1. Производство аммиака из азотоводородной смеси

Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) стехиометрического состава . Так как ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, сырьевая база аммиачного производства определяется вторым компонентом смеси – водородом, который может быть получен разделением обратного коксового газа, газификацией твердого топлива, конверсией природного газа.

Структура сырьевой базы производства аммиака менялась и сейчас свыше 90% аммиака вырабатывается на основе природного газа.

Азотоводородная смесь, независимо от метода ее получения, содержит примеси веществ, некоторые из которых являются каталитическими ядами, вызывающими как обратимое (кислород, оксиды углерода, пары воды), так и необратимое (различные соединения серы и фосфора) отравление катализатора. С целью удаления этих веществ АВС подвергается предварительной очистке, методы и глубина которой зависят от их природы и содержания, то есть от способа производства АВС.

Основная стадия процесса синтеза аммиака из азотоводородной смеси описывается уравнением:

Однако так как преобладающим методом получения АВС является конверсия метана воздухом и водяным паром, химическая система производства аммиака включает помимо этой реакции несколько реакций воздушной и паровой конверсии:

и последующего превращения оксида углерода (II) в оксид углерода (IV):

После удаления оксида углерода (IV) из газовой смеси и коррекции ее состава получают АВС с содержанием азота и водорода в отношении 1: 3.

Температура и давление влияют на состояние системы и скорость синтеза аммиака противоположным образом, то есть существует противоречие между термодинамикой и кинетикой процесса. Поэтому, выход аммиака и удельная производительность катализатора зависят в первую очередь от этих параметров, а также от состава и объемной скорости газовой смеси, и активности катализатора и конструкции реактора.

Состав азотоводородной смеси выбирается на сколько возможно более близким к стехиометрическому, что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак.

Определяющим параметром в производстве аммиака из азотоводородной смеси является давление синтеза. На стадиях компрессии газа, синтеза аммиака и конденсации его из АВС капитальные и энергоматериальные затраты с повышением давления снижаются до определенного предела. Оптимальным является давление 32 МПа.

2. Разработка принципиальной технологической схемы производства аммиака со схемой КиП и а

Принципиальная технологическая схема определяет условия ведения технологического процесса, его параметры, включает типы аппаратов, в которых осуществляется технологический процесс, их взаимное расположение в соответствии с компоновкой оборудования.

В данном разделе представлено описание технологической схемы производства аммиака из азотоводородной смеси, дано описание схем контроля параметров процесса и представлена спецификация на контрольно-измерительные приборы, позволяющие контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры.

2.1 Описание разработанной технологической схемы

В данной курсовой работе приведена технологическая схема современного производства аммиака при среднем давлении производительностью 1360 т/сутки. Режим ее работы характеризуется следующими параметрами:

• температура контактирования 450–550°C,

• давление 32 МПа,

• объемная скорость газовой смеси 4 ∙ 10⁴ нм³/м³∙ч,

• состав азотоводородной смеси стехиометрический.

Процесс производства можно разделить на пять стадий: фильтрация, охлаждение, синтез, конденсация и сбор.

Азотоводородная смесь компримируется до 32 МПа поршневым компрессоом 1 и подаётся в масляный фильтр 2, который служит для очистки сжатого газа от смазочного масла. Там же производится очистка непрореагировавшей азотоводородной смеси после компрессора 8. Смесь после фильтра подаётся в межтрубное пространство конденсационного теплообменника 3. Охлаждение и конденсация части аммиака, содержащегося в смеси, осуществляется встречным потоком холодного газа из аммиачного испарителя 4. Сконденсировавшийся аммиак собирается в ёмкости 9, а азотоводородная смесь поступает на синтез в колонну 5. Синтез протекает в присутствии катализатора по следующей схеме:

Реакция образования аммиака обратима и идёт с выделением тепла. Обычно, реакцию проводят при температуре 500°С. Выход аммиака в этом случае составляет 12–18%.

Колонна синтеза состоит из катализаторной коробки и трубчатого теплообменника. Исходная азотоводородная смесь перед катализаторной коробкой нагревается в трубчатом теплообменнике (до температуры, необходимой для начала реакции) за счёт тепла, выделившегося при синтезе смеси предыдущей порции. Часть исходной смеси может подаваться в нижнюю часть колонны помимо теплообменника, что позволяет осуществлять регулирование температуры.

Контактный газ после колонны синтеза поступает в водяной холодильник 6, где охлаждается до 30...35°С. При этом аммиак, содержащийся в газе, конденсируется. В сепараторе производится отделение жидкого аммиака от непрореагировавшей азотоводородной смеси, которая направляется в линию всасывания циркуляционного компрессора 8, обеспечивающего компенсацию потерь давления в аппаратах и возможность возврата смеси в смеситель 2.

Жидкий аммиак дросселируется до 2…2,5 МПа и отводится в ёмкость 9, где из него выделяются растворённые газы.