4. Принципиальная технологическая схема синтеза аммиака (30 б.).

Процесс синтеза аммиака идет по реакции:

N₂ +H₂NH₃, ∆H<0.

Из реакции видно, что процессу благоприятствует уменьшение температуры и увеличение давления. Поэтому, с целью проведения процесса в нужном направлении, процесс синтеза аммиака в производстве проводят под давлением. Однако, и при высоком давлении, и повышенных температурах азот и водород вступают в реакцию лишь частично.

Поэтому после конденсации образовавшегося аммиака АВС возвращается в колонну синтеза, т.е. осуществляется циркуляция реагента. Т.к. реакция синтеза аммиака обратима, экзотермическая, то для нее оптимальной является убывающая последовательность температуры.

В начале зоны катализа высокая температура, обеспечивающая наибольшую скорость реакции, а по мере увеличения содержания аммиака в газовой фазе и приближения к состоянию равновесия следует снижать температуру в зоне катализа. Так называемый падающий температурный режим большая скорость в начале (температура высокая) и большой выход в конце (температура ниже).

(Для обеспечения оптимальной производительности реактора необходимо реализовать оптимальные температуры по длине каталитической зоны для каждого поперечного сечения, обеспечивающие максимальную скорость процесса в данном сечении). Наибольшей эффективности процесса синтеза можно достичь путем оптимизации и других параметров производства таких как давление, мольное соотношение Н₂:N₂.

Свежая АВС сжимается в центробежном компрессоре до 32 МПа в (8) и после охлаждения в воздушном холодильнике (на схеме нет) поступает в нижнюю часть конденсационной колонны (8) (барботаж через жидкий аммиак), где смесь освобождается от остаточных СО₂, Н₂О и следов масла (из компрессора). Свежий газ барботируют через слой сконденсировавшегося NH₃, освобождается от водных паров, следов масла, насыщается до 3–5%об HN₃ и смешивается с циркулирующим газом (на выходе из колонны 8).

Полученная смесь проходит по трубам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство теплообменника (4) до 185-195теплотой газа, выходящего из колонны синтеза (2). Для дополнительного нагрева газа, поступающего в колонну синтеза (2), может использоваться подогреватель (1). В колонне синтеза газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки, а затем поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, где газ нагревается до 400–440теплотой конвертированного газа.

После этого газ последовательно проходит четыре слоя катализаторов (железные плавленые катализаторы СА-1), в результате концентрация аммиака в газе повышается до 15% об. Пройдя через центральную трубу при температуре 500–515 азото-водородо-аммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 300. Затем газовая смесь охлаждается до 215в трубном пространстве подогревателя питательной воды (3), в трубном пространстве выносного теплообменника (4) до 65холодным циркулирующим газом. Затем в аппаратах воздушного охлаждения (7) до 40. При этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак отделяется в сепараторе (6). Затем газовая смесь, содержащая 10-12% аммиака, идёт на циркуляционное колесо компрессора (5), где сжимается до 32МПа.

Циркуляционный газ при 50поступает в систему вторичной конденсации, состоящую из конденсационной колонны (8) и испарителя жидкого аммиака (15). В конденсационной колонне газ охлаждается до 18, а в испарителях до -5. Из трубного пространства испарителей смесь охлаждённого циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходят отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей АВС с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака и через теплообменник (4) направляется в колонну синтеза аммиака (2).

Жидкий аммиак из первичного сепаратора (6) проходит магнитный фильтр (16), где из него выделяется катализаторная пыль и смешивается с жидким аммиаком из колонны (8). Затем аммиак дросселируют до давления 4 МПа и отводят в сборник жидкого (11). Как продукт жидкий аммиак частично выводится из сборника (11), а частично через промежуточную дренажную ёмкость (14).

В результате дросселирования из жидкого аммиака происходит выделение растворённых в нём газов: H₂, N₂, CH₄, О₂. Такие газы называют танковыми, они содержат от 16 до 18% NH₃. Танковые газы направляют в испаритель (12) для утилизации аммиака конденсации его при -25. Из испарителя (12) газы сконденсировавшегося аммиака поступают в сепаратор (13), для отделения жидкого аммиака, который направляют в сборник (11).

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертных газов не превышающего 10%об. проводят продувку газа после сепаратора (6). Продувочные газы содержат 8-10% аммиака, который выделяется при температуре (-25 – -30 ) в конденсационной колонне (9) и испарителе (10). Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используют как топливный газ.