Основы производства синтетического аммиака

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.

Технологические свойства аммиака

Аммиак NH₃ — бесцветный газ с резким запахом с темпера­турой кипения -33,35°С и температурой плавления -77,75°С.

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. На рис. 4 представ­лены основные направления использования аммиака в промыш­ленности и сельском хозяйстве.

Рис. 4. Использование аммиака

Производство аммиака в РФ составило в 2008 году 12,7 млн.т.

Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) стехиометрического состава N₂:H₂=1:3. Так как ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, сырь­евая база аммиачного производства определяется вторым ком­понентом смеси — водородом, который может быть получен раз­делением обратного коксового газа, газификацией твердого топлива, конверсией природного газа.

Рис.5. Сырьевые ресурсы производства аммиака

Структура сырьевой базы производства аммиака менялась и сейчас свыше 90% аммиака вырабатывается на основе природ­ного газа.

Табл. 3

Изменение сырьевой базы производства аммиака

Виды сырья	Доля сырья по годам, %	Энергоемкость, тонн усл. топлива
Твердое топливо	32,0	15,9	10,4	5,7	1.5	3,73
Коксовый газ	32,1	18,2	14,2	11,7	5,3	2,07
Природный газ	16,3	59,9	72,3	79,6	92,2	1,50

Азотоводородная смесь, независимо от метода ее получения, содержит примеси веществ, некоторые из которых являются каталитическими ядами, вызывающими как обратимое (кисло род, оксиды углерода, пары воды), так и необратимое (различные соединения серы и фосфора) отравление катализатора.

С целью удаления этих веществ ABC подвергается предварительной очистке, методы и глубина которой зависят от их природы и содержания, то есть от способа производства ABC. Обычно, ABC, получаемая конверсией природного газа, содержит
оксид углерода (IV), метан, аргон, следы кислорода и до 0,4%
об. оксида углерода (II).

Для очистки ABC в промышленности используются методы абсорбции жидкими поглотителями (мокрый метод) и адсорбции твердым поглотителем (сухой метод). При этом процесс очистки может производиться на различных стадиях производства.

Синтез аммиака - один из наиболее совершенных химико-технологических процессов. Он описывается реакцией взаимодействия: азота с водородом:

N₃ + 3H₂ «2NH₃ + 21,8 ккал

Эта реакция обратима. Она протекает с уменьшением объема (из четы­рех объемов азотоводородной смеси получается два объема аммиака) и выделением тепла. Следовательно, основываясь на принципе Ле-Шателье, для того чтобы сдвинуть равновесие реакции в сторону образования аммиака, необходимо проводить процесс при высоких давлениях и низких температурах, высокой концентрации азота и водорода в газе, поступающем на синтез. Чем выше давление и ниже темпе­ратура, тем выше концентрация аммиака в синтез-газе. Исходя из этого все промышленные ус­тановки синтеза-аммиака рабо­тают при давлениях, исчисляемых сотнями атмосфер. Что ка­сается температуры, то при низких температурах скорость реакций настолько мала, что реакция практически не проте­кает. Поэтому для того, чтобы реакция проходила с выгодной для промышленности скоростью, необходимо повышение темпера­туры. Оптимальной температурой, при которой будут достаточно высокими скорость реакции и степень превращения азотоводородной смеси в аммиак; оказалась температура около 500°С. Но и этого недостаточно для проведения процесса с большой скоростью. В этом случае, как и в ряде других (например, при окислении двуокиси серы), ускорить реакцию можно с помощью катализатора - железа в виде губчатых кусочков или таблеток с добавками окислов алюминия и калия для придания высокой и стабильной активности.

Рис. 6. Принципиальная схема производства аммиака

Контрольные вопросы к теме VII

«Технология связанного азота»

1. В чем заключается проблема «связанного» азота?

2. Укажите промышленные методы «связывания» атмосферного азо­та и сравните их энергоемкость и эффективность.

3. Перечислите основные области использования аммиака и его ра­створов.

4. Почему аммиачно-воздушные смеси с содержанием аммиака от 0,155 до 0,270 об. дол. не используются в производстве?

5. Как и почему изменилась структура сырья аммиачного производ­ства в последние годы?

6. Что такое метанирование (предкатализ) в производстве аммиака?

7. Почему в производстве аммиака используется циклическая схе­ма?

8. Как получают контактную массу для производства аммиака? Для
чего в нее вводятся оксиды алюминия, калия и кальция?

9. Почему в производстве аммиака наиболее распространены систе­мы так называемого «среднего» давления?

10. Чем обеспечивается оптимальный температурный режим в колон­не синтеза?

Дата добавления: 2014-01-04