48 Вопрос

Синтез аммиака.

Схема двухступенчатой конверсии метана с водяным паром с последующей конверссией оксида углерода СО. Для синтеза аммиака необходимо иметь свободные азот и водород. Водород в промышленности получают конверсией метана или его гомологов с последующей конверсией монооксида углерода, или конверсией монооксида углерода СО или водяного газа. Взаимодействие метана в водяных парах с кислородом и диоксидом углерода протекает по следующим реакциям:

1. СН4 + Н2О = СО + 3Н2 — 206 кДж.

2. СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2 — 248 кДж.

3. СН4 + 1/2О2 = СО + 2Н2 + 35 кДж.

Процесс конверсии идёт при повышенной температуре и в присутствии катализатора. Катализаторы очень чувствительным к примесям содержащим серу, по этому природный газ сначала очищается гидрированием.

Очищенный газ подвергается двухступенчатой конверсии с водяным паром в трубчатом и шахтном конверторе. Газ полученный после конверсии метана содержит от 20% до 40% СО, и по этому подвергается вторичной конверсии

4. СО2 + Н2О = СО2 + Н2 + 36,6 кДж.

Давление увеличивает только скорость этой реакции не влияя на выход. Увеличение содержания водяного пара в газовой смеси способствет более полной конверсии монооксида углерода. Повышение температуры так же увеличивает скороть реакции, но по скольку реакция обратимая экзотермическая, оптимальная температура понижается по мере роста степени превращения СО в СО2. По этому процесс проводят в две ступени в конверторе полочного типа с понижением температуры за счёт испарения воды между полками. Суммарный процесс конверсии метана протекает с поглащением тепла.

5. Сн4 + 2Н2О = СО2 + 4Н2 — 165 кДж.

Очищенный природный газ смешивается в смесителе (1) с водяным паром в соотношении пар:газ = 2,5:1. Полученная смесь направляется на первую ступень конверсии в трубчатый контактный аппарат (2). В конверторе на никелевых катализаторах(раньше это были катализаторы ГИАП — 16 и ГИАП — 3 — 6Н), при температуре 700 гр. цельс, конвертируется примерно 70% метана. Катализатор расположен в вертикально расположенных трубках из жароупорной хромо — никелевой стали, которые обогреваются с наружной стороны топочными газами. Парогазовая смесь проходит по трубкам сверху вниз. Далее газ направляется в контактный аппарат ёмкостного типа (3) на вторую ступень конверсии метана. В шахном конверторе использую алюмохромный катализатор ГИАП — 14 и никелевый катализатор ГИАП — 36Н. В этот конвертор вводится воздух для окисления метана по реакции 3. Температура в конверторе поддерживается на уровен 850 гр. цельс. Воздух в конвертор подают в таком количестве, что бы после того как содержащийся в нём кислород вступит в реакцию с метаном, получилась смесь в соотношении азот:водород = 1:3. Горячий газ из конвертора (3) поступает в котёл — утилизатор (4), где теплота используется для получения водяного пара. Температура газа снижается до 400 градусов. Из котла — утилизатора, газ направляется в парогазосмеситель (5), куда подаётся водяной пар необходимый для конверсии оксида углерода по реакции 4 и далее в конвертор оксида углерода (6). В зависимости от температурного режима в конверторе используют или железо — хромовый катализатор СТК, или медь — цинк — хромовый катализатор НТК. В конвертор (6), для снижения температуры при проведении обратимой экзотермической реакции 4 вводят конденсат между слоями катализатора. За тем газ охлаждается и подаётся на очистку от монооксида и диоксида углерода, сероводорода, и других газов. Диоксид углерода поглащается водой; моноэтаноламином; растворами щёлочей

СО2 + 2RNH2 + H2O = (RNH3)2CO3

CO2 + (RNH3)2CO3+ Н2О = 2RNH3HCO3,

R — это этанольная группа -CH2-CH2-OH.

Очистка от СО осуществлятся либо поглащением медно — аммиачным растором, либо промывкой жидким азотом, либо каталитическим гидрированием.

Аммиак применяется для получения удобрений:

NH4NO3

(NH4)2SO4

(NH2)2CO

(NH4)2CO3

NH4HCO3

(NH4)2HPO4 + NH4HPO4.

Аммиак используют при получении азотной кислоты, жидкого азота, реактивов. Аммиак обладает выраженным раздражжающщим действием на слизистые оболочки человека, острое отравление приводит к повреждению кожных покровов и слизистых, пневмонии. ПДКрз = 0,02 г/м^3

Смесь аммиака с воздухом концентрацией 16 — 28% взрывоопасна.

N2 + 3H2 = 2NH3 + Q. Тепловой эффект реакции зависит от температуры и давления, смещение равновесия в сторону образования аммиака происходит при повышении давления и снижении температуры. Синтез аммиака без применения катализаторов протекает медленно. Катализаторами могут быть: железо; платина; осмий; уран и другие метллы с незаполненым предпоследним электронным уровнм. В технологии получения аммиака используют Al2O3; K2O; CaO; SiO2. Выход аммиака зависит от температуры, давления, времени соприкосновения газовой смеси с катализатором, состава газовой смеси, активности катализатора, конструкции аппарата. Расходные коэффициенты для призводства одной тонны аммиака из природного газа и воздуха следующие: А прир. Газ = 860 м^3/т, Эл. Энергия 1200 — 1300 кВт * част / т, АН2О = 30 м^3 /т

Авод. Пар = 1 Т/Т.

Катализаторы

Конверсии СН4 = 0,07 кг/т

конверсии СО = 0,4 кг/т

синтеза NH3 = 0,08 кг/т.