Технология производства аммиака

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Содержание

Введение

1. Промышленные способы синтеза аммиака

2. Сырье для производства аммиака

2.1 Азот

2.2 Виды топлив для получения водородсодержащего газа

2.3 Вода

3. Катализаторы, используемые для синтеза аммиака

Заключение

Список литературы

Введение

Во всех индустриально развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной из основных ведущих отраслей. Доказательством этого служат цифры, характеризующие стремительный рост производство связанного азота. В 1955г во всем мире было произведено аммиака около 8 млн. т, в 1965г - 20 млн. т, в 1975г - 66 млн. т, в 1980г - 100 млн. т, в 1985 - 120 млн. т.

Такое бурное развитие азотной промышленности диктуется в первую очередь необходимостью удовлетворения неудержимо растущего населения земного шара продуктами земледелия. Без минеральных удобрений, и в первую очередь азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства.

Производству азотных удобрений и их основы, аммиака, в нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. Среднегодовой прирост темпа аммиака за последние 20 лет составлял 10-19%.

Производство аммиака, как известно, отличается большой энергоемкостью. Историю развития производства аммиака можно рассматривать как борьбу за повышение полезного использования электрической, тепловой, и механической энергии. На первых установках производства аммиака к. п. д. на превышал 10-11%. Использование природного газа в производстве аммиака увеличило общий энергетический к. п. д. до 40%. . Современные энерготехнологические агрегаты аммиака практически автономны и имеют производительность 450-500 тыс. т. в год и общий энергетический к. п. д.50-52% .Это обеспечено достижениями химической технологии, химического и энергетического машиностроения, металлургической и приборостроительной промышленности, а также высокой квалификацией строителей, монтажников, эксплуатационников.

1. Промышленные способы синтеза аммиака

В производстве синтетического аммиака применяется давление от 10 до 100 МПа. В зависимости от применяемого давления различают системы низкого давления (10-15 МПа), среднего давления (25-60 МПа) и высокого давления (60-100 МПа). Наиболее распространены системы, работающие при среднем давлении, т. к. при этих условиях удачно решаются вопросы выделения аммиака при достаточной скорости процесса в контактном аппарате. Азотоводородная смесь при прохождении через слой катализатора не полностью превращается в аммиак. В газе на выходе из контактного аппарата содержание аммиака составляет 14-20%. Газовая смесь, выходящая из контактного аппарата, охлаждается, аммиак конденсируется и отделяется от газа, а непрореагировавшая азотоводородная смесь при помощи циркуляционного компрессора возвращается вновь в контактный аппарат. Свежая азотоводородная смесь, в количестве, отвечающем массе образовавшегося в контактном аппарате аммиака, добавляется к оборотной смеси [см Приложение 1].

В систему с циклическим процессом должна поступать по возможности более чистая азотоводородная смесь. Практически получить азотоводородную смесь, абсолютно свободную от примесей, крайне трудно. При циркуляционной схеме процесса даже при минимальном содержании инертных примесей (CH₄ , Ar) в поступающей на синтез свежей азотоводородной смеси происходит постепенное накопление примесей в цикле, что снижает производительность колонны синтеза. Частично примеся растворяются в конденсирующемся жидком аммиаке и выводятся из цикла. Однако вывод примесей с продукционным аммиаком не компенсирует притока их со свежей азотоводородной смесью, и в производственной практике приходится прибегать к выбросу части циркулирующей газовой смеси (продувочные газы), чтобы снизить содержание примесей в цикле. В отечественной промышленности получили распространение энерго-технологические системы со средним давлением (30-32 МПа), в которых теплота реакции используется для производства пара. Схема цикла синтеза такой установки показана на рисунке 1. Подготовленная к синтезу азотоводородная смесь подается в колонну синтеза, где происходит образование аммиака. Прореагировавшая азотоводородно-аммиачная смесь выводится из колонны синтеза при 400⁰ С, подается в водяной холодильник, где охлаждается до температуры 30-40⁰С, и затем в сепаратор. В водяном холодильнике при №0 МПа конденсируется лишь часть аммиака. Далее газ турбоциркуляционным компрессором подается в колонну и испаритель, где за счет испарении жидкого аммиака, получают холод, необходимый для более полного выделения аммиака из газовой смеси. Из конденсационной колонны га снова поступает в колонну синтеза. Свежая азотоводородная смесь подается, как правило, в нижнюю часть конденсационной колонны, где она очищается промывкой жидким аммиаком от следов влаги, масла и СО₂.

2. Сырье для производства аммиака

Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности является атмосферный воздух, вода и различные виды топлива.

В число постоянных составляющих воздуха входят следующие газы (в% по объему): азот - 78,16; кислород - 20,90; аргон - 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы - 0,01. В технических расчетах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода.

Для синтеза аммиака в некоторых схемах необходима азотоводородная смесь в соотношении N2: H2=1: 3.

2.1 Азот

Азот получают разделением воздуха или же совместно с водородом в виде азотоводородной смеси. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез - газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. Экономически выделение азота из атмосферы обусловлено дешевизной метода сжижения очищенного воздуха (пары воды, CO2, пыль, другие примеси удалены). Последовательные циклы сжатия, охлаждения и расширения такого воздуха приводят к его сжижению. Жидкий воздух подвергают фракционной перегонке при медленном подъеме температуры. Первыми выделяются благородные газы, затем азот, и остается жидкий кислород. Очистка достигается многократностью процессов фракционирования. Таким методом производят многие миллионы тонн азота ежегодно, преимущественно для синтеза аммиака, который является исходным сырьем в технологии производства различных азотсодержащих соединений для промышленности и сельского хозяйства. Кроме того, очищенную азотную атмосферу часто используют, когда недопустимо присутствие кислорода.

Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сырья - топливом, применяемым для получения водорода или водородсодержащего газа.

2.2 Виды топлив для получения водородсодержащего газа

В настоящее время основным сырьем в производстве аммиака является природный газ.

Синтез-газ из твердых топлив. Первым из основных источников сырья для получения синтез - газа явилось твердое топливо, которое перерабатывалось в газогенераторах водяного газа по следующим реакциям:

C+H2O - CO +H2; ДH>0

C+O2 -CO2; ДH<0

Такой способ получения заключается в попеременной подаче через слой крупнокускового твердого топлива (антрацита, кокса, полукокса) воздушного и парового дутья. Синтез - газ получают на стадии парового дутья, а необходимая температура слоя топлива достигается в течение стадии воздушного дутья. Цикл работы генератора составляет 3-5 мин. Полученный водяной газ содержит 50-53% Н2 и ~365 СО.

Для дальнейшего использования в производстве водяной газ необходимо очистить от сернистых соединений и провести конверсию оксида углерода по реакции:

CO+H2O-CO2+H2; ДH<0

а затем удалить диоксид углерода полностью в случае его применения для синтеза аммиака.

Недостатками процесса являются его периодичность, низкая единичная производительность газогенератора, а также высокие требования к сырью по количеству и температуре плавления золы, его гранулометрическому составу и другим характеристикам.

Другим направлением является газификация топлива в виде пыли. Этот процесс позволяет использовать практически любые виды топлива. Его особенностями является высокая турболизация в зоне реакции за счет подачи встречных потоков топливной смеси и хорошее смешение парокислородной смеси с топливной пылью.

Синтез - газ из жидких углеводородов. По технологическим схема переработки в синтез - газ жидкие топлива можно разделить на две группы. Первая группа включает топливо, перерабатываемые высокотемпературной кислородной конверсией. Сюда относятся тяжелые жидкие топлива - мазут, крекинг - остатки и т.п. Вторая группа - легкие прямоточные дистилляты (нафта), имеющие конечную температуру кипения не выше 200-220°С; она включает бензин, лигроины, смеси светлых дистиллятов. Вторая группа жидких топлив перерабатывается в синтез - газ каталитической конверсией водяным паром в трубчатых печах.

Достоинством этого метода является возможность получения синтез - газ под давлением, легкость регулирования состава синтез - газа, малый расход электроэнергии. К недостаткам можно отнести высокие требования к углеводородному составу исходного сырья по содержанию в нем непредельных и циклических углеводородов, серы и других примесей, большой удельный расход углеводородов.

Синтез-газ из природного газа. Синтез - газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) в настоящее время является основным источником получения аммиака. По использованию окислителя и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водородосодержащих газов:

высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая паро-углекислотная конверсия в трубчатых печах.

Окисление метана (основного компонента углбеводородных газов) при получении синтез - газа протекает по следующим основным суммарным реакциям:

CH4+0,5O2 = CO+2H2; ДH=-35,6 кДж

CH4+H2O = CO+3H2; ДH=206,4 кДж

CH4+CO2 = 2CO+2H2; ДH=248,3 кДж

2.3 Вода

Особое место среди природных ресурсов занимает вода. Она играет важную роль и в химической отрасли промышленности. Будучи универсальным растворителем и одним из наиболее распространенных катализаторов, вода дает возможность осуществлять многие химические реакции с большей скоростью (в растворах или в присутствии ее следов). Кроме того, вода используется как теплоноситель из-за ее большой теплоемкости, доступности и безопасности в применении. Ею охлаждают реагирующие массы, нагретые в результате экзотермических реакций. Водяным паром или горячей водой подогревают взаимодействующие вещества для ускорения реакций или проведения эндотермических процессов.

Современные химические комбинаты расходуют миллионы кубических метров воды в сутки. Например, для получения 1 т аммиака требуется 1500 м³ воды. Поэтому химические предприятия строят рядом с водными источниками.

3. Катализаторы, используемые для синтеза аммиака

Для реакции синтеза аммиака катализаторами являются железо, платина, осмий, марганец, вольфрам, уран, родий и другие металлы, атомы которых характеризуются незаполненным вторым снаружи электронным слоем. Особенно высокая активность обнаружена при лабораторных исследованиях у осмия и урана. Однако условия использования катализатора в лаборатории и на заводе, перерабатывающем в сутки сотни тысяч и миллионы кубических метров газа, различны. Понадобились большие усилия, чтобы найти катализаторы, удовлетворяющие производственным требованиям.

Промышленный катализатор должен быть активным при относительно низких температурах в связи с рассмотренной выше зависимостью состояния равновесия реакции от температуры. Активность катализатора должна поддерживаться на постоянном и достаточно высоком уровне в течение длительного времени. Присутствие в газе некоторых ядов, полное удаление которых является сложным и дорогим процессом, не должно оказывать существенного влияния на активность катализатора. Наконец, катализатор должен быть дешев. Этим требованиям не удовлетворяют, например: осмий, платина, уран, железо. Первые два металла активные и устойчивые катализаторы, но дороги; уран -- активный катализатор, но легко отравляется водяными парами; восстановленное металлическое железо -- активный и дешевый, но неустойчивый катализатор.

Для каждого катализатора характерен определенный оптимальный температурный режим. Катализаторы, приготовленные из железа или железной руды, дают возможность вести процесс при температурах: не ниже 450° и не выше 600°. Значительно отличаются от них в этом отношении железные активированные катализаторы, полученные комплексных цианистых солей, например железистосинеродистого калий-алюминия. Эти катализаторы активны уже при 400° и ниже.

Повышение активности катализатора -- эффективный способ увеличения производительности аппарата. Благодаря усовершенствованию методов получения катализаторов, удалось значительно повысить производительность колонн синтеза.

При очень высоких давлениях равновесие настолько значительно смещается в сторону образования аммиака, что представляется возможным повысить температуру до 800--900°, при которой (под давлением 500 ат) реакция протекает в отсутствие специально вводимых в аппарат катализаторов. При этих условиях, по-видимому, достаточно каталитического действия стенок реакционного аппарата, -- в лабораторном аппарате в отсутствие катализаторов реакция протекала с большой скоростью и была достигнута высокая степень превращения исходной смеси.

Заключение

Соединения азота имеют исключительно большое значение для всего народного хозяйства. В связи с этим азотная промышленность по темпам развития опережает другие подотрасли химической промышленности.

Опережающими темпами предусматривается развитие сырьевой базы для полного использования мощностей по производству минеральных удобрений и химических кормовых добавок.

Список литературы

1. Общая химическая технология: в 2 т. / под ред. И. П. Мухленова. -- 5-е изд., стер. -- М.: Альянс, 2009. Т. 2: Важнейшие химические производства / И. П. Мухленов [и др.]. -- 2009. -- 263 с.: ил. -- Библиогр.: с. 262.

2. http://ankomreactive.ru/ammiak

Размещено на Allbest.ru