Производство аммиака
20 ОГЛАВЛЕНИЕ - 1. Введение 2
- 2. Характеристика исходного сырья 3
- З. Характеристика целевого продукта 6
- 4. Физико-химические основы процесса 7
- 5. Технологическое оформление процесса синтеза аммиака 16
- 6. Охрана окружающей среды в производстве аммиака 18
- Список использованной литературы 27
1. ВведениеВо всех индустриально развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной из основных ведущих отраслей. Доказательством этого служат цифры, характеризующие стремительный рост производство связанного азота. В 1955г во всем мире было произведено аммиака около 8 млн. т, в 1965г - 20 млн. т, в 1975г - 66 млн. т, в 1980г - 100 млн. т, в 1985 - 120 млн. т. Такое бурное развитие азотной промышленности диктуется в первую очередь необходимостью удовлетворения неудержимо растущего населения земного шара продуктами земледелия. Без минеральных удобрений, и в первую очередь азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства. Производству азотных удобрений и их основы, аммиака, в нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. Среднегодовой прирост темпа аммиака за последние 20 лет составлял 10-19%. Производство аммиака, как известно, отличается большой энергоемкостью. Историю развития производства аммиака можно рассматривать как борьбу за повышение полезного использования электрической, тепловой, и механической энергии. На первых установках производства аммиака к. п. д. на превышал 10-11%. Использование природного газа в производстве аммиака увеличило общий энергетический к. п. д. до 40%. Современные энерготехнологические агрегаты аммиака практически автономны и имеют производительность 450-500 тыс. т. в год и общий энергетический к. п. д.50-52%. Это обеспечено достижениями химической технологии, химического и энергетического машиностроения, металлургической и приборостроительной промышленности, а также высокой квалификацией строителей, монтажников, эксплуатационников. 2. Характеристика исходного сырья20 Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности является атмосферный воздух и различные виды топлива. В число постоянных составляющих воздуха входят следующие газы (в% по объему): азот - 78,16; кислород - 20,90; аргон - 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы - 0,01. В технических расчетах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода. Для синтеза аммиака в некоторых схемах необходима азотоводородная смесь в соотношении N2: H2=1: 3. Азот получают разделением воздуха или же совместно с водородом в виде азотоводородной смеси. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез - газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В последнем случае воздух подвергают разделению методом глубокого охлаждения. Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сырья - топливом, применяемым для получения водорода или водородсодержащего газа. В настоящее время основным сырьем в производстве аммиака является природный газ. Синтез-газ из твердых топлив. Первым из основных источников сырья для получения синтез - газа явилось твердое топливо, которое перерабатывалось в газогенераторах водяного газа по следующим реакциям: C+H2O - CO +H2; ?H>0C+O2 -CO2; ?H<0Такой способ получения заключается в попеременной подаче через слой крупнокускового твердого топлива (антрацита, кокса, полукокса) воздушного и парового дутья. Синтез - газ получают на стадии парового дутья, а необходимая температура слоя топлива достигается в течение стадии воздушного дутья. Цикл работы генератора составляет 3-5 мин. Полученный водяной газ содержит 50-53% Н2 и ~365 СО. Для дальнейшего использования в производстве водяной газ необходимо очистить от сернистых соединений и провести конверсию оксида углерода по реакции: CO+H2O-CO2+H2; ?H<0а затем удалить диоксид углерода полностью в случае его применения для синтеза аммиака. Недостатками процесса являются его периодичность, низкая единичная производительность газогенератора, а также высокие требования к сырью по количеству и температуре плавления золы, его гранулометрическому составу и другим характеристикам. Другим направлением является газификация топлива в виде пыли. Этот процесс позволяет использовать практически любые виды топлива. Его особенностями является высокая турболизация в зоне реакции за счет подачи встречных потоков топливной смеси и хорошее смешение парокислородной смеси с топливной пылью. Синтез - газ из жидких углеводородов. По технологическим схема переработки в синтез - газ жидкие топлива можно разделить на две группы. Первая группа включает топливо, перерабатываемые высокотемпературной кислородной конверсией. Сюда относятся тяжелые жидкие топлива - мазут, крекинг - остатки и т.п. Вторая группа - легкие прямоточные дистилляты (нафта), имеющие конечную температуру кипения не выше 200-220°С; она включает бензин, лигроины, смеси светлых дистиллятов. Вторая группа жидких топлив перерабатывается в синтез - газ каталитической конверсией водяным паром в трубчатых печах. Достоинством этого метода является возможность получения синтез - газ под давлением, легкость регулирования состава синтез - газа, малый расход электроэнергии. К недостаткам можно отнести высокие требования к углеводородному составу исходного сырья по содержанию в нем непредельных и циклических углеводородов, серы и других примесей, большой удельный расход углеводородов. Синтез-газ из природного газа. Синтез - газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) в настоящее время является основным источником получения аммиака. По использованию окислителя и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водородосодержащих газов: высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая паро-углекислотная конверсия в трубчатых печах. Окисление метана (основного компонента углбеводородных газов) при получении синтез - газа протекает по следующим основным суммарным реакциям: CH4+0,5O2 = CO+2H2; ?H=-35,6 кДж CH4+H2O = CO+3H2; ?H=206,4 кДж CH4+CO2 = 2CO+2H2; ?H=248,3 кДж Аналогичным образом осуществляются реакции окисления гомологов метана. Физические постоянные № 2. |
Молекуляр. вес | Мольный объем | 760 мм рт ст | Критические константы | | | (0 С, 760 мм рт ст) | Тпл | Ткип | Ткр 0С | Ркр атм | Vкрсм3/моль | | 28,0134 | 22403 | -210 | -195 | -47,0 | 33,5 | 90,1 | | |
Физические постоянные H2 |
Молекуляр. вес | Мольный объем | 760 мм рт ст | Критические константы | | | (0 С, 760 мм рт ст) | Тпл | Ткип | Ткр 0С | Ркр атм | Vкрсм3/моль | | 2,0149 | 22412 | -259,2 | -252,5 | -239,9 | 12,8 | 65,0 | | | З. Характеристика целевого продуктаАммиак в обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом. Хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми - и моногидраты. В жидком состоянии аммиак - бесцветная подвижная ассоциированная жидкость, практически не проводить электрического тока. Физические постоянные аммиака. |
Молекуляр. вес | Мольный объем | 760 мм рт ст | Критические константы | | | (0 С, 760 мм рт ст) | Тпл | Ткип | Ткр 0С | Ркр атм | Vкрсм3/моль | | 17,0306 | 22049 | -77,8 | -33,5 | 132,4 | 111,5 | 72,5 | | |
Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-82. Наиболее типичными примесями являются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы, (водород, азот, метан). Аммиак жидкий синтетический должен соответствовать следующим требованиям (ГОСТ 6221 - 82); |
Содержание,% | 1-й сорт | 2-й сорт | | аммиак, не менее | 99,9 | 99,6 | | влага, не более | 0,1 | 0,4 | | Примеси, мг/л, не более | | масло | 10,0 | 35,0 | | железо | 2,0 | не нормируется | | | 4. Физико-химические основы процессаСинтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению: N2+3H2-2NH3; ?H<0Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (?H298 = - 91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (?H725 =-112,86 кДж/моль). Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае тоже отрицательно (?S298=-198,13 кдж/моль К) и не благоприятствует протеканию реакции. Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. Согласно уравнению реакции 4 моль исходных газообразных компонентов образуют 2 моль газообразного продукта. В условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком. Оценка условий термодинамического равновесия позволяет сделать вывод, что максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низкой температуре. Однако даже при очень высоких температура (выше 1000°С) процесс синтеза в гомогенной газовой фазе практически не осуществим. Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствие катализатора, причем катализаторами данной реакции служат твердые вещества. Гетерогенный - каталитический синтез аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями: диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора; хемосорбция молекул реагентов на поверхности катализатора; поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействия между ними; десорбция продукта; диффузия продукта реакции (аммиака) в газовую фазу. Исследование кинетики и механизма реакции позволило сделать вывод о том, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота. Тогда механизм синтеза аммиака в сокращенной схеме: N2+Z - ZN2 ZN2+3H2 - NH3+Z N2+3H2 - 2NH3 где Z - свободный центр поверхности катализатора, ZN2 - хемосорбированная частица. Скорость обратимой реакции получения аммиака из элементов на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина-Пыжева: где k1 и k2 - константы скоростей образования и разложения аммиака; PN, PH, PNH - парциальные давления азота, водорода, аммиака; ? - постоянная, удовлетворяющая неравенству 0<?<1 и характеризующая степень покрытия поверхности катализатора азотом. При проведении процесса при атмосферном давлении величина а для промышленных катализаторов в интервале температур 400-500°С равна 0,5. Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и реакционной смеси. Оптимальными считают такие значения указанных параметров, при которых скорость процесса максимальна. Чтобы определить оптимальную температуру синтеза Тm, надо продифференцировать по температуре кинетическое уравнение (1), приравнять полученное выражение нулю и найти Тm. Выполнив эти действия, получим формулу:
Страницы: 1, 2, 3
|