1.6 Співвідношення реагентів

Із загальних міркувань, а, також з аналізу рівняння Тьомкіна-Пижева витікає, що коли зміст якого-небудь реагенту (водню або азоту) наближається до нульового або стовідсоткового, в обох випадках швидкість реакції прагне до нуля. Існує оптимальне співвідношення водню й азоту, при якому швидкість реакції максимальна.

Відповідно до термодинамічних розрахунків максимальний вихід аміаку при високих тисках повинен спостерігатися для співвідношення РН2:РN2 трохи менше 3:1. В умовах промислового каталітичного синтезу такий вихід досягається при відношенні РH2:РN2 близьким до 3. Зрушення максимуму убік суміші, збагаченої азотом, у випадку каталітичного процесу може бути пояснений тим, що стадією, що лімітує, процесу в широкому інтервалі умов є активована адсорбція азоту. При використанні сумішей, збагачених воднем, протікання процесу на каталізаторі при тиску 30 МПа й низьких температурах (350С) характеризується гальмуючим впливом водню на каталізаторах, промотованих тільки оксидом алюмінію (від 2 до 15% А12О3). Ступінь наближення до рівноваги тим менше, чим вище концентрація А12О3, нижче температура.

Аналіз кінетичних залежностей синтезу аміаку дозволяє зробити наступні висновки:

- ефективність процесу збільшується з ростом тиску, об'ємної швидкості й зменшенням початкового змісту аміаку й інертів;

- існує оптимальний температурний режим процесу, що є “падаючим”, тобто зі збільшенням змісту аміаку оптимальна температура зменшується;

- існує оптимальне співвідношення водню й азоту, що при низьких змістах аміаку становить 1,5, а при близьких до рівноважного - 3,0.

3. Технологічне оформлення процесу синтезу аміаку

Технологічна схема процесу

1 - Підігрівач газу. 2 - Колона синтезу аміаку. 3 - Підігрівач води. 4 - Виносний теплообмінник. 5 - Циркуляційне колесо компресора. 6 - Сепаратор рідкого аміаку. 7 - Блок апарату повітряного охолодження. 8 - Конденсаційна колона. 9 - Конденсаційна колона продувних газів. 10 - випарник рідкого аміаку на лінії продувних газів. 11 - Збірник рідкого аміаку. 12 - Випарник рідкого аміаку на лінії танкових газів. 13 - Сепаратор. 14 - Проміжна дренажна емність.15 - Випарники рідкого аміаку.16 - Магнітний фільтр.

Принципова технологічна схема синтезу аміаку в агрегаті потужність 1360 т / добу на вітчизняному обладнанні. Свіжа азотоводневава суміш після очищення стискається в відцентровому компресорі до тиску 32 МПа і після охолодження в повітряному холодильнику надходить у нижню частину конденсаційної колони 8 для очищення від залишкових домішок СОз, Н₂О і слідів масла. Свіжий газ барботують через шар конденсуючого рідкого аміаку, звільняється при цьому від водяної пари і слідів СО₂. і масла, насичується аміаком до 3-5% і змішується з циркуляційним газом. Отримана суміш проходить по трубках теплообмінника конденсаційної колони і направляють у міжтрубний простір виносного теплообмінника 4, де нагрівається до 185-195⁰С за рахунок теплоти газу, що виходить з колони синтезу. Потім циркуляційний газ надходить в колони синтезу 2. У колоні синтезу газ проходить знизу вверх по кільцевої щілини між корпусом колони і кожухом насадки і надходить у міжтрубний простір внутрішнього теплообмінника, розміщеного у горловині корпусу колони синтезу. В теплообміннику циркуляційний газ нагрівається до температури початку реакції 400-440°С за рахунок теплоти конвертованого газу і потім послідовно проходить чотири шару каталізатора, в результаті чого концентрація аміаку в газі підвищується до 15%. Пройшовши через центральну трубу, при температурі 500-515 ° С азотоводневоаміачна суміш прямує у внутрішній теплообмінник, де охолоджується до 330 ° С, подальше охолодження газової суміші до 215 ° С здійснюється у трубному просторі підігрівача живильної води 3, в трубному просторі виносного теплообмінника 4 до 65 ° С за рахунок холодного циркулюючого газу, що йде по між трубному просторі, і потім в апаратах повітряного охолодження 7 до 40 ° С , при цьому частина аміаку конденсується. Рідкий аміак, сконденсований при охолодженні, відокремлюється в сепараторі 6, а потім суміш, яка містить 10-12% NH₃, йде на циркуляційний колесо компресора 5 азотоводневої суміші, де стискається до 32 МПа. Циркуляційний газ при температурі 50 ° С надходить в систему вторинної конденсації, що включає конденсаційну колону 8 і випарники рідкого аміаку 15. В конденсаційної колоні газ охолоджується до 18 ° С і в випарника за рахунок кипіння аміаку в міжтрубному просторі до - 5°С. З трубного простору випарників суміш охолодженого циркуляційного газу і сконденсованої аміаку надходить в сепараційні частина конденсаційної колони, де відбувається відділення рідкого аміаку від газу і змішання свіжої азотоводневої суміші з циркуляційним газом. Далі газова суміш проходить кошик з фарфоровими кільцями Рашига, де відділяється від крапель рідкого аміаку, піднімається по трубках теплообмінника і прямує в виносної теплообмінник 4, а потім в колону синтезу.

Рідкий аміак з первинного сепаратора проходить магнітний фільтр 16, де з нього виділяється каталізатор ний пил, і змішується з рідким аміаком з конденсаційної колони 8. Потім його дросселирующее до тиску 4 МПа і відводять до збірки рідкого аміаку 11. В результаті дроселювання рідкого аміаку до 4 Мпа відбувається виділення розчинених у ньому газів Н₂, N₂, O₂, CH₄. Ці гази, звані танковими, містять 16-18% NН₃. Тому танкові гази направляють в випарник 12 з метою утилізації аміаку шляхом його конденсації при - 25 ° С. З випарника танкові гази й сконденсованих аміак надходить в сепаратор 13 для відділення рідкого аміаку, що направляється в збірник рідкого аміаку 11. Для підтримки в циркуляційному газі постійного утримання інертних газів, що не перевищує 10%, проводиться продування газу після первинної конденсації аміаку (після сепаратора 6).

Продувні гази містять 8-9% NН₃, який виділяється при температурі - 25 -30 ° С в конденсаційної колоні 9 і випарники 10 продувних газів. Суміш танкових і продувних газів після виділення аміаку використовується як паливний газ.