52. Получение аммиака. Основные стадии пpоизводства.

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поскольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например, аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

 

2NH₄Cl    +  Са(OH)₂   →   CaCl₂  + 2NH₃  +   2Н₂O

 

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например, гидролиз нитрида кальция:

 

Ca₃N₂    +   6H₂O  →  ЗСа(OH)₂    +    2NH₃

 

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

N₂    +   3Н₂    ⇄    2NH₃

 

Процесс проводят при температуре 500-550^оС и в присутствии катализатора.  Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Технологический процесс производства аммиака в общем виде можно представить 8-ю стадиями:

• компрессия природного газа,

• сероочистка природного газа,

• конверсия метана,

• конверсия окиси углерода с установкой разгонки газового конденсата,

• очистка конвертированного газа от двуокиси углерода,

• метанирование,

• компрессия азото-водородной смеси

• синтез.

53. Катализатоpы синтеза аммиака. Оптимальные условия синтеза.

Наибольшей активностью обладают металлы восьмой группы таблицы Менделеева (Fe; Ru; Re и Os). В промышленности применяют железный катализаторы. Их получают сплавлением оксидов железа (FeO + Fe₂O₃) с активаторами и последующим восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяют кислотного и амфотерного характера (Al₂O₃; SiO₂; TiO₂ и др.), а так оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (K₂O; Na₂O; CaO; MgO и др.). Полученный катализатор имеет марку СА-1.

Восстановление смеси оксидов железа производится водородом по реакции:

(FeO+Fe₂O₃) + 4Н₂ ⇔ 3Fe + 4Н₂О - Q.

Образующееся железо имеет тонкопористую губчатую структуры с большой удельной поверхностью.

54. Технологические схемы синтеза аммиака.

Синтез аммиака осуществляется из азота и водорода по реакции: N 2 + 3Н 2 ⇔ 2 NН 3 + Q, Реакция обратимая, экзотермическая и характеризуется большим тепловым эффектном. Согласно принципу Ле-Шателье равновесие ее смещается вправо с повышением давления и понижением температуры.

55. Колонна синтеза аммиака. Устpойство, пpинцип pаботы и эксплуатация.

Таким образом, скорость реакции и, следовательно, производительность цеха синтеза аммиака в сильной степени зависит от объемной скорости, температуры процесса и давления с системе.

На рисунке 4.8 приведена технологическая схема производства аммиака при среднем давлении:

Рис. 4.8. Схема установки синтеза аммиака при среднем давлении:

1 - колонна синтеза; 2 - водяной конденсатор; 3 - газоотделитель; 4 - конденсационная колонна (а - теплообменник, б - насадка из керамических колец, в - газоотделитель); 5 - испаритель жидкого аммиака; 6 - инжектор для смешения свежей и циркулирующей АВС.

Рассмотрим элементарную технологическую схему современного производства аммиака при среднем давлении производительностью 1360 т/сутки. Режим ее работы характеризуется следующими параметрами:

- температура контактирования 450 – 550 °С,

- давление 32 МПа,

- объемная скорость газовой смеси 4×10⁴ нм³/м³×ч.

- стехиометрический состав АВС (азотоводородной смеси)

Режим работы установки характеризуется следующими параметрами:

- температураконтактирования 450-500ºС;

- давление32 МПа.

1. Смесь циркуляционного газа и свежая порция АВС, сжатая до 32 МПа, подаётся в колонну синтеза, где происходит образование аммиака.

2. Выходящий из колонны синтеза газ, содержащий до 20% NH₃, подвергается2-х стадийной конденсации с цельюотделения аммиака в жидком и газообразном виде.

Первая стадия конденсации:

- циркуляционный газ последовательно проходит через водяной холодильник и холодильник-конденсатор;

- при прохождении газа через холодильники вследствие снижения температуры происходит конденсация газообразного аммиака с образованием жидкого аммиака;

- в результате этого жидкий аммиак отделяется от циркуляционного газа и поступает на складготовой продукции.

Вторая стадия конденсации состоит из 3-х операций:

а) первая операция: циркуляционный газ смешивается сосвежейпорцией АВС и поступает в конденсационную колонну.

б) вторая операция: в конденсационной колонне газ постепенно охлаждается до -10ºС. При прохождении газа через теплообменник конденсационной колонны вследствие снижения температуры происходит конденсацияосновной частигазообразного аммиака с образованием жидкого аммиака.Часть жидкого аммиаканаправляется насклад готовой продукции, а частьпоступает в испаритель жидкого аммиака.

в) третья операция: в испарителе жидкого аммиака при охлаждениидо -20ºС происходит испарение жидкого аммиака с образованием товарного газообразного продукта.

После чего смесь циркуляционного газа, содержащего до 3-4% аммиака и АВС, вновь подают в колонну синтеза.

Цикл замыкается!!!

Смесь свежей АВС и циркуляционного газа под давлением подается из смесителя 3 в конденсационную колонну 4, где из циркуляционного газа конденсируется часть аммиака, откуда поступает в колонну синтеза 1. Выходящий из колонны газ, содержащий до 0.2 объемной доли аммиака направляется в водяной холодильник-конденсатор 2 и затем в газоотделитель 5, где из него отделяется жидкий аммиак. Оставшийся газ после компрессора смешивается со свежей АВС и направляется сначала в конденсационную колонну 4, а затем в испаритель жидкого аммиака 6, где при охлаждении до -20 °С также конденсируется большая часть аммиака. Затем циркуляционный газ, содержащий около 0.03 об. долей аммиака, поступает в колонну синтеза 1. В испарителе 6, одновременно с охлаждением циркуляционного газа и конденсацией содержащегося в нем аммиака, происходит испарение жидкого аммиака с образованием товарного продукта.

Основной аппарат технологической схемы – колонна синтеза аммиака. Колонна состоит из корпуса и насадки, включающей катализаторную коробку в которой размещена контактная масса, и систему теплообменных труб.

Для процесса синтеза аммиака существенное значение имеет оптимальный температурный режим.

Для обеспечения максимальной синтеза процесс следует начинать при высокой температуры и по мере увеличения степени превращения понижать ее. Регулирование температуры и обеспечение автотермичности процесса обеспечивается с помощью теплообменников, расположенных в слое контактной массы и дополнительно, подачей части холодной АВС в контактную массу, минуя теплообменник.

Для снижения температуры стенок холодная азотоводородная смесь, поступающая в колонну синтеза, проходит вдоль внутренней поверхности цилиндрического корпуса колонны. Применяют полочные и трубчатые колонны.

На рисунке показана трубчатая колонна синтеза аммиака для системы среднего давления, представляющая собой цилиндр из хромоникелевой стали с толщиной стенок 175 мм, диаметром 1,2 - 1,4 м и высотой 24 м. В верхней части колонны находится катализаторная коробка 3, а в нижней – теплообменник 8, обеспечивающий автотермичность процесса. Катализатор загружается на колосниковую решетку 6. Для обеспечения равномерного распределения температуры в слой катализатора вводятся двойные трубы, выполняющие функции теплообменника. Основной газ, поступающий в колонну синтеза сверху, проходит вдоль стенок внутреннего стакана в межтрубном пространстве теплообменника 1 и, нагреваясь за счет теплоты процесса катализа, по центральной трубе 7 поднимается в надкаталитическое пространство. Затем азоводородная смесь распределяется по теплообменным трубкам, опускается по центральной теплообменной трубке вниз и, поднимаясь вверх по кольцевому пространству между внутренней и внешней трубками, нагревается до температуры реакции, охлаждая контактную массу. Далее газ фильтруется через катализатор, на котором происходит синтез. Аммиачно-азотоводородная смесь при 500 °С поступает в трубное пространство теплообменника и нагревает свежую порцию азотоводородной смеси. Для регулирования температурного режима в зоне катализатора предусматривается подача части (холодного) газа снизу через центральную трубку, минуя теплообменные устройства.

Основной аппарат для синтезааммиака – колонна синтеза (рисунок 4.10). Колонна состоит из корпуса и насадки.

Рис 4.10. Колона синтеза аммиака среднего давления: 1 - кольцевое пространство между корпусом колонны 2 и стенками 3 катализаторной коробки; 4 и 5 - теплообменник; 6 - колосниковая решётка; 7 - центральная труба; 8 - второй теплообменник; 9 - труба для дополнительной подачи АВС (байпас)

Насадка состоит: из катализаторной коробки, с размещённой в ней контактной массой, и системы теплообменных труб.

В настоящее время применяют полочные колонны синтеза, в которых катализатор находится на полках, размещённых в катализаторной коробке.

Количествокатализатора на полках колонны увеличивается по мере сниженияскорости газа и снижениистепени превращения АВС.

Регулирование температур и обеспечение автотермичности процесса обеспечивается с помощью системывнешних теплообменников и теплообменников, расположенных в слое контактной массы.

Внешний теплообменник находится в нижней части колонны, под катализаторной коробкой. В нём происходит теплообмен между горячим газом, отходящим из колонны, и холодной АВС.