9.5. Промислові способи виробництва синтетичного амоніаку

Принципова схема виробництва. Для досягнення високої продуктивності каталізатора синтез NH₃ провадять, не досягаючи рівноважного стану. Газ пропускають з такою об'ємною швидкістю, при якій газова суміш, що виходить з апарата, далека від стану рівноваги і містить невелику кількість NH₃. Виділивши NH₃ з азотоводневої суміші, її знову спрямовують у контактний апарат.

Перша стадія процесу – стискання азотоводневої суміші до тиску, при якому здійснюється синтез NH₃.

Способи виробництва NH₃ залежно від робочого тиску поділяються на три групи: системи високого тиску (45‑100 МПа), системи середнього тиску (20‑30 МПа) і системи низького тиску (до 10 МПа).

Функціональна схема виробництва NH₃ має такі стадії

Системи синтезу NH₃ відрізняються також схемами циркуляції азотоводневої суміші, яка не прореагувала, способами виділення NH₃ з азотоводневої суміші, температурними режимами, об'ємними швидкостями, концентрацією інертних газів у циклі, конструкціями контактних апаратів, типами машин для циркуляції газів. Проте відмінності в окремих системах не позначаються на принциповій схемі синтезу NH₃.

Останнім часом більшу частину NH₃ в усьому світі виробляють у системах середнього тиску (32 МПа).

Синтез NH₃ під середнім тиском. Схему установки для синтезу амоніаку наведено на рис. 9.2. Азотоводнева суміш надходить у колону синтезу 1, в якій частково перетворюється в NH₃ (ступінь перетворення не перевищує 17%).

Після колони синтезу газова суміш містить, %: Н₂ – 52‑57; N₂ – 17,5‑19; NH₃ – 12‑18; СН₄ – 6,6 і Аr – 5,5. Концентрація NH₃ після колони синтезу залежить в основному від чистоти вихідної суміші, об'ємної швидкості, активності і часу роботи каталізатора та конструкції каталізаторної коробки у колоні синтезу.

Рис. 9.2. Схема установки синтезу NH₃ під середнім тиском: 1 – колона синтезу; 2 – конденсатор; 3 – сепаратор; 4 – насос; 5 – фільтр; 6 – теплообмінник-конденсатор; 7 – випарник

З колони синтезу газ з температурою 120‑200 °С надходить у водяний конденсатор 2, де охолоджується до 25‑35 °С, внаслідок чого основна частина NH₃ конденсується і видаляється у сепараторі 3.

Кількість NH₃, що залишається у газовій суміші при даній температурі конденсації, обернено пропорційна загальному тиску Р. Це дає змогу, застосовуючи високий тиск і охолоджуючи газову суміш у водяних холодильниках, вилучати з неї 80‑90 % NH₃. Установки, які працюють при високих тисках, виробляють переважно рідкий NH₃, а установки менших тисків – газоподібний.

В азотоводневій суміші, яка циркулює через систему, концентрація інертних газів (СН₄, Аr та ін.) може збільшитися настільки, що порушиться режим роботи колони. Тому частину газової суміші треба періодично виводити, щоб зменшити вміст цих газів. Кількість азотоводневої суміші, яку необхідно вивести з циклу (з розрахунку на 1 т виробленого NH₃), дорівнює:

,

де: А – витрата азотоводневої суміші на 1 т NH₃; М_св та М_ц – молярні частки інертних газів у свіжій і циркулюючій суміші.

Для компенсації втрати тиску газову суміш стискають циркуляційним насосом 4 до 30‑32 МПа і подають у фільтр 5, куди надходить і свіжа азотоводнева суміш. Кількість свіжої азотоводневої суміші, яку треба ввести у систему, дорівнює сумі кількості газу, перетвореного на NH₃, і кількості виведеної суміші з інертними газами та газу, який розчинився в NH₃.

Рис. 9.3. Схема чотириполичкової колони синтезу амоніаку під середнім тиском: 1 – корпус колони; 2 – корпус каталізаторної коробки; 3 – аварійний люк; 4 – трубчастий теплообмінник; 5 – патрубок вводу байпасного газу; 6‑9 – полиці з каталізатором; 10 – центральна труба; 11 – люк для розвантаження каталізатора

На фільтрі, крім оливи від насоса, затримується і амонію карбонат, що міг утворитися з NH₃, водяної пари і СО₂, які залишились у газовій суміші

СО₂ + Н₂О + 3NH₃ = (NH₄)₂CO₃.

З фільтра газова суміш надходить у конденсаційну колону 6, яка складається з теплообмінника і сепаратора. У теплообміннику суміш охолоджується циркуляційним газом до 5‑15 °С і подається для конденсації залишків NH₃, що утворились раніше у колоні синтезу, в амоніачний випарник 7, температура в якому (0‑15 °С) підтримується киплячим NH₃. Газова суміш з фільтра 5 через теплообмінник-конденсатор 6 і амоніачний випарник 7 надходить знову у колону синтезу і цикл синтезу замикається.

Колона синтезу – найважливіша частина кожного агрегату синтезу NH₃. Конструкція колони повинна забезпечувати тривалий, безперебійний та безпечний перебіг процесу під великим тиском.

Азотоводнева суміш і NH₃ агресивно діють на матеріал (сталь), з якого виготовлено колону. Особливо шкідлива дія Н₂, який вимиває зі сталі вуглець, утворюючи з ним під дією високої температури і тиску вуглеводні (відбувається воднева корозія).

Для забезпечення високої продуктивності колона повинна містити велику кількість каталізатора, сприяти автотермічності процесу та використанню зайвої теплоти, наприклад для виробництва водяної пари. Тому основне при конструюванні колони – запобігти впливу високої температури на товстостінні частини – тіло колони. Цього досягають, спрямовуючи потік холодної газової суміші вздовж внутрішньої стінки колони. Автотермічність досягається тим, що поряд з каталізаторною коробкою у колону вмонтовуються теплообмінники. Застосовують полич­кові і трубчасті колони.

На рис. 9.3 наведено чотириполичкову трубчасту колону синтезу амоніаку під середнім тиском. Колона висотою 30 м і діаметром 2,5 м виготовлена зі спеціальної сталі, яка здатна витримувати високий тиск, температуру й агресивну дію водню та амоніаку. Холодна азотоводнева суміш подається в нижню частину колони і скеровується вгору між корпусом колони 1 і корпусом каталізаторної коробки 2. У верхній частині реактора холодний газ потрапляє у міжтрубний простір теплообмінника 4, в якому він нагрівається до 400 °С за рахунок теплоти конвертованого газу, що залишає колону синтезу по трубах теплообмінника 4. Підігрітий газ послідовно проходить чотири шари каталізатора 6‑9 і потрапляє в центральну трубу 10, по якій подається в теплообмінник 4. При цьому газ охолоджується приблизно до 330 °С. У зв'язку з тим, що реакція синтезу амоніаку екзотермічна, на каталізаторних полицях газ дуже нагрівається (особливо на перших, де перетворюється велика кількість вихідних речовин). При цьому температура значно відхиляється від оптимальної. Для регулювання температурного режиму каталізу передбачено подачу байпасного холодного синтез-газу (патрубок 5) у кожний шар каталізатора (на схемі показано подачу газу тільки у перший). При робочій температурі 300‑520 °С і тиску 32 МПа колона синтезу вказаних розмірів має продуктивність за амоніаком коло 1360 т/добу.

Синтез NH₃ під високим тиском. Системи високого тиску синтезу NH₃ працюють при 45‑60 МПа. У системах високого тиску завдяки великій концентрації NH₃ у газовій суміші, яка виходить з колони синтезу, NH₃ легко конденсується і тому відпадає потреба в амоніачному охолодженні.

Сучасний агрегат розвиває потужність 1200‑1500 т NH₃ на добу, розміщуючись на площі тільки 20000 м², і не потребує великої кількості обслуговуючого персоналу.

Сорти, перевезення і зберігання NH₃. Рідкий синтетичний NH₃ випускають двох сортів:

	І сорт (сорт А)	ІІ сорт (сорт Б)
Вміст NH3, %, не менше	99,75	99,6
Домішок, не більше
вологи, %	0,25	0,4
масла, мг/л	10	35
заліза, мг/л	2	–

Продукція І сорту призначена для холодильних машин, II сорту – для добування газоподібного NH₃, виробництва HNO₃, азотних добрив і т. д.

Невеликі кількості NH₃ перевозять і зберігають у стальних балонах місткістю 30 і 35 л під. тиском 3 МПа. Балони пофарбовані у жовтий колір з написом на них фарбою "Аміак".

Для перевезення великих кількостей рідкого NH₃ застосовують спеціальні залізничні цистерни низького тиску 0,4 МПа або високого тиску до 2 МПа, які вміщують до 50 тис. л NH₃.

Рідкий NH₃ з сепараторів і конденсаційних колон дроселюється до тиску 1,6 МПа і надходить у збірники рідкого NH₃. Збірник рідкого NH₃ – це горизонтальний зварний резервуар зі сферичним днищем 5,0 м завдовжки і діаметром 1,1 м. У збірнику з рідкого NH₃ виділяються гази, які містять N₂, Н₂ і NH₃, і по окремому трубопроводу разом з газами продування надходять на установку вловлювання NH₃.

Техніка безпеки у виробництві синтетичного NH₃. Виробництво NH₃ є вогне- і вибухонебезпечним. При виробництві азотоводневої суміші методом конверсії СН₄ природного газу і конверсії CO із застосуванням високих температур і тисків завжди є небезпека виникнення пожежі і вибуху. Щоб запобігти загазованості робочих приміщень вибухонебезпечними та отруйними речовинами, необхідно встановити постійний нагляд за герметичністю фланцевих з'єднань трубопроводів і апаратів та стежити за справністю притічно-витяжної вентиляції. Для управління технологічним процесом використовують системи автоматичного і дистанційного управління.

Питання до розділу 9

1. Яку роль відіграє азот у природі і житті людини?

2. Які є методи зв'язування повітряного азоту? Навести коротку харак­те­ристику кожного з них.

3. Як отримують азот для приготування азотоводневої суміші?

4. Як можна отримати водень для синтезу амоніаку?

5. Як отримують азотоводневу суміш конверсією метану?

6. Які є методи очищення азотоводневої суміші від сірководню?

7. Як очищають конвертований газ від СО₂?

8. Як здійснюють очищення газу від оксиду вуглецю?

9. Які умови синтезу амоніаку з N₂ і Н₂?

10. Які каталізатори використовують для синтезу амоніаку?

11. Які отрути впливають на активність каталізатора?

12. За якими стадіями відбувається каталітичний процес синтезу амоніаку?

13. Дати характеристику об'ємної швидкості і продуктивності каталізатора.

14. Описати принципову схему виробництва амоніаку.

15. Описати схему установки синтезу амоніаку під середнім тиском.

16. Як працює колона синтезу амоніаку?

17. Як здійснюють синтез амоніаку під високим тиском?

18. Як перевозять і зберігають амоніак?

19. Техніка безпека у виробництві амоніаку.

Розділ 10. ВИРОБНИЦТВО НІТРАТНОЇ КИСЛОТИ