтеза аммиака, метанатора и т. д.

Утилизированная высокопотенциальная теплота ис­пользуется для получения пара высокого давления. Энер­гия этого пара в турбинах преобразуется в механическую для сжатия и перемещения газов с помощью компрессо­ров. Низкопотенциальная теплота утилизируется для по­лучения технологического пара низкого давления, подо­грева воды, получения холода и т. п. Подобный принцип энергосбережения самообеспечивает процесс паром и ме­ханической энергией. Для районов, испытывающих недо­статок в топливе, это позволяет организовать производ­ство с минимальными энергозатратами. Замена же водяного охлаждения воздушным значительно сокращает и водопотребление. Указанные принципы используются в современных схемах производства аммиака на агрега­тах большой (1500 т/сут) единичной мощности. Один та­кой агрегат обеспечивает годовую экономию эксплуата­ционных затрат в сумме 15 млн. руб. и капиталовложе­ний до 25 млн. руб. Указанная схема включает блоки получения азотоводородной смеси, очистки газа и синте­за аммиака.

В блоке синтеза аммиака для сжатия азотоводород­ной смеси до 30 МПа и ее циркуляции утилизированная теплота превращается в механическую энергию сжатия и перемещения (рис. 7.6). Для этого водяной пар высокого давления и температуры, по­лученный в котле-утилиза­торе, направляют на паровую турбину 7, на валу кото­рой установлен турбоком­прессор 2.

Турбокомпрессор сжимает свежую азотоводородную смесь, а в послед­ней ступени еще и смешивают ее с непрореагировавшей на катализаторе возвратной смесью N₂ + 3H₂, содержа­щей до 2 — 3 % NH₃. Для улав­ливания аммиака газ после турбокомпрессора пропуска­ют через аммиачный холо­дильник 3, где он конден­сируется и в виде жидкости легко отделяется в сепара­торе 4. После сепаратора смесь азота и водорода проходит через два теплообменника 5 и 6, нагревается до 425 °С

и направляется в полочную колонну синтеза 7. По сравнению с традиционным контактным аппара­том с двойной теплообменной трубкой в полочных ра­диальных колоннах гидравлическое сопротивление, а сле­довательно, и энергопотери значительно снижены. В такой колонне с внутренним диаметром до 2,1 м, высо­той до 25 м и толщиной стенок из хромомолибденовой стали 10 — 30 см имеется четыре полки. Полки загру­жаются катализатором в возрастающем количестве и с возрастающим диапазоном рабочих температур от пер­вой к последней.

Для поддержания заданного температурного режима по высоте колонны после каждой полки производят от­вод теплоты экзотермической реакции в котел-утилиза­тор. Тонкое регулирование температуры достигается вве­дением в горячую газовую смесь определенного количе­ства холодной смеси.

Примерно 15-20% азотоводородной смеси на ката­лизаторе превращается в аммиак. Выйдя из колонны син­теза с температурой 320 — 380 °С, смесь последовательно отдает теплоту питательной воде котла-утилизатора в водоподогревателе 8, а затем нагревает встречный холодный газовый поток в «горячем» теплообменнике 6. Далее она охлаждается в аппарате воздушного охлажде­ния 9 и «холодном» теплообменнике 5. При давлении около 30 МПа в такой газовой смеси аммиак конденси­руется уже при температуре 25 — 40 °С и после отделения в сепараторе 10 направляется в хранилище.

Газовая смесь, содержащая до 2 — 3 % несконденсировавшегося аммиака, и непрореагировавшие азот и водо­род турбокомпрессором 2 возвращаются в производ­ственный цикл.

Степень превращения азотоводородной смеси в ам­миак в колонне синтеза колеблется от 15 до 20%. Но благодаря многократной ее циркуляции по замкнутой схеме фактический выход аммиака в системах среднего давления составляет 91 — 95%. По сравнению с систе­мами, работающими при низком (10 МПа) и высоком (100 МПа) давлении, в системах среднего давления, полу­чивших в мировой практике наибольшее распростране­ние, удачно решаются вопросы выделения аммиака при достаточной скорости процесса в контактном аппарате. Помимо жидкого аммиака получают и газообразный, ко­торый обычно тут же перерабатывается в мочевину, ам­миачную селитру, азотную кислоту.

Похожие статьи:

Технологическая схема — производство — аммиак

Cтраница 1

Технологические схемы производства аммиака включают от 5 до 9 основных технологических блоков, таких, как очистка исходного сырья, производство азотоводородной смеси, синтез аммиака и другие.  [1]

Если технологическая схема производства аммиака включает промывку газа жидким азотом, целесообразно проводить высокотемпературную конверсию природного газа под давлением до 30 am при температуре около 1350 С. В этом случае сухой конвертированный газ содержит примерно 96 % ( СО Н2) при остаточной концентрации метана около 1 % и низких расходных коэффициентах по природному газу и кислороду.  [2]

Если технологическая схема производства аммиака включает промывку газа жидким азотом, высокотемпературную конверсию природного газа целесообразно проводить под давлением до 3 0 МПа при температуре окрло-1350 С. В этом случае сухой конвертированный газ содержит примерно 95 5 % ( СО Н2) при остаточной концентрации метана около 1 % и низких расходных коэффициентах по природному газу и кислороду.  [3]

Если в технологической схеме производства аммиака не предусмотрена промывка жидким азотом, но имеется медноаммиачная очистка, для высокотемпературной конверсии природного газа целесообразно применять воздух, обогащенный кислородом. При этом остаточная концентрация метана в конвертированном газе не должна превышать примерно 0 5 %; достижение этого связано с повышением температуры реакции до 1400 С.  [4]

Если в технологической схеме производства аммиака не предусмотрена промывка газа жидким азотом, но имеются отделения низкотемпературной конверсии оксида углерода и метанирования, для высокотемпературной конверсии природного газа целесообразно применять воздух, обогащенный кис -: лородом. При этом остаточная концентрация метана в конвертированном газе не должна превышать примерно 0 5 %, что связано с повышением тем-1 пературы реакции до 1400 С.  [5]

В зависимости от технологической схемы производства аммиака масло, растворенное и диспергированное в сжатом газе, по-разному влияет на следующие стадии производства аммиака. Если на заводе имеется медно-аммяачная очистка под тем же давлением, что и синтез, газовый поток, содержащий масло, попадает в первую очередь в скрубберы медно-вшшшч-ной очистки, где оно загрязняет раствор, ухудтгает условия очистки газа и регенерации медно-аммиачного раствора, увеличивает расходные коэффициенты. Имеются данные, что очистка газа от масла только на стадии медно-аммиачной очистки дает.  [6]

В зависимости от технологической схемы производства аммиака высокотемпературную конверсию природного газа проводят в смеси с техническим кислородом или с воздухом, обогащенным кислородом.  [7]

На рис. 3 показана технологическая схема производства аммиака из природного газа.  [8]

Установка является головной в технологической схеме производства аммиака и правильное ведение режима в ней в конечном счете определяет требуемый состав азотоводородной смеси для синтеза аммиака. Соблюдение теплового режима способствует нормальной и стабильной работе системы парообразования.  [10]

В создаваемых в настоящее время технологических схемах производства аммиака мощностью свыше 1000 т МНз в суши с одного агрегата не предусмотрены отделения очистки конвертированного газа от окиси углерода медноаммиачными растворами или промывка жидким азотом.  [11]

На рис.

15 дана в упрощенном виде технологическая схема производства аммиака из природного газа. Как видно, схема является сложной.  [13]

Так, в настоящее время внедряются технологические схемы производства аммиака с мощностью одного агрегата 400 тнс. А в перспективный период будет освоено оборудование в производстве аммиака до 800 тнс.  [14]

Переход промышленности связанного азота на дешевый природный газ значительно-сокращает расходы по статье сырье. Кроме того, таким путем улучшаются условия труда на заводах, производящих синтетический аммиак. Это приводит также к упрощению технологической схемы производства аммиака.  [15]

Страницы:      1

Муниципальное образовательное учреждение

Новосафоновская средняя общеобразовательная школа

Производство аммиака: краткая характеристика

Прокопьевский район 2006

Введение

1.Способы получения аммиака

2. Современный процесс получения аммиака

Список использованной литературы

Введение

Общей экономической задачей каждого химического предприятия является получение химических веществ высокого качества и в достаточном количестве, чтобы их реализация приносила прибыль. С этим связано требование, чтобы все ресурсы использовались как можно более эффективно. Однако этого можно достичь лишь в том случае, если максимально эффективен сам химический процесс. В химической промышленности вместо понятия «реагенты» гораздо чаще используются термины «исходные материалы», «сырьевые материалы» или просто сырьё», иногда — «руда». Чтобы какой-либо процесс был экономически оправдан, необходимо достичь оптимального выхода целевого продукта из сырьевых материалов. Оптимальный выход не обязательно совпадает с теоретическим выходом или даже с максимально достижимым выходом. Получение максимально достижимого выхода может, например, потребовать слишком большого расхода какого-либо дорогостоящего исходного материала, или же слишком длительного проведения процесса, или же создаются экстремальные условия (очень высокие температуры или давления), чреватые опасными аварийными ситуациями и т.п., — всё это может сделать максимально достижимый выход экономически невыгодным.

Фактический выход каждого конкретного химического процесса может зависеть от целого ряда факторов, главные из них — температура, давление, присутствие катализатора, чистота исходных материалов, эффективность извлечения конечного продукта. Промышленное производство веществ подразумевает отличное знание теоретических закономерностей протекания химических реакций (энергетика химических реакций, химическая кинетика и катализ, химическое равновесие).

Все перечисленные ниже факторы важны, в особенности, если речь идёт о таких многотоннажных производствах, таких, как, например, производство аммиака.

Проектировщики химических предприятий создают сверхмощные установки по производству аммиака. Так, например, созданы установки, производящие 1000-1200 тонн аммиака в сутки. В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 5 млн. тонн аммиака.

1. Способы получения аммиака

аммиак цианамидный процесс десульфуратор

Первым промышленным процессом, который использовался для получения аммиака, был цианамидный процесс. При нагревании извести СаО и углерода получали карбид кальция СаС2. Затем карбид нагревали в атмосфере азота и получали цианамид кальция СаСN2; далее аммиак получали гидролизом цианамида:

СаСN2(тв) + 3Н2О = 2NН3‍‍↑ + СаСО3(тв)

Этот процесс требовал больших затрат энергии и экономически был невыгоден.

В 1908 г. Немецкий химик Ф. Габер обнаружил, что аммиак можно получать из водорода и атмосферного азота на железном катализаторе. Первый завод по производству аммиака этим методом использовал водород, который получали электролизом воды. В последствии водород стали получать из воды путём восстановления коксом. Такой способ получения водорода намного экономичнее. После открытия Габера стремительно стало расти производство аммиака, это неудивительно, поскольку огромные количества аммиака необходимы для получения азот содержащих удобрений. На изготовление их используется приблизительно 80% всего получаемого в мире аммиака. Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме азот, в котором нуждается большинство растений. Остальные ≈20% производимого аммиака используются для получения полимеров, взрывчатых веществ, красителей и других продуктов.

Современный процесс получения аммиак основан на его синтезе из азота и водорода с использованием специального катализатора:

N2 + 3Н2 ↔ 2NН3 ↑ + 45,9 кДж (1)

Поскольку данная реакция обратимая, возникает вопрос: при каких температурах и давления выгоднее всего добиваться максимального выхода

продукта? Так как реакция экзотермическая, то исходя из принципа Ле Шателье ясно, что чем ниже температура процесса, тем больше равновесие будет сдвигаться в сторону образования аммиака, и можно предположить, что следует максимально понижать температуру. Но в действительности всё обстоит сложнее: при низких температурах реакция практически не идёт, поэтому приходится принимать компромиссное решение. Поскольку для установления оптимального состояния равновесия реакции требуется низкая температура, а для достижения удовлетворительной скорости — высокая температура, на практике процесс проводят при температуре ≈ 400 – 500 оС.

Но даже при такой высокой температуре для достижения достаточной скорости реакции требуется присутствие специального катализатора. В качестве катализатора используется губчатое железо, активированное оксидами калия и алюминия.

Из уравнения реакции видно, что общее число молей уменьшается от 4 до 2. Согласно принципу Ле Шателье в таком случае процесс выгодно проводить, повышая давление. Но этот вывод лишь качественный, анна практике нужно точно знать, насколько увеличится выход NН3 (на 10% или всего на 0,1%) при увеличение давления. В таблице 1 количественно показано влияние температуры и давления на выход аммиака (процентное содержание аммиака в равновесной смеси) по реакции.

Из этой таблицы видно, что повышение температуры при любом давлении заметно снижает содержание аммиака в газовой смеси, однако при температурах ниже 500 оС скорость реакции очень мала, поэтому на практике процесс обычно проводят при температуре 450 оС.

Таблица 1

Что касается давления, то здесь используется давления порядка 300 – 100 атм, но чаще всего «среднее» давление ≈ 250 атм. Хотя при этих условиях только около 20% исходных веществ превращается в аммиак, однако в результате использования циркуляционной технологической схемы (введение непрореагировавших Н2 и N2 вновь в реакцию) суммарная степень превращения исходных веществ в аммиак является очень высокой.

2. Современный процесс получения аммиака

Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно просто выглядящее уравнение реакции (1), являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе (рис.1). Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор. Десульфуратор — техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.

Вторая стадия промышленного синтеза аммиака предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода). Конверсия метана — это обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 оС и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды:

СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2 (2)

Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака по реакции (1) — для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступают на стадии (3), однако на этой стадии происходят другие процессы.

Происходит частичное сгорание водорода в кислороде воздуха:

2Н2 + О2 = Н2О(пар)

В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается снова с образованием водорода, как на второй стадии по торой стадии по им образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).

На рис.1 стадия (4) обозначена как реакция «сдвига», но проходить она может при двух температурных режимах и разных катализаторах. Окисление

СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:

СО + Н2О(пар) ↔ СО2 + Н2 (3)

Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe3О4 и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 оС. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.

На пятой степени оксид углерода (IV) «вымывают» из газовой смеси при помощи поглощения щелочным раствором:

КОН + СО2 = К2СО3.

Реакция «сдвига» (3) обратимая и после 4-й стадии в газовой смеси на самом деле остаётся ещё ≈ 0,5% СО. Этого количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака(1). На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородом в метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 оС:

СО + 3Н2 ↔ СН4 +Н2О

Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм.

В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси.

Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 оС. Именно этот процесс и описывается с точностью реакцией (1).

Список использованной литературы

1.Н.Е. Кузьменко, В.В. Ерёмин, В.А. Попков. Химия. Теория и задачи. — М.: ОНИКС 21 век», «Мир и образование», 2003.

Что такое аммиак

---

Аммиак, или нитрид водорода  — одно из соединений азота. Это бесцветный газ с резким характерным запахом, обладающий химической формулой NH3. При замораживании или под давлением аммиак переходит в жидкую форму.

Аммиак широко применяется в промышленности, а также является ключевым компонентом в производстве азотных удобрений.

Азот необходим растениям для правильного развития и роста. Использование удобрений повышает содержание азота в почве, увеличивая урожайность.

Использование аммиака в сельском хозяйстве

Аммиак в основном используется для производства множества видов азотных удобрений, таких как карбамид и нитрат (аммиачная селитра) и сульфат аммония. Большая часть производимого в мире аммиака продается сельскохозяйственным или промышленным потребителям.

Широкое использование в промышленности

Аммиак – одно из важнейших веществ для химической промышленности. Его используют для получения полимеров, текстиля, взрывчатки, этанола. Применяется аммиак и в качестве растворителя и охлаждающего вещества. Аммиак используется при производстве лекарств и косметики.

Производство аммиака

---

Аммиак производится путем соединения азота и водорода при температурах 380 — 500 градусов по Цельсию и давлении 250 атм в присутствии катализатора.

В качестве сырья для производства аммиака может быть использован уголь, кокс и коксовый газ, но в основном аммиак производят из природного газа. Производство аммиака отличается высокой энергоемкостью, показатель потребления природного газа – один из важнейших факторов, определяющих рентабельность.

Использование аммиака

---

В качестве удобрения

Самостоятельно в качестве удобрения применяется безводный аммиак, который получают путем сжижения газообразного аммиака под высоким давлением . Он представляет собой жидкость с содержанием азота 82,3%, что делает его наиболее концентрированным и экономически эффективным азотным удобрением.

Из аммиака производят много видов азотных удобрений.

Наиболее важные из них карбамид, аммиачная селитра и сульфат аммония.

Карбамид (мочевина) изготавливается из аммиака и диоксида углерода.

Он поставляется в виде гранул и микро гранул и содержит 46% азота, что делает его самым концентрированных азотным удобрением.

Аммиачная селитра (NH₄NO3)  – наиболее распространенное универсальное азотное удобрение, содержащее 35% азота, применяется в качестве основного удобрения и для подкормки.

Сульфат аммония содержит 21% азота и до 24% серы, поэтому является также источником серного питания. Хорошо впитывается, не вымывается из почвы, используется под все сельскохозяйственные культуры.

Промышленное использование

Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности. Вещества, производимые из аммиака, служат основой для производства пропилена, текстильных волокон, проводов, труб, тары, шин, деталей автомобилей и телефонов. Из аммиака производят также взрывчатые вещества.

Жидкий аммиак используют в качестве растворителя и хладагента. Аммиак применяют и как противоморозную добавку к сухим строительным растворам.

Производные аммиака амины используются в области медицины. Это нашатырный спирт, компоненты косметики и лекарственных средств.

Водный раствор аммиака используется в качестве источника азота в процессе производства дрожжей. В мире растет спрос на этанол, а дрожжи — единственный вид микроорганизмов, используемый для превращения сахара в этанол.

Хранение и перевозка

---

При замораживании или под давлением аммиак переходит в жидкую форму и требует специального оборудования и техники для транспортировки и хранения.

Жидкий аммиак хранится в соединенных между собой резервуарах, оснащенных предохранительными клапанами. Для повышения безопасности резервуары окапывают, устанавливают дополнительные поддоны и стенки.

При хранении больших объемов углеводородных газов наиболее эффективны подземные газохранилища. Широкое распространение получило хранение аммиака в изотермических газгольдерах.

Транспортировка аммиака проводится в специальных транспортных емкостях железнодорожным, водным и автотранспортом или по магистральным трубопроводам.

Основные потребители

---

Основной спрос на продукт предъявляет Китай, предприятия которого потребляют около 30% производимого в мире аммиака. Еще несколько стран и регионов демонстрируют примерно одинаковый уровень потребления аммиака: это США (10%), страны СНГ и Западной Европы (по 8-9%), Индия (8%).

Спрос на аммиак

---

Согласно прогнозам экспертов, в 2020 году производство аммиака составит около 190 млн тонн в год. Около трех четвертей производимого в мире аммиака используется для производства удобрений, около 50% идет на производство только карбамида.

В настоящее время на мировом рынке растет спрос на карбамид, поэтому прогнозируется, что спрос на аммиак, из которого он производится, в период до 2020 года будет расти с темпами не менее 2% в год.

Прогнозируемое повышение спроса на продукт создает возможности для вновь строящихся предприятий по производству карбамида.