лекции / Лекция-15 Аммиак

Образование азотно-водородной смеси

• В шахтном конверторе подачей кислорода воздуха

обеспечивается нужный температурный режим процесса. Но с воздухом вводится и азот, необходимый для синтеза аммиака. Количество подаваемого воздуха должно быть таким, чтобы соотношение водород:азот было стехиометрическим для синтеза аммиака, равным 3:1.

• Кстати, разбавление реакционной смеси инертным газом -

азотом, способствуют сдвигу равновесия реакции (1) вправо. Состав сухого газа после шахтного реактора:

Н2 - 57-58%; N2 - 22-23%; CO - 12-12,5%; CO2 - 7,5-8%; CH4 - 0,3%.

Конверсия СО

Физико-химические основы процесса

Конверсия СО - обратимая экзотермическая реакция:

СО + Н2О СО2 + Н2 + 41 кДж.

Сдвигу равновесия вправо благоприятствуют снижение температуры, избыток водяного пара.

давление не влияет на равновесие, но с ростом давления растут концентрации и скорость реакции: r (k1+k-1)С0(xp-x); Оптимальный

температурный режим для получения максимальной скорости – это

ЛОТ.

Технологическая схема конверсии CO

Очистка от оксидов углерода

Конвертированный газ содержит до 20% СО2. СО2 - балласт для синтеза аммиака, в то же время побочный продукт. Удаляют СО2 методом абсорбции с помощью селективного растворителя.

Физико-химические основы процесса

Диоксид углерода абсорбируют водным раствором моноэтаноламина NH2CH2CH2OH (МЭАочистка):

2RNH2 + H2O + CO2 (RNH3)2CO3

Это гетерогенный процесс, система «Г-Ж». МЭА –основание, СО2 имеет кислотные свойства. По сути имеем реакцию нейтрализации, она всегда быстрая и лимитирующая стадия здесь, очевидно –диффузионный массоперенос.

С повышением температуры растворимость СО2 снижается т.е. возможна регенерация сорбента.

Технологическая схема МЭА-очистки включает два основных аппарата - абсорбер и десорбер.

Синтез аммиака

Физико-химические основы процесса

Синтез аммиака

N2 + 3H2 2NH3 + Qр

Реакция обратимая, протекает с выделением тепла и уменьшением объема. Согласно принципу Ле-Шателье при понижении температуры и повышении давления равновесие реакции сдвигается в сторону увеличения содержания аммиака. Константа равновесия: давление не влияет на константу равновесия, но с ростом давления увеличивается знаменатель, значит и растет числитель т.е. должна расти равновесная концентрация аммиака.

Что касается скорости реакции, то как и для других обратимых реакций r (k1+k-1)С0(xp-x). Давление влияет благоприятно, т.к. повышает концентрацию или парциальные давления компонентов исходной смеси. Реакцию проводят под давлением около 30 МПа с тем, чтобы степень превращения была более 20%. Более высокое давления резко увеличивает затраты на оборудование и компрессию.

С ростом температуры скорость проходит через максимум, и для этой реакции также характерен оптимальный режим как для всех обратимых экзотермических реакций.

Технологическая схема процесса

В условиях, реализуемых в промышленном реакторе, выходящий газ содержит не боле 16 об.% аммиака. Для полноты использования азото-водородной смеси применяют фракционный рецикл.

Для этого после реактора из реакционной смеси выделяют аммиак путём его конденсации, а не прореагировавшие H2 и N2 возвращают в синтез. В поступающей реакционной смеси содержится до 1,2 % инертных веществ (СH4 и Ar, вносимый с воздухом). При увеличении содержания инертных газов в цикле синтеза аммиака снижается концентрация водорода и азота, что приводит к уменьшению интенсивности процесса синтеза аммиака. С целью недопущения накопления инертов в цикле синтеза аммиака содержание их в циркулирующем газе поддерживают на определённом уровне (10 15 об. %) путём вывода (отдувки) части рециркулирующего газа. Отдувка составляет около 8 об.% от потока свежей азото-водородной смеси.

Подсистема синтеза аммиака