2. Технологія виробництва аміаку
Нітроген — один з найважливіших елементів, що забезпечує життєдіяльність організмів. У природі мінеральні сполуки азоту зустрічаються досить обмежено у зв'язку з його інертністю як хімічного елемента. Лише в Чилі і Південній Африці знаходяться придатні для використання в промисловості запаси натрієвої селітри, в Індії — калійної селітри. Тому для людства життєво важливою проблемою є одержання "зв'язаного азоту" — тобто сполук азоту.
Аміачний метод зв'язування атмосферного азоту — це взаємодія азоту з воднем з одержанням аміаку: Ν2 + 3Н2 → 2NH3 + Q. Він найбільш економічний (витрати електроенергії складає 4000...5000 кВт/год на 1 т аміаку), технологічно легше здійсненний порівняно з іншими методами зв'язування атмосферного азоту. У загальному виробництві азотних сполук понад 90 % припадає на аміак.
При звичайних умовах аміак— безбарвний газ з характерним різким їдким запахом. При охолодженні до —33 °С він зріджується, а при -78 °С твердне, утворюючи безбарвну кристалічну масу. Розчинність аміаку у воді більша, ніж більшості звичайних газів: при 0 °С 1 об'єм води поглинає близько 1200 об'ємів аміаку, 25%-й розчин аміаку у воді називають аміачною водою або нашатирним спиртом,
В основі процесу синтезу аміаку лежить оборотна екзотермічна реакція, що протікає зі зменшенням обсягу газу
Ν2 + ЗН2 = 2NH3 + Q.
У відповідності з принципом Ле-Шательє при підвищенні тиску і зменшенні температури рівновага цієї реакції зміщується в напрямі утворення аміаку. Для забезпечення оптимальної швидкості процесу необхідні каталізатори, підвищений тиск, температура 400...500 °С і певна об'ємна концентрація компонентів, що вступають в реакцію. В промисловості використовується залізний каталізатор з добавками оксидів А12О3, К2О, СаО і SiО2.
Відрізняють наступні промислові системи агрегатів синтезу аміаку: низького тиску (10...20 МПа), середнього (20...45 МПа) і високого тиску (60... 100 МПа). У світовій практиці широко застосовуються системи середнього тиску, оскільки при цьому найбільш вдало вирішуються питання видалення аміаку з азотно-водневої суміші при досить високій швидкості процесу.
При синтезі аміаку під середнім тиском (рис. 3) азотно — воднева суміш (N2 : Н2 = 1 : 3) подається в колону 1, де на каталізаторі відбувається синтез аміаку; з колони виходить азотно — воднево — аміачна газова суміш (вміст аміаку— 14...20 %) з температурою близько 200 °С. Ця суміш направляється у водяний холодильник 2, охолоджується до 35 °С і надходить у сепаратор 3. Тут з газу виділяється до 60 % аміаку, що утворився в колоні (при тиску 30 МПа аміак не може сконденсуватися в холодильнику).
Рис. 3. Схема установки для синтезу аміаку під середнім тиском
Повніше аміак видаляється при охолодженні азотно-водневої суміші до більш низьких температур. Ця суміш із залишками аміаку із сепаратора 3 направляється в циркуляційний компресор 4 і далі у фільтр 6 для відділення компресорного мастила. На вході у фільтр до оборотних газів додається свіжа азотно-воднева суміш, стиснута до робочого тиску за допомогою багатоступінчастого компресора 5. З фільтра газова суміш подається в систему вторинної конденсації аміаку, що складається з конденсаційної колони 7 і випарника рідкого аміаку 8. У конденсаційній колоні газ попередньо охолоджується в розташованому у верхній частині колони теплообміннику і потім направляється у випарник 8, де за рахунок випаровування рідкого аміаку, що надходить, досягається охолодження газу до -5 °С і конденсація аміаку з газу до залишкового вмісту в ньому біля 2,5 %. Аміак, що сконденсувався, відділяється в нижній частині конденсаційної колони 7. Після відділення аміаку азотно-воднева суміш охолоджує у верхній частині колони 7 газ, що надходить у неї, а потім знову направляється в колону синтезу 1.
Рідкий синтетичний аміак випускають трьох сортів: аміак першого сорту призначений для холодильних машин, другого сорту — для одержання нітратної кислоти, добрив і, нарешті, вищого сорту— для синтезу органічних сполук.
Аміачне виробництво належить до досить енергоємних процесів, у собівартості аміаку 36 % складають витрати на енергію. Шляхами поліпшення техніко-економічних показників процесу синтезу аміаку є: укрупнення окремих установок і систем у цілому, підвищення активності каталізаторів, розробка нових низькотемпературних каталізаторів синтезу аміаку; застосування колон синтезу з киплячим шаром каталізатора; використання теплоти, що виділяється в реакції синтезу аміаку для одержання пари; застосування трубопровідного транспорту аміаку; кооперування азотної промисловості з органічним синтезом, а також з коксохімічним і металургійним виробництвами.