Технология производства аммиака. Промышленные способы синтеза аммиака, катализаторы и аппаратурное оформление процесса

Сырьем для производства аммиака служат водород и азот. Азот получают из воздуха, водород — из природного газа методом конверсии. Производство аммиака состоит из нескольких стадий:

получение водорода методом конверсии метана: СН4 + Н20 ^ СО + ЗН2 + Q

конверсия оксида углерода: СО+ H20<±C02 + Н2+ Q

синтез аммиака: N2 + ЗН2 2NH3 + Q

Все реакции протекают с участием катализаторов и при высоких температурах. При осуществлении процесса конверсии СН4 проводят очистку природного газа от соединений серы, которые являются каталитическими ядами, а также очистку азотоводородной смеси от оксидов углерода.

Конверсию метана осуществляют при температуре 800 — 900 °С на никелевом катализаторе. Конвертированный газ, получаемый после конверсии метана, содержит 20 — 40% оксида углерода.

Для увеличения выхода водорода газ после конверсии метана восстанавливают водяным паром. Селективными являются железо-хромовый и медьсодержащий катализаторы: первый обеспечивает достаточную скорость реакции при температуре 450 — 500 «С, второй активно работает при 250 — 300 °С. Остаточная концентрация СО составляет 0,3 — 0,5%.

После очистки газа от оксидов углерода он поступает на синтез аммиака. Получение NH3 протекает на железном катализаторе с добавками стабилизирующих и промотирующих добавок при давлении 35 — 40 МПа.

В процессах получения аммиака и азотной кислоты используют вторичные энергетические ресурсы. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

В промышленности синтез аммиака осуществляют по энерготехнологической схеме. Это означает, что в схему производства аммиака должен быть включен дополнительно энергетический узел для компенсации потерь. Сжатие природного газа и воздуха до 4,5 МПа, а азотоводородной смеси до 32 МПа осуществляется с помощью мощных турбокомпрессоров. Расход электроэнергии для получения 1 т аммиака оценивают в 880 — 900 кВт — ч. Наибольшее количество энергии (более 50 %) потребляет компрессор для сжатия синтез-газа с частотой вращения вала около 11000 мин-1.

В то же время в производстве аммиака образуются технологические потоки газа, нагретые до высокой температуры. Это дымовые и конвертированные газы после конверсии метана, сингез-газ после метанирования и др. Однако их энергии и потенциала недостаточно для образования пара с высокими параметрами. Поэтому в технологическую схему дополнительно вводят котел, в котором сжигают природный газ. Пар, получаемый в котлах-утилизаторах за счет использования тепла технологических потоков, и пар, получаемый в дополнительном котле, собирают в паросборнике и оттуда распределяют на паровые турбины — приводы компрессоров. Таким образом, при производстве аммиака используют производственные вторичные энергетические ресурсы, а также потребляют дополнительное тепло, получаемое от сжигания природного газа в котле, который входит составной частью в технологическую схему. Процесс получения аммиака становится автономным и обеспечивает себя необходимой энергией.

Соединения азота имеют исключительное значение для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства. Их потребляют производства азотной кислоты, разнообразных минеральных удобрений, полимерных материалов, взрывчатых веществ и ракетных топлив, красителей, фармацевтических препаратов. Аммиак является важнейшим и практически единственным соединением азота, производимым в промышленных масштабах из азота атмосферы. Таким образом, его следует рассматривать как полупродукт для получения всех остальных соединений азота. Аммиак-ключевой продукт для получения многочисленных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту. На основе аммиака в настоящее время производятся практически все соединения азота, используемые в качестве целевых продуктов и полупродуктов неорганической и органической технологии. Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) стехиометрического состава N2:H2=1:3. Так как ресурсы атмосферного азота практиечски неисчерпаемы, сырьевая база аммиачного производства определяется вторым компонентом смеси-водородом, который может быть получен разделением обратного коксового газа, газификацией твердого топлива, конверсией природного газа. АВС, независимо от метода ее получения, содержит примеси веществ, некоторые из которых являеются каталитическими ядами, вызывающими как обратимое (различные соединения серы и фосфора) отравление катализатора. Современное производство аммиака состоит из 2 стадий: приготовления АВС и превращения ее в аммиак, представляя единую энерготехнологическую схему, в которой сочетаются операции получения АВС, ее очистки и синтез аммиака и эффективно используются тепловые эффекты всех стадий процесса, что позволяет в несколько раз снизить затраты электроэнергии.

Даже при сравнительно высоких температурах энергия активации молекул азота велика и процесс синтеза аммиака в гомогенной газовой фазе практически неосуществим. Для снижения энергии активации используются катализаторы, позволяющие знаичтельно уменьшить температуру процесса. Реакция синтеза аммиака катализируется металлами, имеющими не полностью застроенные d- и f-электронные уровни. К ним относятся железо, родий, вольфрам, рений, осмий, платина, уран и некоторые другие металлы. В промышленности используются контактные массы на основе железа. Он дешев, достаточно активен при температурах 450-500С, менее остальных катализаторов чевствителен к каталитическим ядам.

Применение высоких давлений увеличивает скорость процесса синтеза за счет повышения движущей силы процесса ∆P=P_N2*P_H2³ и уменьшения скорости обратной реакции диссоциации аммиака, и способствует отделению образовавшегося аммиака от газовой смеси путем его конденсации.

Оптимальный температурный режимпроцесса определяется общими закономерностями влияния температуры на выход продукта экзотермического процесса, которым является производство аммиака. С ростом объемной скорости газа возрастает интенсивность катализатора. Поэтому, увеличение объемной скорости газа до определенного предела положительно сказывается на выходе аммиака. Дальнейшее повышение ее приводит к увеличению затрат на транспортировку газа, нарушению автотермичности и снижению полноты выделения аммиака из газовой смеси.

Состав АВС выбирается возможно более близким к стехиометрическому. Что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак. Увеличение времени контактирования не может быть использовано для того, чтобы обеспечить в системе состояние равновесия, так как на практике синтез аммиака проводят в условиях, далеких от равновесных. Однако при более высоких температурах приближение к состоянию равновесия

достигается быстрее.

Поиск по сайту: