18. Принципиальная и технологическая схема синтеза аммиака. Принципиальная схема производства аммиака
Принципиальная схема производства аммиака состоит из трёх стадий:
Первая стадия - получение АВС:
1-я операция: очистка природного газа от сернистых соединений;
2-я операция: паровая конверсия метана;
3-я операция: воздушная конверсия метана;
4-я операция: конверсия оксида углерода (II).
Вторая стадия - очистка газа от балластных примесей и примесей, отравляющих катализатор:
5-я операция: очистка АВС абсорбционными методами от оксида углерода (II) и оксида углерода (IV);
6-я операция: тонкая очистка АВС от оксида углерода (II) и оксида углерода (IV) методом метанирования или предкатадиза.
Третья стадия – синтез аммиака из АВС в присутствии катализатора.
Технологическая схема производства аммиака при среднем давлении:
Режим работы установки характеризуется следующими параметрами:
- температура контактирования 450-500ºС;
- давление 32 МПа.
1. Смесь циркуляционного газа и свежая порция АВС, сжатая до 32 МПа, подаётся в колонну синтеза, где происходит образование аммиака.
2. Выходящий из колонны синтеза газ, содержащий до 20% NH3, подвергается 2-х стадийной конденсации с целью отделения аммиака в жидком и газообразном виде.
Первая стадия конденсации:
- циркуляционный газ последовательно проходит через водяной холодильник и холодильник-конденсатор;
- при прохождении газа через холодильники вследствие снижения температуры происходит конденсация газообразного аммиака с образованием жидкого аммиака;
- в результате этого жидкий аммиак отделяется от циркуляционного газа и поступает на склад готовой продукции.
Вторая стадия конденсации состоит из 3-х операций:
а) первая операция: циркуляционный газ смешивается со свежей порцией АВС и поступает в конденсационную колонну.
б) вторая операция: в конденсационной колонне газ постепенно охлаждается до -10ºС. При прохождении газа через теплообменник конденсационной колонны вследствие снижения температуры происходит конденсация основной части газообразного аммиака с образованием жидкого аммиака. Часть жидкого аммиака направляется на склад готовой продукции, а часть поступает в испаритель жидкого аммиака.
в) третья операция: в испарителе жидкого аммиака при охлаждении до -20ºС происходит испарение жидкого аммиака с образованием товарного газообразного продукта.
После чего смесь циркуляционного газа, содержащего до 3-4% аммиака и АВС, вновь подают в колонну синтеза.
19. Теоретические основы окисления аммиака методом избирательного катализа.
Производство серной кислоты.
Первой стадией процесса является окисление аммиака кислородом воздуха.
В отсутствии катализатора протекает следующая реакция – аммиак сгорает с образование азота:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + Q
На поверхности платиновых катализаторов протекает следующая реакция:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q
Это гетерогенная, необратимая, экзотермическая реакция.
Выход оксида азота (II) составляет 98% при соблюдении следующих оптимальных условий:
а) температура на поверхности катализатора – 800ºС;
б) реакция проводится в избытке кислорода и составляет 1,25 объёма кислорода на 1 объём аммиака; газ, поступающий на катализатор, содержит:
NH3 - 11%;
O2 – 20%;
N2 – 70%.
Окисление протекает автотермично, если содержание аммиака в газовой смеси достигает 11%.
в) Окисление аммиака является необратимой реакцией, поэтому повышение давления смеси исходных веществ не влияет на выход продукта;
г) Основной промышленный катализатор окисления аммиака – платина и её сплавы с родием или палладием. Платиновый катализатор применяют в виде пакетов сеток, сплетенных из тончайших проволок (0,06 мм).
Окисление аммиака на платиновых катализаторах является одной из самых кратковременных каталитических реакций, известных в настоящее время (время протекания реакции 1·10-4 сек).
Сейчас наряду с платиновыми катализаторами используют катализаторы из смеси оксидов железа и хрома. Контактные массы изготавливаются в виде таблеток диаметром 5 мм. Однако неплатиновые катализаторы значительно менее активны.
Если использовать двухступенчатый катализатор, состоящий из одной сетки и слоя таблеток, выход оксида азота (II) составляет 97%.
Оксида азота (II) образуется только на поверхности катализатора.
Механизм реакции, протекающей на катализаторе (Рис 4.1):
Рис. 4.1. Схема окисления аммиака на катализаторе: сплошные линии - ранее возникшие связи; пунктирные - вновь образующиеся связи.
1 - катализатор; 2 - места разрыва связей
а) Сначала атомы платины адсорбируют на себе молекулы кислорода, которые диссоциируют при этом на атомы.
б) Далее, благодаря высокому сродству кислорода к водороду, молекулы аммиака при приближении к поверхности катализатора ориентируются своими атомами водорода к атомам кислорода.
в) В результате происходит образование молекул воды и оксида азота (II), которые вытесняются новыми молекулами кислорода.