Лекція 11

ВИРОБНИЦТВО ТЕХНОЛОГІЧНОГО ГАЗУ ДЛЯ СИНТЕЗУ АМІАКУ

План

1. Отримання зв’язаного азоту.

2. Розділення повітря глибоким охолоджуванням.

3. Розділення повітря методом ректифікації.

4. Агрегат розділення повітря.

5. Основна апаратура.

1. Отримання зв’язаного азоту

Поняття «Зв'язаний азот» включає азот у формі його неорганічних і органічних сполук (аміак, оксиди азоту, азотна кислота, аміачна, калієва, натрієва і кальцієва селітри, сульфат амонію, карбамід і ціанамід).

З'єднання зв'язаного азоту грають величезну роль в житті рослин, тварин і людини. Для розвитку рослин необхідні вуглець, кисень, водень і азот, а також фосфор і калій. Діоксид вуглецю, присутній в атмосфері, і він задовольняє потреби рослинного світу у вуглеці, кисні і водні. Атмосферний азот, ресурси якого величезні, рослинами безпосередньо не засвоюється, а поступає з ґрунту у вигляді нітратів, амонійних і амідних солей і переробляється рослинами у високомолекулярні азотовмісні органічні сполуки — білки.

Як результат життєдіяльності, частина азоту, що входив до складу білка, розкладається до елементарного азоту. У результаті дії денітрифікуючих бактерій ґрунту частина зв’язаного азоту ґрунту перетворюється на елементарний азот, можливі і інші втрати зв'язаного азоту. В той же час йдуть процеси фіксації атмосферного азоту нітрифікуючими бактеріями, що знаходяться в корінні бобових рослин. Атмосферний азот може перетворюватися на зв'язаний азот при грозових розрядах і, потрапляючи в ґрунт, засвоюється рослинами. Всі ці процеси складають кругообіг азоту в природі. Проте в результаті кругообігу відбувається лише часткове заповнення ґрунту зв'язаним азотом, тобто поступово ґрунти виснажуються. Тому необхідно вносити до них азотні добрива. Більш того, для підвищення врожайності кількість яких вносять в ґрунт азотних добрив (тобто зв'язаного азоту) повинно бути збільшено. Оскільки наявні в природі запаси таких солей, як натрієва селітра, недостатні, перед людством встає проблема збільшення виробництва азотовмісних речовин.

На початку нашого століття застосовувалися електродугове і ціанамідний способи здобуття зв'язаного азоту. По першому з них при температурі електричної дуги атмосферний азот окислюється по реакції N₂ + O₂ = NO – Q. Цей спосіб характеризуються високою витратою електричної енергії і малим виходом NО (1,5—1,8%).

Другий спосіб заснований на взаємодії азоту з карбідом кальцію при високих температурах по рівнянню: СаС₂ + N₂ = СаСN₂ + С. Цей спосіб економічніший, ніж електродуговій, але значно менш економічний, чим прямий синтез - аміаку з азоту і водню: 3Н₂+N₂=2HNO₃+Q. Отриманий аміак можна безпосередньо використовувати як добриво або переробляти в азотну кислоту та її солі (аміачну, натрієву і кальцієву селітри, сульфат амонію та ін.), а також в карбамід. В даний час синтез аміаку є основним методом виробництва зв'язаного азоту. Відносно невелику кількість аміаку отримують при коксуванні вугілля.

Промисловість синтетичного аміаку є багатотоннажним виробництвом, яке розвивається високими темпами, що значно перевищують середні темпи розвитку виробництва в цілому.

Для синтезу аміаку необхідні водень і азот. Оскільки ресурси атмосферного азоту величезні, то виробництво аміаку в основному визначається способом здобуття водню. До промислових способів виробництва водню відносяться конверсія природного і попутного газів низькотемпературне розділення коксового газу, газифікація коксу і вугілля. Водень може бути отриманий також в результаті електролізу води.

Сировиною є природний і попутний гази, що пояснюється високою економічністю їх переробки в аміак. Певну роль грає коксовий газ. Роль газифікації коксу і вугілля незначна, проте в перспективі вугілля, як джерело сировини, отримує істотне значення.

Переробка природного і попутного газів в азотоводневу суміш складається з декількох стадій. Спочатку отримують газову суміш, що складається в основному з Н₂, СО, СО₂, N₂. Ця стадія називається конверсією вуглеводневих газів. Потім йде стадія конверсії СО, в результаті якої відбувається майже повне перетворення СО по реакції: СО+Н₂О=Н₂+СO₂+Q. Далі йдуть стадії очищення конвертованого газу від СО₂ і залишкового вмісту СО. В результаті отримують азотоводневу суміш, ретельно очищену від каталізаторних отрут і підготовлену для синтезу аміаку.

Першою стадією процесу переробки коксового газу є очищення його від Н₂S та СO₂ під тиском 1,2—1,6 МПа. Потім при цьому ж тиску і при низьких температурах з коксового газу конденсують і виділяють вуглеводні. Нарешті, останньою стадією здобуття азотоводневої суміші є очищення газу від залишкового вмісту СН₄ та СО шляхом промивки його рідким азотом при температурі —190 °С. У результаті отримують азотоводневу суміш, очищену від каталізаторних отрут, які після стискання компресорами до високих тисків поступає на синтез аміаку.