Сырьевая база для производства аммиака

Тема: Производство аммиака и азотной кислоты.

План:

1. Свойства аммиака.

2. Сырьевая база для производства аммиака

3. Физико-химические основы синтеза аммиака.

4. Промышленные схемы синтеза аммиака.

5. Оборудование систем синтеза аммиака.

6. Основные направления совершенствования производства аммиака.

7. Производство азотной кислоты

Свойства 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.

Аммиак NH₃ – бесцветный газ с резким запахом. При нормальных условиях плотность газообразного аммиака составляет 0,771 кг/м³. При охлаждении до -33,4⁰С (760мм рт.ст.) аммиак сжижается и при -78⁰С затвердевает в виде кристаллов кубической формы. Жидкий аммиак - бесцветная жидкость плотностью 0,6814 т/м³ при температуре кипения. Критическая температура аммиака равна 132,4⁰С. Аммиак хорошо растворим в воде (700л в 1л), ограниченно растворим в органических растворителях. Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, фосфор, серу, йод и многие неорганические и органические соединения. При температуре выше 1300⁰С аммиак диссоциирует на азот и водород:

2 NH₃ = N₂ + 3H₂ + Н

Сухой аммиак образует с воздухом взрывоопасные смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры и при 18⁰С ограничены интервалам содержания аммиака в газовой смеси от 0,155 до 0,27 объемных долей. Эта особенность системы аммиак – воздух учитывается при производстве азотной кислоты окислением аммиака, в котором сырьем является аммиачно-воздушная смесь.

Применяется аммиак для получения азотной кислоты, минеральных удобрений (карбамид, аммофос, нитрат аммония, карбонат аммония), гербицидов, уротропина, соды по аммиачному методу, высокомолекулярных соединений (полиуретаны, полиамиды, полиакрилонитрил). На легком сжижении и последующем испарении с поглощением теплоты основано его применение в холодильном деле. Жидкий аммиак и его водные растворы применяют как жидкие удобрения.

Тема: Производство аммиака и азотной кислоты.

План:

1. Свойства аммиака.

2. Сырьевая база для производства аммиака

3. Физико-химические основы синтеза аммиака.

4. Промышленные схемы синтеза аммиака.

5. Оборудование систем синтеза аммиака.

6. Основные направления совершенствования производства аммиака.

7. Производство азотной кислоты

Свойства 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.

Аммиак NH₃ – бесцветный газ с резким запахом. При нормальных условиях плотность газообразного аммиака составляет 0,771 кг/м³. При охлаждении до -33,4⁰С (760мм рт.ст.) аммиак сжижается и при -78⁰С затвердевает в виде кристаллов кубической формы. Жидкий аммиак - бесцветная жидкость плотностью 0,6814 т/м³ при температуре кипения. Критическая температура аммиака равна 132,4⁰С. Аммиак хорошо растворим в воде (700л в 1л), ограниченно растворим в органических растворителях. Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, фосфор, серу, йод и многие неорганические и органические соединения. При температуре выше 1300⁰С аммиак диссоциирует на азот и водород:

2 NH₃ = N₂ + 3H₂ + Н

Сухой аммиак образует с воздухом взрывоопасные смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры и при 18⁰С ограничены интервалам содержания аммиака в газовой смеси от 0,155 до 0,27 объемных долей. Эта особенность системы аммиак – воздух учитывается при производстве азотной кислоты окислением аммиака, в котором сырьем является аммиачно-воздушная смесь.

Применяется аммиак для получения азотной кислоты, минеральных удобрений (карбамид, аммофос, нитрат аммония, карбонат аммония), гербицидов, уротропина, соды по аммиачному методу, высокомолекулярных соединений (полиуретаны, полиамиды, полиакрилонитрил). На легком сжижении и последующем испарении с поглощением теплоты основано его применение в холодильном деле. Жидкий аммиак и его водные растворы применяют как жидкие удобрения.

Сырьевая база для производства аммиака

Сырьем для производства аммиака является азотно-водородная смесь (АВС) стехиометрического состава N₂ : Н₂ = 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 и жидкого топлива, конверсией природного газа и газов переработки нефти.

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

АВС независимо от метода ее получения содержит примеси веществ, некоторые из которых являются каталитическими ядами, вызывающими как обратимое (кислород, оксиды углерода, пары воды), так и необратимое (различные соединения серы и фосфора) «отравление» катализатора. Для удаления этих веществ АВС подвергают предварительной очистке, методы и глубина которой зависят от их природы и содержания, т.е. от способа производства АВС. Обычно АВС, получаемая конверсией природного метана, содержит диоксид углерода, метан, аргон, следы кислорода, оксид углерода.

Для очистки АВС в промышленности используют абсорбцию жидкими поглотителями (мокрый метод) и твердыми поглотителями (сухой метод). При этом очистка может производиться на различных стадиях производства:

· исходного газа перед подачей его на конверсию;

· конвертированного газа для удаления из него оксида углерода;

· АВС непосредственно перед синтезом аммиака (тонкая очистка АВС).

Тонкая очистка АВС достигается хемосорбцией примесей жидкими реагентами и окончательно каталитическим гидрированием или промыванием АВС жидким азотом.

Для удаления диоксида углерода и сероводорода АВС промывают в башнях с насадкой щелочными реагентами, образующими с ними термически нестойкие соли; водным раствором этаноламина или горячим, активированным добавкой диэтаноламина, раствором карбоната калия.

Более эффективным методом очистки АВС от диоксида углерода является применяемая в современных установках промывка АВС жидким азотом при температуре –190⁰С, в процессе которой из нее удаляются помимо диоксида углерода метан и аргон.

Окончательная очистка АВС достигается каталитическим гидрированием примесей, получившим название метанирования, или предкатализа. Этот процесс проводится в специальных установках метанирования при температуре 250-300⁰С и давлении около 30МПа на никель-алюминиевом катализаторе (Ni + Al₂O₃). При этом протекают экзотермические реакции восстановления кислородсодержащих примесей до метана, который не является ядом для железного катализатора, а вода конденсируется при охлаждении очищенного газа и удаляется из него:

СО + 3Н₂ « СН₄ + Н₂О

СО₂ + 4Н₂ « СН₄ + 2Н₂О

О₂ + 2Н₂ « 2Н₂О

Процесс метанирования прост, легко управляем, а выделяющаяся в результате протекающих экзотермических реакций гидрирования теплота используется в общей энерготехнологической схеме производства аммиака.

Очищенная АВС, поступающая на синтез, содержит до 0,0025 об. долей аргона, 0,0075 об. долей метана и не более 0,00004 об. долей диоксида углерода, являющегося наиболее сильным каталитическим ядом.

Рассмотрим технологическую схему получения азотно-водородной смеси.

Рисунок 1 Технологическая схема получения азотно-водородной смеси

1 – теплообменник; 2- увлажнитель; 3- конвертор метана; 4 – конвертор оксида углерода; 5- котел-утилизатор; 6 – подогреватель воды; 7 – конденсационная башня; 8- абсорбер диоксида углерода; 9 – десорбер; 11 – подогреватель этаноламина.

Метан подогревают в теплообменнике 1 за счет тепла конвертированного газа. Перед входом в теплообменник к газу добавляют горячую воду. Паро-газовая смесь нагревается до 600⁰С и проходит с кислородо-воздушной смесью в конвертор 3. Конверсия протекает на никелевом катализаторе при 850-900⁰С. Из конвертора газовая смесь поступает в увлажнитель 2, в котором она охлаждается водой до 700⁰С, а затем поступает в теплообменник, где охлаждается до 400⁰С. После этого газовая смесь направляется в конвертор оксида углерода 4. Температура в конверторе регулируется путем впрыска различного количества конденсата в увлажнитель и изменением подачи пара в конвертор. Катализатор (железо-хромовый) помещается в двух секциях конвертора. Газ из конвертора поступает в котел-утилизатор 5, в котором получается пар давлением 0,5 МПа. Затем он направляется в подогреватель воды 6, нагревая воду до 85⁰С. Окончательное охлаждение газа до 30⁰С происходит в конденсационной башне 7 путем орошения ее оборотной водой. Охлажденный конвертированный газ подается в абсорбер 8 для очистки от диоксида серы раствором моноэтаноламина. Азотно-водородная смесь направляется на синтез аммиака. Раствор моноэтаноламина, выходящий из абсорбера, регенерируется в десорбере 9, пройдя предварительно подогреватель 11, в котором он нагревается до 100-110⁰С. Диоксид углерода сбрасывается в линию инертного газа или в дымовую трубу, а раствор этаноламина охлаждается в холодильнике 10 и вновь подается в абсорбер.