Реакция получения аммиака в лаборатории. Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола)

Азотное производство играет важнейшую роль в современной химической промышленности. Стоит заметить, что соединения азота применяются как при получении органических, так и неорганических веществ. Особую статью в азотной промышленности составляет производство аммиака. Именно при «участии» этого ценнейшего компонента производятся удобрения, азотная кислота, взрывчатые вещества, хладоагенты и многое другое. При всей своей полезности аммиак является довольно сильным ядом, несмотря на то что применяется в медицине в виде нашатыря.

Сам аммиак как вещество впервые был обнаружен в конце XVIII века. Описал его как отдельное вещество англичанин Джозеф Пристли. Спустя 11 лет французом Клодом Луи Бертолле был изучен химический состав этого вещества. Необходимость получения аммиака в промышленных количествах стала остро возникать в конце XIX века, когда стали истощаться месторождения чилийской селитры, из которой в основном получали азотные соединения. Именно «щелочной воздух» стал самым перспективным компонентом для производства различных химических соединений, которые оказали огромное влияние на разные стороны жизни человека: от военного дела, до сельского хозяйства.

Но эта проблема была решена только в начале XX столетия, когда появился способ производства аммиака путем прямого синтеза из азота и водорода. Таким образом, од возникновения проблемы до ее решения прошел довольно длительный период, в ходе которого было сделано несколько открытий, позволивших «сказку сделать былью».

Особенности и этапы производственного процесса

Процесс производства аммиака характеризуется большой энергоемкостью, что является главным его недостатком. Именно поэтому постоянно ведутся научные разработки, которые призваны решить проблемы экономии энергии. В частности разрабатываются способы утилизации выделенной энергии, а также совмещение, например, производства аммиака и карбамида. Все это способствует удешевлению деятельности предприятий и повышению их полезной отдачи.

В основу производства аммиака положены принцип циркуляции, согласно которому процесс идет непрерывно, причем остатки исходных компонентов отделяются от конечного продукта и используются вновь, непрерывности: процесс синтеза происходит без остановки, принцип теплообмена, а также принцип цикличности. Как видно, все эти принципы между собой тесно взаимосвязаны.

Сама технологическая схема производства аммиака зависит, прежде всего, от сырья, из которого получается конечный продукт. Дело в том, что, в отличие от азота, который содержится в воздухе в больших количествах, водород в чистом виде в природе практически не присутствует, а выделять его из воды - довольно трудоемкий и энергозатратный процесс.

Поэтому в качестве сырья для производства аммиака в основном используются углеводороды, содержащиеся в природном газе. В настоящее время именно природный газ является одной из основ аммиачной промышленности. Прежде чем попасть в колонну синтеза, газ проходит несколько стадий обработки. Начинается процесс с того что производится очистка исходного сырья от серы при помощи десульфуратора.

Далее идет так называемый процесс риформинга, который заключается в том, что в его ходе углеводороды сначала превращаются в метан, потом происходит довольно сложный процесс превращения метана в смесь водяного пара, угарного газа, углекислого газа и водорода. При этом также происходит очистка смеси от углекислого газа, после чего водород попадает в колонну синтеза под большим давлением вместе с азотом. Таким образом, прежде чем начать непосредственно производство аммиака, технология предполагает предварительную обработку сырья.

Все процессы риформинга, как и непосредственно сам синтез конечного продукта, происходят при высоком давлении и большой температуре. Именно это приводит к большой их энергозатратности. При этом указанные параметры на всех стадиях производства изменяются.

Сама колонна обычно изготавливается из стали. В ней размещен катализатор, состав которого может быть разным. После прохождения цикла синтеза смесь попадает в холодильник, где от нее оделяется аммиак в жидком виде, а оставшиеся после реакции компоненты снова идут в производство. Такая особенность технологического процесса вызвана тем, что реакция синтеза аммиака является обратимой и в ходе технологического процесса часть конечного продукта распадается на исходные компоненты.

Таким образом, производство аммиака в промышленности, несмотря на кажущуюся простоту реакции, которая лежит в основе процесса, на самом деле является довольно сложной технологической задачей.

Создание интегрированных производств и разработка новых технологий имеют особое значение

Как уже было сказано выше, технология постоянно совершенствуется и главным направлением мероприятий по ее улучшению является снижение энергоемкости самого процесса. А там, где это сделать по разным причинам сложно, применяются способы утилизации тепла, которое также способно принести пользу. Кроме того некоторые заводы по производству аммиака используют побочные продукты для других химических производств. Так может совмещаться, например, производство метанола и аммиака. Этот способ заключается в том, что из образующегося в ходе риформинга из угарного газа и воды синтезируется метанол.

Также было уже сказано про совмещенное производство аммиака и карбамида. Данное совмещение возможно, например, путем реакции полученного при риформинге углекислого газа с полученным аммиаком. Данный способ, конечно же, требует установки дополнительного оборудования. Тем не менее, он позволяет повысить полезную отдачу конкретного предприятия.

Еще одна особенность производства аммиака в промышленности состоит в том, что его цикличность также способствует и безотходности. Причем в ход идут как полученная энергия, так и побочные продукты. Даже сера, полученная при очистке исходного сырья, находит применение в других химических производствах. Помимо перечисленных мер происходит также постоянный поиск оптимального сочетания давления и температуры, при котором происходит процесс. Ведь от сочетания этих параметров зависит конечный выход основного продукта.

Учитывая все вышесказанное, можно с полной ответственностью сделать вывод,что современный завод по производству аммиака представляет из себя довольно сложный комплекс сооружений. Но в основе такого комплекса всегда состоит установка, разработанная в 1909 году немецким ученым Фрицем Габером, который помимо этого изобретения прославился тем, что стал «отцом химического оружия». По иронии судьбы этот ученый получил Нобелевскую премию Мира. Тем не менее, очевидно, что ценность его вклада в развитие современной химической промышленности сомнению не подлежит.

Таким образом, на примере промышленного производства аммиака можно увидеть, как годами можно совершенствовать, казалось бы, неизменный процесс. Также можно проследить, как одно изобретение может на многие года заложить развитие целой отрасли производства (причем, немаловажной) современного производства.

В настоящее время заводы по производству аммиака расположены по всему миру. Более того: постоянно строятся новые предприятия. Данный факт еще раз подчеркивает важность этого вида химического производства. Ведь во многих регионах земного шара наличие, например, азотных удобрений, стало жизненной необходимостью. Можно привести и много других примеров, но факт остается фактом. Кроме того, огромная часть продукции газодобывающей промышленности востребована именно в производстве аммиака, что позволяет ей устойчиво развиваться. На этих немногочисленных примерах достаточно хорошо видно, что роль производства аммиака переоценить довольно трудно. Поэтому можно сделать вывод, что азотная промышленность будет существовать еще долго, а продукция ее будет всегда пользоваться устойчивым спросом.

Таким образом, говоря о производстве аммиака, следует понимать, что речь идет об очень серьезном производстве, которое оказывает огромное влияние на функционирование различных сфер, как хозяйственной деятельности, так и просто жизни людей. И вполне возможно, что важность данной отрасли в будущем будет расти.

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 – NH 3 . 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: СН 4 + Н 2 О ↔ СО + 3Н 2

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:

2Н 2 + О 2 = Н 2 О (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 + Н 2 О (пар) ↔ СО 2 + Н 2 (3)

Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe 3 О 4 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 + 3Н 2 ↔ СН 4 +Н 2 О

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 ** 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:

СН 4 + Н 2 О СО + Н 2 — Q

СН 4 + 0.5O 2 СО + 2Н 2 + Q

а образовавшийся оксид углерода конвертируется до СО 2 и Н 2:

СО + Н 2 0 С0 2 + Н 2 + 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 N 2: Н 2 = = 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 CS 2 , сероокиси углерода COS и меркаптанов R -SH их гидрируют на кобальтмолибденовом катализаторе при темпе­ратуре 350-450 °С до легкоулавливаемого сероводорода

9Н 2 + примеси (CS 2 + COS + R — SH) 4H 2 S + 2CH 4 4+ H 2 O

Образовавшийся сероводород удаляют из газа с по­мощью различных поглотителей, например оксида цинка: ZnO + H 2 S à ZnS + Н 2 О

После такой очистки газ содержит сероводорода не бо­лее 1 мг/м 3 .

Очистка газа от СО 2 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 СО 2 образуют карбонаты и бикарбонаты. Регенерация поглотителей с удалением СО 2 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 N 2: Н 2 , близкое 1:3. Разбавляя смесь допол­нительным количеством азота, ее доводят до необхо­димого для синтеза аммиака точного соотношения N 2: Н 2 = 1:3. В тех случаях, когда остаточные количе­ства СО и СО 2 в газе небольшие (до 1 %), удаление примесей осуществляется их гидрированием (метанирова-нием) по реакциям

СО + ЗН 2 СН 4 + Н 2 О; СО 2 + 4Н 2 СН 4 + 2Н 2 О

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

Третья стадия - синтез аммиака. Образование аммиака по реакции

N 2 +3H 2 2NH 3 + 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 м 3 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 м 3 газовой смеси через 1 м 3 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 N 2 + 3H 2 , содержа­щей до 2 — 3 % NH 3 . 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.

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.  

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.  

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.  

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.  

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.  

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.  

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

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

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.  

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.  

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

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.  

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.  

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 (NH 4 NO3) - 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.

Аммиак (NH 3) - соединение азота и водорода. Это лёгкий газ с резким запахом. Получение аммиака в промышленности и лабораториях необходимо для производства удобрений, полимеров, азотной кислоты и других веществ.

В промышленности

Аммиак промышленным путём получают из азота, соединяя его с водородом. Азот берут из воздуха, водород - из воды. Впервые метод разработал немецкий химик Фриц Габер. Промышленный способ получения аммиака стали называть процессом Габера.

Реакция проходит с уменьшением объёма и выделением энергии в виде тепла:

3H 2 + N 2 → 2NH 3 + Q.

Реакция обратима, поэтому необходимо соблюсти несколько условий. При высоком давлении и низких температурах объём полученного аммиака увеличивается. Однако низкие температуры замедляют скорость реакции, а повышение температуры способствует увеличению скорости обратной реакции.

Опытным путём были найдены необходимые условия для проведения реакции:

• температура - 500°C;
• давление - 350 атм;
• катализатор - оксид железа Fe 3 O 4 (магнетит) с примесями оксидов серебра, калия, кальция и других веществ.

При таких условиях получившийся газ содержит 30 % аммиака. Чтобы избежать обратной реакции, вещество быстро охлаждают. При низких температурах получившийся газ превращается в жидкость. Неизрасходованные газы - азот и водород - возвращаются обратно в колонну для синтеза. Такой способ помогает быстро получить большие объёмы аммиака, максимально используя сырьё.

Рис. 1. Получение аммиака промышленным путём.

Чтобы найти нужный катализатор, было испробовано 20 тысяч разных веществ.

В лаборатории

Для получения аммиака в лаборатории используется реакция щелочей на соли аммония:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

Также аммиак лабораторным путём можно получить из хлорида аммония, нагретого вместе с гашёной известью, или разложением гидроксида аммония:

• 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
• NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O.

Рис. 2. Получение аммиака в лаборатории.

Полностью осушить аммиак можно с помощью смеси извести с едким натрием, через которую пропускают полученный газ. Для этой же цели жидкий аммиак смешивают с металлическим натрием и подвергают дистилляции.

Аммиак легче воздуха, поэтому для его сбора пробирку держат вверх дном.

Применение

Аммиак используется в разных отраслях:

• в сельском хозяйстве - для производства азотсодержащих удобрений;
• в промышленности - для производства полимеров, взрывчатых веществ, искусственного льда;
• в химии - для изготовления азотной кислоты, соды;
• в медицине - в качестве нашатырного спирта.

Рис. 3. Производство удобрений.

Что мы узнали?

Аммиак получают промышленным и лабораторным путём. Для получения в промышленных масштабах используется азот и водород. Смешиваясь под высокой температурой, давлением и под действием катализатора, простые вещества образуют аммиак. Чтобы реакция при высокой температуре не пошла в обратную сторону, газ охлаждают. В лаборатории аммиак получают при реакции солей аммония со щелочами, гашёной известью или путём разложения гидроксида аммония. Аммиак применяется в химической промышленности, сельском хозяйстве, медицине, химии.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 263.

Влияние температуры, давления и катализаторов на скорость протекания реакций и химические равновесия активно используется в химической промышленности при получении многих химических продуктов. В данном разделе мы познакомимся с промышленным получением аммиака и подробно остановимся на том, как влияют на его производство все указанные факторы. Затем мы познакомимся с промышленным получением серной кислоты.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ АММИАКА

В Великобритании имеется восемь заводов по выпуску аммиака. Их совместная производительность превышает 2 млн. тонн в год. В настоящее время во всем мире ежегодно производится приблизительно 5 млн. тонн аммиака. На рис. 7.1 рост производства аммиака сопоставлен с ростом населения земного шара. Для чего необходимо производить столь большое количество аммиака?

Рис. 7.1. Рост населения земного шара и мирового производства аммиака.

Таблица 7.2. Применения аммиака и родственных продуктов

Главным образом он необходим для получения азотсодержащих удобрений. изготовление удобрений расходуется приблизительно 80% всего получаемого аммиа] Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме в котором нуждается большинство растений. Остальные 20% производимого аммиа используются для получения полимеров, взрывчатых веществ и других продукт! Различные применения аммиака указаны в табл. 7.2.

Производство аммиака

Первым промышленным процессом, который использовался для получения аммиа был цианамидный процесс. При нагревании извести и углерода получали карб кальция Затем карбид кальция нагревали в атмосфере азота и получг цианамид кальция . Аммиак получили гидролизом цианамида кальция:

Этот процесс требовал больших затрат энергии и был неэкономичен.

В 1911 г. Ф. Габер обнаружил, что аммиак можно синтезировать непосредствет из азота и водорода, используя железный катализатор. Первый завод по производс аммиака этим методом использовал водород, который получали электролизом во, Впоследствии водород стали получать из воды путем восстановления коксом. Э способ получения водорода намного экономичнее.

Фриц Габер (1868 1934)

В 1908 г. немецкий химик Габер обнаружил, что аммиак можно получать водорода и атмосферного азота на железном катализаторе. Для проведения этого процесса необходимы высокие давление и умеренно высокая температура. Открытие Габера позволило Германии продолжать производство взрывчатых веществ во время первой мировой войны. В это время блокада Антанты препятствовала ввозу в Германию природных залежей нитрата калия (чилийской селитры), которыми пользовалась прежде в качестве сырья для производства взрывчатых веществ.

Через год, после того как Габер разработал процесс синтеза аммиака, создал стеклянный электрод для измерения pH (кислотно-основных свойств) растворов (см. гл. 10).

Габер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 г. После прихода Гитлера к власти Габер был вынужден эмигрировать из Германии в 1933 г.

(Производство азотной кислоты и нитратов из аммиака описано в разд. 1)

Современный процесс производства аммиака

Современный процесс получения аммиака основан на его синтезе из азота и водорода при температурах 380-450°С и давлении 250 атм с использованием железного катализатора:

Азот получают из воздуха. Водород получают восстановлением воды (пара) с помощью метана из природного газа либо из лигроина. Лигроин (нафта) представляет собой жидкую смесь алифатических углеводородов, которая получается при переработке сырой нефти (см. гл. 18).

Работа современного аммиачного завода очень сложна. На рис. 7.2 показана упрощенная схема действия аммиачного завода, работающего на природном газе. Эта схема действия включает восемь стадий.

1-я стадия. Удаление серы из природного газа. Это необходимо, поскольку сера представляет собой каталитический яд (см. разд. 9.2).

2-я стадия. Получение водорода восстановлением пара при 750°С и давлении 30 атм с помощью никелевого катализатора:

3-я стадия. Впуск воздуха и сгорание части водорода в кислороде вводимого воздуха:

В результате получается смесь водяного пара, моноксида углерода и азота. Водяной пар восстанавливается с образованием водорода, как на 2-й стадии.

4-я стадия. Окисление моноксида углерода, образующегося на стадиях 2 и 3, до диоксида углерода по следующей реакции «сдвига»:

Этот процесс проводится в двух «реакторах сдвига». В первом из них используется катализатор из оксида железа и процесс проводится при температуре порядка 400°С. Во втором используется медный катализатор и процесс проводится при температуре 220°С.

Рис. 7.2. Стадии промышленного процесса получения аммиака.

5-я стадия. Вымывание диоксида углерода из газовой смеси при помощи буферного щелочного раствора карбоната калия или раствора какого-либо амина, например этаноламина . Диоксид углерода в конце концов сжижают и используют для производства мочевины, либо выпускают в атмосферу.

6-я стадия. После 4-й стадии в газовой смеси остается еще около 0,3% моноксида углерода. Поскольку он может отравлять железный катализатор во время синтеза аммиака (на 8-й стадии), моноксид углерода удаляют путем конверсии водородом в метан на никелевом катализаторе при температуре 325°С.

7-я стадия. Газовую смесь, которая теперь содержит приблизительно 74% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; при этом ее давление возрастает от 25-30 атм до 200 атм. Поскольку это приводит к повышению температуры смеси, ее сразу же после сжатия охлаждают.

8-я стадия. Газ из компрессора поступает теперь в «цикл синтеза аммиака». Схема, приведенная на рис. 7.2, дает упрощенное представление об этой стадии. Сначала газовая смесь попадает в каталитический конвертер, в котором используется железный катализатор и поддерживается температура 380-450°С. Газовая смесь, выходящая из этого конвертера, содержит не более 15% аммиака. Затем аммиак сжижают и направляют в приемный бункер, а непрореагировавшие газы возвращают в конвертер.

Выбор оптимальных условий процесса синтеза аммиака

Чтобы процесс синтеза аммиака был максимально эффективным и экономичным, необходимо тщательно подобрать условия его проведения. Важнейшими показателями, которые учитываются при этом, являются: 1) выход, 2) скорость и 3) энергоемкость процесса. Обратимся к 8-й стадии процесса, т. е. непосредственно к синтезу аммиака, и исследуем влияние давления, температуры и катализаторов на эффективность этого процесса.

Влияние давления. Как сказано выше, получение аммиака может быть представлено следующим уравнением:

Константа равновесия этой реакции определяется выражением

Если выразить входящие в это выражение парциальные давления газов через их мольные доли и полное давление Р в системе, получится такое выражение:

Это выражение можно упростить, придав ему вид

При заданной температуре величина должна оставаться постоянной. Если полное давление Р в системе повысится, член в приведенном выше выражении должен уменьшиться. Отсюда следует, что, поскольку величина должна оставаться постоянной, отношение Должно увеличиться. Таким образом, повышение полного давления должно привести к увеличению и уменьшению Следовательно, повышение давления благоприятствует протеканию прямой реакции, т. е. повышению выхода аммиака.

Влияние температуры и катализаторов. Синтез аммиака представляет собой экзотермический процесс (см. табл. 7.1, а). Следовательно, повышение температуры должно благоприятствовать протеканию обратной реакции (см. предыдущий раздел). Это означает, что понижение температуры должно повышать выход реакции синтеза аммиака (рис. 7.3). К сожалению, однако, при низких температурах очень замедляется скорость этой реакции, а следовательно, и скорость получения аммиака. Другими словами, при низких температурах процесс должен иметь низкую производительность, а значит, низкую экономичность. Для достижения оптимальной производительности необходимо выбрать компромиссный вариант между двумя крайними возможностями:

1) высоким выходом и низкой скоростью реакции (при низких температурах) и

2) низким выходом и высокой скоростью реакции (при высоких температурах).

Рис. 7.3. Влияние температуры и давления на выход аммиака в процессе Габера (термин «относительный выход» объясняется в разд. 4.2).

Разумеется, скорость реакции повышается благодаря использованию катализатора. Таким образом, катализатор позволяет проводить процесс эффективнее при низких температурах. Эффективность железного катализатора, используемого для синтеза аммиака, повышается, если к нему добавляют так называемые промоторы. Для промотирования эффективности железного катализатора используются оксиды калия и алюминия.

Обстоятельное рассмотрение экономичности процесса синтеза аммиака показывает, что для достижения оптимального выхода и производительности следует поддерживать температуру приблизительно равной 400°С, а давление равным 250 атм.

Энергетический баланс

Обычный аммиачный завод производит ежесуточно около 1000 т аммиака. При этом потребность в водяном паре составляет 6000 т/сут, чтобы приводить в действие паровые турбины, от которых работают компрессоры. К счастью, химические процессы, проводимые при получении аммиака, являются экзотермическими. Вся энергия, которая высвобождается на ранних стадиях процесса производства аммиака, используется для получения сильно сжатого пара. Энергия, которая высвобождается непосредственно при самом синтезе аммиака (8-я стадия), используется для поддержания температуры каталитического конвертера на уровне 400°С. Общая тепловая эффективность аммиачного завода составляет около 60%. Другими словами, приблизительно 40% затрачиваемой энергии, которая обеспечивается природным газом, составляют тепловые потери.

Особенности проектирования аммиачного завода

Конструирование современного аммиачного завода, комплектование его штатов и эксплуатация требуют участия квалифицированных специалистов и применения сложного инженерного оборудования. Например, компрессоры, используемые на 3-й стадии процесса для сжатия воздуха и на 7-й стадии для сжатия синтез-газа (смеси азота и водорода) должны быть рассчитаны на то, чтобы выдерживать очень высокие давления - в некоторых случаях до 350 атм. Эти компрессоры приводятся в действие паровыми турбинами, в которые поступает пар под давлением в 100 атм и при температуре выше 400°С. Такие турбины вращаются со скоростью, достигающей нескольких тысяч оборотов в минуту.

Реакторы, в которых проводится синтез аммиака, тоже должны удовлетворять очень высоким требованиям. При повышенных давлениях и температурах, при которых работают эти реакторы, водород может воздействовать на сталь, диффундируя в металл. В результате водород вступает в реакцию с углеродом, содержащимся в стали, и образует метан. Это приводит к возникновению раковин в металле и делает сталь хрупкой. Чтобы воспрепятствовать этому, реакторы конструируют из специальных сплавов, содержащих хром, молибден и никель.

Расположение аммиачного завода тоже имеет важное экономическое значение. В идеальном случае такой завод должен располагаться вблизи от 1) источников энергии;

2) источников воды, которая может использоваться в больших количествах;

3) транспортных магистралей: шоссейных дорог, железных дорог, реки или моря.

Четыре аммиачных завода Великобритании расположены вблизи Биллингема на р. Тей (в Шотландии). Это место было выбрано в свое время по причине близости от угольных залежей в Дархеме. Оно оказалось удобным и в настоящее время из-за своей близости к залежам нефти и газа в континентальном шельфе Северного моря.

Аммиак – NH 3

Аммиак (в европейских языках его название звучит как «аммониак») своим названием обязан оазису Аммона в Северной Африке, расположенному на перекрестке караванных путей. В жарком климате мочевина (NH 2) 2 CO, содержащаяся в продуктах жизнедеятельности животных, разлагается особенно быстро. Одним из продуктов разложения и является аммиак. По другим сведениям, аммиак получил своё название от древнеегипетского слова амониан . Так называли людей, поклоняющихся богу Амону. Они во время своих ритуальных обрядов нюхали нашатырь NH 4 Cl, который при нагревании испаряет аммиак.

1. Строение молекулы

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине . Три неспаренныхp-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH 4 + .

Вид химической связи: ковалентная полярная, три одинарные σ - сигма связи N-H

2. Физические свойства аммиака

При нормальных условиях - бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. Растворимость NH 3 в воде чрезвычайно велика - около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

3.

4. Химические свойства аммиака

Для аммиака характерны реакции:

1. с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления)
2. без изменения степени окисления атома азота (присоединение)

5. Применение аммиака

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест; ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак выпускается в жидком виде или в виде водного раствора – аммиачной воды, которая обычно содержит 25% NH 3 . Огромные количества аммиака далее используются для получения азотной кислоты , которая идет на производство удобрений и множества других продуктов. Аммиачную воду применяют также непосредственно в виде удобрения, а иногда поля поливают из цистерн непосредственно жидким аммиаком. Из аммиака получают различные соли аммония, мочевину, уротропин . Его применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках.

Аммиак используется также для получения синтетических волокон , например, найлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка . В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. Аммиак используется также при производстве соды по методу Сольве. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость.

Медики используют водные растворы аммиака (нашатырный спирт) в повседневной практике: ватка, смоченная в нашатырном спирте, выводит человека из обморочного состояния. Для человека аммиак в такой дозе не опасен.

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр №1 "Горение аммиака"

Тренажёр №2 "Химические свойства аммиака"

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Осуществить превращения по схеме:

а) Азот→ Аммиак → Оксид азота (II)

б) Нитрат аммония → Аммиак → Азот

в) Аммиак → Хлорид аммония → Аммиак → Сульфат аммония