лекции / 12-15

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

Реактор синтеза аммиака

• Реакция синтеза аммиака – обратимая и экзотермическая. Максимальная скорость реакции и высокая степень превращения обеспечиваются, если процесс вести в режиме, близком к ЛОТ. Режим процесса, близкий к оптимальному, можно организовать в трубчатом реакторе с охлаждением или в многослойном реакторе с промежуточным теплообменом. Схемы реакторов показаны на рис.

Режим процесса в реакторе

•Диаграмма процесса

Втрубчатом реакторе (а) тепло из реакционной зоны отводится к свежей реакционной смеси –это характерно для автотермического реактора, в котором температура, необходимая для протекания реакции, поддерживается за счет тепловыделения.

. Катализатор располагают в межтрубном пространстве. Газ поступает в трубки, нагревается и по выходе из них поворачивает противотоком в слой катализатора. На рис. приведен также профиль температур в реакторе, в координатах "Т-х" - режим процесса.

Вмногослойном реакторе (б) процесс проводится адиабатически в нескольких слоях с промежуточным охлаждением. Компактность конструкции реактора достигается, если температуру между слоями снижать вводом холодного газа. Регулируя величину поддува, приближают режим к теоретическому.

Во всех типах реакторов предварительный нагрев газа происходит в теплообменнике потоком, выходящим из слоя катализатора. Все элементы реактора: слои катализатора, теплообменники, смесители, - располагаются в одном корпусе высокого давления.

Энерготехнологическая схема производства аммиака

В производстве аммиака используется энергоёмкое оборудование, мощные турбокомпрессоры. Обеспечить необходимую мощность возможно путём подвода энергии со стороны, либо за счёт использования собственных энергоносителей, в частности, энергетического водяного пара. Но своей энергии и тепла не достаточно, и она не покрывает общих затрат производства на сжатие природного газа и воздуха, азото-водородной смеси, циркуляцию в подсистеме синтеза. Необходим дополнительный высокотемпературный источник энергии. Им является энергетический узел - горелки, установленный на входе в трубчатую печь. Пар, получаемый в котлах-утилизаторах подают на паровые турбины – приводы компрессоров. Таким образом, производство аммиака становится автономным по энергии, но для выработки необходимого энергетического пара, помимо использования собственных вторичных энергетических ресурсов, необходимо определенное количество топлива – природного газа. Такая схема обеспечения производства энергией и есть энерготехнологическая система.

Энерготехнологическая схема агрегата синтеза аммиака