Все способы производства аммиака

Производство аммиака

Тема кодификатора ЕГЭ по химии: Общие научные принципы химического производства на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола.

В этой статье мы рассмотрим принципы химического производства на примере получения аммиака в объеме, достаточном для решения заданий по этой теме в ЕГЭ по химии.

В промышленности аммиак получают по методу Габера – прямым взаимодействием азота и водорода в реакционной колонне:

Реакция азота с водородом обратимая, экзотермическая, гомогенная (газофазная). Для увеличения выхода аммиака необходимо смещать равновесие в сторону продукта. Согласно принципу Ле-Шателье, для смещения равновесия вправо в данной реакции необходимо повышать давление и понижать температуру. Однако низкая температура уменьшит скорость реакции.

Поэтому для повышения скорости реакции температура в процессе поддерживается все-таки высокой, 500-550 о С и в присутствии катализатора.

А для смещения равновесия применяют очень высокие давления 15-30 МПа.

В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Рассмотрим процессы, протекающие на разных участках производства аммиака:

1 этап. Трубопровод. В трубопровод подается предварительно подготовленная азотно-водородная смесь (N₂:Н₂=1:3) в соотношении 1 к 3.

2 этап. Турбокомпрессор. Турбокомпрессор используется для сжатия исходной смеси газов с целью повышения давления. Синтез аммиака проводится при очень высоком давлении (15-30 МПа, или 150-300 атм).

3 этап. Колонна синтеза. В колонне синтеза (контактном аппарате) производится синтез аммиака. Азотно-водородная смесь продавливается через полки с катализатором. Процесс синтеза протекает обратимо (т.е. частично) и является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла. Часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание поступающей азотоводородной смеси с помощью теплообменников. Смесь, выходящая из колонны синтеза в холодильник, состоит из аммиака (20-30%) и не прорегировавших азота и водорода.

4 этап. Холодильник. В холодильнике реакционная смесь, которая выходит из колонны синтеза, охлаждается и направляется на дальнейшее разделение в сепаратор.

5 этап. Сепаратор. После прохождения холодильника температура реакционной смеси значительно снижается, и аммиак переходит в жидкую фазу. В сепараторе происходит разделение реакционной смеси, жидкий аммиак отделяют от азота и водорода и отправляют на склад.

6 этап. Циркуляционный насос. Циркуляционный насос возвращает не прореагировавшую смесь азота и водорода в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаѐтся довести использование азотводородной смеси (конверсию) до 95%.

Источник

Бизнес-идея: производство аммиака. Схема и технология производства аммиака

Производство аммиака использует в качестве сырья уголь, кокс, коксовый и природный газ. При этом основным сырьем все-таки служит природный газ.

Немного истории

Еще в 20 веке известным ученым-химиком Габером был разработан физико-химический синтез аммиака. Последователи Габера также внесли свою лепту в данное производство. Так, Митташ смог разработать эффективный катализатор, Бошем создано специальное оборудование.

Митташем испытано огромное количество смесей в качестве катализаторов (порядка 20 тысяч), пока он не остановился на шведском магнетите, имеющем такой же состав, как и катализаторы, активно применяемые и сегодня. Современные катализаторы представляют собой сталь, промотированную незначительным количеством окиси алюминия и калия.

Еще в советское время в исследовательских институтах и лабораториях при заводах была проведена громадная работа в сфере исследований кинетики и термодинамики синтеза аммиака. Существенный вклад в совершенствование самой технологии производства аммиака внесен инженерами азотно-туковых заводов и рабочими-новаторами производства. В результате проведения данных работ существенно был интенсифицирован весь технологический процесс, созданы совершенно новые конструкции специализированных аппаратов, началось строительство производства аммиака.

Советская система производства аммиака характеризовалась достаточной экономичностью и высокой производительностью.

Первым практическим применением, подтверждающим успех предложенной теории, была разработка такого важнейшего процесса химической технологии, как синтез аммиака.

Одним из видов достаточно эффективных путей усовершенствования технологии производства аммиака является утилизация газов продувочного вида. Современные установки выделяют аммиак из таких газов вымораживанием.

Продувочные газы после получения аммиака могут быть использованы как низкокалорийное топливо. Иногда их просто выбрасывают в атмосферу. Газы на сжигание должны направляться в трубчатую печь (отделение конверсии метана). Это позволяет сэкономить расход сырья (природный газ).

Существует и другой способ утилизации указанных газов. Это разделение их методиками глубокого охлаждения. Данный способ позволит снизить общую себестоимость готовой продукции (аммиака). Также аргон, получаемый в данном технологическом процессе, гораздо дешевле, чем его аналог, но извлекаемый в установке разделения воздуха.

В продувочных газах имеется повышенное содержание инертов, которые способствуют менее интенсивному протеканию реакции.

Схема производства аммиака

Для подробного изучения технологии изготовления аммиака необходимо рассмотреть процесс выделения аммиака из таких простых веществ, как водород и азот. Возвращаясь к химии школьного уровня, можно отметить, что данная реакция характеризуется обратимостью и снижением объема.

Так как эта реакция экзотермическая, то снижение температуры будет способствовать смещению равновесия в пользу выделения аммиака. Однако в этом случае происходит значительное снижение скорости самой химической реакции. Именно поэтому синтез осуществляется в присутствии катализатора и с выдерживанием температуры порядка 550 градусов.

Основные способы производства аммиака

Из практики известны следующие способы производства:

• при низком давлении (около 15 МПа);
• при среднем давлении (порядка 30 МПа) – самый распространенный способ;
• при высоком давлении (около 100 МПа).

Негативно на синтез аммиака влияют такие примеси, как сероводород, вода и оксид углерода. Чтобы они не снижали активность катализатора, азотводородная смесь должна быть тщательно очищена. Однако и в этих условиях лишь часть смеси превратится в будущем в аммиак.

Таким образом, рассмотрим подробнее процесс производства аммиака.

Технология производства

Схема производства аммиака предусматривает промывку природного газа с использованием жидкого азота. При этом необходимо провести конверсию газа под высокой температурой, давлением до 30 атмосфер и температурой порядка 1350 градусов. Только в этом случае конвертированный сухой газ будет иметь низкие расходные коэффициенты по кислороду и природному газу.

До недавнего времени производство аммиака, технология которого содержала как последовательные, так и параллельные связи между используемыми аппаратами, строилось на дублировании функций основного оборудования. Результатом такой организации производственного процесса было существенное растягивание технологических коммуникаций.

Существует современное производство аммиака, технология которого уже предусматривает использование установки мощностью от 1360 т в сутки. Данное оборудование включает не менее десяти аппаратов конверсии, синтеза и очистки. Последовательно-параллельные технологии формируют самостоятельные подразделения (цехи), которые отвечают за выполнение отдельных этапов переработки сырьевого материала. Таким образом организованное производство аммиака позволяет существенно улучшить условия труда на специализированных заводах, провести автоматизацию, что приведет к стабилизации всего технологического процесса. Указанные усовершенствования также приведут к значительному упрощению общей технологии производства синтетического аммиака.

Новшества в технологии изготовления аммиака

Современное производство аммиака в промышленности использует в качестве сырья более дешевый вид природного газа. Это существенно сокращает себестоимость готового продукта. Кроме того, благодаря такой организации, могут быть улучшены условия труда на соответствующих заводах, а также существенно упрощается химическое производство аммиака.

Особенности производственного процесса

Для последующего усовершенствования процесса производства необходимо освободить механизмы очистки газов от вредных и ненужных примесей. Для этого используется метод тонкой очистки (адсорбция и предкатализ).

Это в том случае, когда производство аммиака не предусматривает промывку газа с использованием жидкого азота, но при этом есть в наличии низкотемпературная конверсия оксида углерода. Для проведения конверсии природного газа на высокой температуре можно использовать обогащенный кислородом воздух. При этом необходимо следить, чтобы в конвертированном газе концентрация метана не превышала 0,5 %. Это связано с высокой температурой (около 1400 градусов), повышающейся при химической реакции. Поэтому в результате данного вида производства в исходной смеси прослеживается высокая концентрация инертного газа и его расход на 4,6 % больше, чем такой же расход при конверсии кислородом в концентрации 95 %. При этом расходование кислорода на 17 % ниже.

Производство газа технологического назначения

Данное производство является начальным этапом в синтезе аммиака и проводится под давлением около 30 ат. Для этого природный газ сжимается с использованием компрессора до 40 ат, далее он подогревается до 400 градусов в змеевике, который расположен в трубчатой печи, и подается в отсек сероочистки.

При наличии серы в количестве 1 мг в м в очищенном природном газе его нужно смешать с водяным паром в соответствующем соотношении (4:1).

Реакция взаимодействия водорода с окисью углерода (т.н. метанирование) происходит с выделением огромного количества тепла и значительным уменьшением объема.

Производство с медноаммиачной очисткой

Осуществляется, если производство аммиака не предусматривает промывку жидким азотом. В данном процессе используется медноаммиачная очистка. В этом случае используется такое производство аммиака, технологическая схема которого применяет обогащенный кислородом воздух. При этом специалисты должны следить за тем, чтобы в конвертированном газе концентрация метана не превышала 0,5 %, такой показатель напрямую связан с повышением температуры до 1400 градусов в процессе реакции.

Основные направления развития производства аммиака

Во-первых, в ближайшем будущем необходимо кооперирование органической и азотной промышленности, в основе которого должно находиться использование такого сырья, как природный газ или газ нефтепереработки.

Во-вторых, должно происходить постепенное укрупнение всего производства и отдельных его компонентов.

В-третьих, на современном этапе развития химической промышленности нужно проводить исследования по разработке активных каталитических систем для достижения максимального снижения давления в производственном процессе.

В-четвертых, должно войти в практику использование специальных колонн для осуществления синтеза с применением катализатора с «кипящим слоем».

В-пятых, с целью повышения эффективности производства нужно совершенствовать работу систем использования тепла.

Вывод

Аммиак имеет большое значение для химической промышленности и сельского хозяйства. Он служит сырьем в производстве азотной кислоты, ее солей, а также солей аммония и различных азотных удобрений.

Источник

Производство аммиака

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.

Источник