16. Теоретические основы синтеза аммиака. Устройство колонны синтеза. Схема.

Жидкий аммиак используется в качестве хладоагента в холодильных установках. Водный раствор аммиака используется в медицине под названием нашатырный спирт.

Сорта аммиака.

Жидкий аммиак бывает 2 сортов с концентрацией 99,9% и 99,6%. Остальное смазочное масло и влага.

Водный раствор аммиака в промышленности выпускается 2-х сортов - 25 и 22%. Для научных целей 30%.

Сырье для получения аммиака: водород и азот, азотоводородная смесь.

Получение азота.

Азот выделяется из воздуха. Для этого воздух ожижают при тепературе -170 градусов и подвергают ректификации. При этом выделяется чистый кислород, аргон в газовой фазе и чистый азот в жидкой фазе. В каждом областном центре имеется цех по получению азота и кислорода.

Теоретические основы синтеза аммиака.

Это обратимая экзотермическая реакция идущая с уменьшением объема.

N2 + 3H2 = 2NH3 - Q

по принципу Ле Шателье данную реакцию нужно вести при повышенном давлении и пониженной температуре. Катализатор процесса - уран и осмий. Но они очень дорогие и легко отравляются контактными ядами. На практике используется металлическое железо, содержащее промоторы: К2О, СаО, SiO2, Al2O3.

Приготовление катализатора.

Магнитит с добавкой промотора плавят в среде кислорода, а затем подвергают восстановлению азото-водородной смеси до металлического железа. Железный катализатор проявляет активность при температуре 400-500 градусов при достижении степени превращения 14-17% (равновесная степень превращения достигает 47-27%).

Реакция потекает с уменьшением объема. Для смещения равновесия рекции необходимо применять давление. Существует 3 варианта:

1. Давление менее 100 атм.

2. Давление от 200 до 600 атм.

3. Давление от 600 до 1000 атм.

В виду того, что степень превращения азотоводородной смеси не полная, используется циркуляционная схема.

Механизмы процесса.

Гетерогенный каталитический процесс синтеза аммиака складывается из следующих стадий:

1. Диффузия молекул азота к поверхности катализатора

2. В поры катализатора (внутренняя диффузия).

3. Химическая адсорбция азота и водорода на поверхности катализатора. Самая медленная стадия процесса. Определяет скорость всего процесса синтеза аммиака и называется лимитирующей.

4. Химическое взаимодействие сорбированного азота и водорода с образованием аммиака.

5. Десорбция аммиака с поверхности катализатора, дифузия его внутри пор и с поверхности в объем газовой фазы реактора.

Предварительно газ охлаждается в межтрубном пространстве теплообменни­ка а конденсационной колон­ны 4 (колонна — сочетание теплообменника а с газоотде­лителем в) охлажденным га­зом, проходящим сперва через насадку б, задерживающую брызги. Охлаждение в испари­теле 5 происходит за счет ки­пения жидкого аммиака, а не­обходимая для этого теплота отнимается от газа.

Характерной особенностью систем среднего давления яв­ляется получение, помимо жид­кого, также и газообразного аммиака (из испарителя), ко­торый перерабатывается обыч­но на том же заводе в азотную кислоту, мочевину, аммиачную селитру и др.

Газовая смесь, выходящая из колонны 4, содержит еще 3—4% аммиака и подается в верхнюю часть колонны синте­за (рис. 23) и отсюда через кольцевое пространство / меж­ду корпусом колонны 2 и стен­ками 3 катализаторной короб­ки 4 поступает в межтрубное пространство первого теплообменника 5, расположенного в ниж­ней части колонны (такое движение холодного газа предохраня­ет стенки колонны от перегревания, опасного тем, что при тем­пературе более 200 °С водород проникает в сталь и разруша­ет ее).

В этом теплообменнике смесь нагревается до 300—350 °С за счет теплоты прореагировавших газов, которые при 500—550 °С поступают в трубки теплообменника из катализаторной короб­ки 4 через колосниковые решетки 6. Из теплообменника 5 азото-водородная смесь по центральной трубе 7 попадает в теплооб-менные трубки второго теплообменника 8, расположенного в массе катализатора, а затем в катализаторную коробку 4.Во втором теплообменнике температура смеси повышается до 400-450 , а в катализаторной коробке за счет теплоты реакции до 500-550. для регулирования температуры в катализаторной коробке часть азотоводородной смеси может поступать сюда холодной через байпас – 9, минуя межтрубное пространство.