Получение аммиака в лабораторных и промышленных масштабах. Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола) Получение аммиака в лаборатории уравнение

Аммиак – NH 3

Аммиак (в европейских языках его название звучит как «аммониак») своим названием обязан оазису Аммона в Северной Африке, расположенному на перекрестке караванных путей. В жарком климате мочевина (NH 2) 2 CO, содержащаяся в продуктах жизнедеятельности животных, разлагается особенно быстро. Одним из продуктов разложения и является аммиак. По другим сведениям, аммиак получил своё название от древнеегипетского слова амониан . Так называли людей, поклоняющихся богу Амону. Они во время своих ритуальных обрядов нюхали нашатырь NH 4 Cl, который при нагревании испаряет аммиак.

1. Строение молекулы

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине . Три неспаренныхp-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH 4 + .

Вид химической связи: ковалентная полярная, три одинарные σ - сигма связи N-H

2. Физические свойства аммиака

При нормальных условиях - бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. Растворимость NH 3 в воде чрезвычайно велика - около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

3.

В лаборатории	В промышленности
Для получения аммиака в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония: NH 4 Cl + NaOH = NH 3 + NaCl + H 2 O (NH 4) 2 SO 4 + Ca(OH) 2 = 2NH 3 + CaSO 4 + 2H 2 O Внимание ! Гидроксид аммония неустойчивое основание, разлагается: NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O При получении аммиака держите пробирку - приёмник дном кверху, так как аммиак легче воздуха:	Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота: N 2(г) + 3H 2(г) ↔ 2NH 3(г) + 45,9к Дж Условия: катализатор – пористое железо температура – 450 – 500 ˚С давление – 25 – 30 МПа Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода).

4. Химические свойства аммиака

Для аммиака характерны реакции:

1. с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления)
2. без изменения степени окисления атома азота (присоединение)

Реакции с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления) N -3 → N 0 → N +2 NH 3 – сильный восстановитель.

с кислородом 1. Горение аммиака (при нагревании) 4 NH 3 + 3 O 2 → 2 N 2 + 6 H 2 0 2. Каталитическое окисление амииака (катализатор Pt – Rh , температура) 4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O Видео - Эксперимент " Окисление аммиака в присутствии оксида хрома"

с оксидами металлов 2 NH 3 + 3CuO = 3Cu + N 2 + 3 H 2 O

с сильными окислителями 2 NH 3 + 3 Cl 2 = N 2 + 6 HCl (при нагревании)

аммиак – непрочное соединение, при нагревании разлагается 2NH 3 ↔ N 2 + 3H 2

Реакции без изменения степени окисления атома азота (присоединение - Образование иона аммония NH 4 + по донорно-акцепторному механизму) Видео - Эксперимент "Качественная реакция на аммиак" Видео - Эксперимент "Дым без огня" Видео - Эксперимент "Взаимодействие аммиака с концентрированными кислотами" Видео - Эксперимент "Фонтан" Видео - Эксперимент "Растворение аммиака в воде"

5. Применение аммиака

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест; ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак выпускается в жидком виде или в виде водного раствора – аммиачной воды, которая обычно содержит 25% NH 3 . Огромные количества аммиака далее используются для получения азотной кислоты , которая идет на производство удобрений и множества других продуктов. Аммиачную воду применяют также непосредственно в виде удобрения, а иногда поля поливают из цистерн непосредственно жидким аммиаком. Из аммиака получают различные соли аммония, мочевину, уротропин . Его применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках.

Аммиак используется также для получения синтетических волокон , например, найлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка . В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. Аммиак используется также при производстве соды по методу Сольве. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость.

Медики используют водные растворы аммиака (нашатырный спирт) в повседневной практике: ватка, смоченная в нашатырном спирте, выводит человека из обморочного состояния. Для человека аммиак в такой дозе не опасен.

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр №1 "Горение аммиака"

Тренажёр №2 "Химические свойства аммиака"

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Осуществить превращения по схеме:

а) Азот→ Аммиак → Оксид азота (II)

б) Нитрат аммония → Аммиак → Азот

в) Аммиак → Хлорид аммония → Аммиак → Сульфат аммония

Для ОВР составить е-баланс, для РИО полные, ионные уравнения.

№2. Напишите четыре уравнения химических реакций, в результате которых образуется аммиак.

Аммиак – вещество, знакомое, наверное, каждому взрослому человеку. Все дело в той физиологической роли, которую играет аммиак.

Стремительному росту объемов выпуска аммиака традиционно способствует относительная доступность необходимого для его производства сырья.

Химическая формула аммиака хорошо известна всем еще со школы – NH 3 . Из нее очевидно: для его получения требуются азот и водород.

В качестве источника азота здесь прекрасно подходит обычный атмосферный воздух. Данный ресурс практически безграничен. Таким образом, сырьевая база для производства аммиака (а, соответственно, и всей азотной промышленности) лимитируется водородом. А точнее, топливом, необходимым для его получения.

Как правило, для этих целей используется природный газ. Данное обстоятельство, кстати, весьма способствовало развитию отечественной азотной промышленности: газом Россия богата.

Однако если у кого-то из сказанного выше сложилось впечатление, что крупномасштабное производство аммиака является простым и доступным процессом, то это, безусловно, ошибочно. Создание действительно эффективных производств потребовало серьезных научных усилий и технологических решений.

Достаточно сказать, что процесс получения аммиака на практике проводят в присутствии катализатора при температуре около 500°C и давлении в 350 атмосфер. Отсюда ясно, насколько энергоемким является соответствующее производство. Зато создание подобных условий позволяет добиться выхода требуемого вещества на уровне приблизительно 30 процентов.

Вообще, по мнению экспертов, историю развития крупнотоннажного аммиачного производства следует рассматривать как постоянную борьбу за повышение полезного использования энергии: электрической, тепловой, и механической. Зато этот процесс дал в итоге отличные результаты. Если на первых промышленных установках КПД составлял лишь порядка 10 процентов, то на современных высокопроизводительных установках, способных «выдавать» полмиллиона тонн продукции в год, данный показатель в пять раз выше.

Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно простое уравнение реакции, являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе.

Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор – техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.

Вторая стадия промышленного синтеза предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода). Конверсия метана – обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 °С и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды: СН 4 + Н 2 О ↔ СО + 3Н 2

Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака - для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступают, однако на этой стадии происходят другие процессы. Происходит частичное сгорание водорода в кислороде воздуха:

2Н 2 + О 2 = Н 2 О (пар)

В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается снова с образованием водорода, как на второй стадии. Таким образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).

Окисление СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:

СО + Н 2 О (пар) ↔ СО 2 + Н 2 (3)

Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe 3 О 4 и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 °С. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.

На пятой степени оксид углерода (IV) удаляют из газовой смеси при помощи абсорбции раствором аМДЭА (активированный метил диэтанол амин).

В начале происходит абсорбция углекислого газа, затем – его десорбция и удаление из процесса.

Однако, качества аМДЭА очистки недостаточно для того, чтобы азото-водородную смесь можно было использовать для синтеза аммиака. Оставшегося количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака (1). На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородом в метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 ºС:

СО + 3Н 2 ↔ СН 4 +Н 2 О

Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси. Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 ºС.

Предыдущая567891011121314151617181920Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

ПРОИЗВОДСТВО АММИАКА

Для нормальной жизнедеятельности растений и жи­вотных азот необходим только в усвояемой форме. Од­нако из-за высокой химической инертности азота его не­исчерпаемые ресурсы * живой природе практически недо­ступны. Для решения продовольственной проблемы человечество переводит азот в усвояемую форму, «связы­вая» его до простейшего соединения - аммиака, из кото­рого затем получают азотную кислоту и минеральные удобрения.

Темпы роста производства аммиака постоянно увели­чиваются. При этом количественный рост производства сопровождается качественными изменениями структуры производственной базы. Укрупняются мощности еди­ничных агрегатов синтеза аммиака ** внедряются новые эффективные катализаторы и сорбенты, разрабатываются прогрессивное оборудование и технологические схемы, обеспечивающие более полное использование сырья и топлива.

В последние годы за счет лучшей утилизации теплоты производство аммиака удается организовать по энерготехнологическому принципу, в котором процесс полностью самообеспечивает себя паром и механической энергией.

Производство аммиака состоит из трех стадий: полу­чение азотоводородной смеси, ее очистка и собственно синтез аммиака.

Первая стадия - получение азотоводородной смеси. Сырьем для производства аммиака являются азот и водород. Азот выделяют из воздуха - газовой смеси, содержащей по объему 78,05% азота, 20,95% кислорода, 0,94% аргона и в незначительных количествах угле­кислый газ, неон, гелий, криптон и ксенон. Для этого воз­дух глубоким охлаждением переводят в жидкое состоя­ние, а затем ректификацией, основанной на различии температур кипения отдельных газов, разделяют на со­ставные части.

Водород получают одним из способов: электролизом воды или водных растворов поваренной соли; из коксо­вого газа последовательным сжижением всех его компо­нентов, кроме водорода; конверсией оксида углерода ге­нераторного газа; конверсией метана или его гомологов.

Получение водорода - наиболее дорогая стадия про­изводства. В настоящее время большую часть водорода для синтеза аммиака получают из наиболее дешевых ви­дов сырья - газов, содержащих метан и его гомологи. К ним относятся попутные газы нефтедобычи, при­родный газ, газы нефтепереработки. В присутствии водя­ного пара и кислорода метан превращается в водород:

СН 4 + Н 2 О СО + Н 2 — Q

СН 4 + 0.5O 2 СО + 2Н 2 + Q

а образовавшийся оксид углерода конвертируется до СО 2 и Н 2:

СО + Н 2 0 С0 2 + Н 2 + Q

Конверсию природного газа проводят при атмосферном или повышенном давлении с применением катализаторов (каталитическая конверсия) или без них (высокотемпера­турная конверсия). Часто процесс на никелевом катализа­торе ведут так, чтобы остаточная концентрация метана составляла 8 - 10%. При такой концентрации метана его дальнейшее конвертирование воздухом (т. е. смесью азо­та и кислорода в соотношении 4:1) позволяет получить сразу азотоводородную смесь с соотношением N 2: Н 2 = = 1:3. Это исключает необходимость строительства до­рогостоящих и энергоемких установок разделения возду­ха и значительно улучшает технико-экономические пока­затели процесса.

Однако полученные азот, водород и азотоводородная смесь загрязнены попавшими из природного газа соеди­нениями серы, а также оксидами и диоксидами углерода, образовавшимися при конверсии.

Из-за высокой чувстви­тельности катализатора синтеза аммиака к этим приме­сям, сильно снижающим его активность и вызывающим необратимые отравления (особенно соединения, содержа­щие серу), газ подвергают тщательной очистке.

Вторая стадия - очистка газа. Для удаления примесей сернистых соединенийтипа сероуглерода CS 2 , сероокиси углерода COS и меркаптанов R -SH их гидрируют на кобальтмолибденовом катализаторе при темпе­ратуре 350-450 °С до легкоулавливаемого сероводорода

9Н 2 + примеси (CS 2 + COS + R — SH) 4H 2 S + 2CH 4 4+ H 2 O

Образовавшийся сероводород удаляют из газа с по­мощью различных поглотителей, например оксида цинка: ZnO + H 2 S à ZnS + Н 2 О

После такой очистки газ содержит сероводорода не бо­лее 1 мг/м 3 .

Очистка газа от СО 2 производится с помощью жидких поглотителей. На смену водной очистке, по­треблявшей большое количество воды и энергии на ее перекачку, пришла более эффективная очистка с по­мощью водных растворов этаноламинов либо горячих растворов поташа, активированных мышьяком. При про­мывке газа указанными водными растворами примеси СО 2 образуют карбонаты и бикарбонаты. Регенерация поглотителей с удалением СО 2 в десорбере производит­ся: для этаноламинов - нагреванием до 120 °С, для рас­творов поташа - снижением давления.

Примеси СО удаляются из газа поглощением мед-ноаммиачным раствором слабой уксусной или муравьи­ной кислоты. Эффективность очистки увеличивается с по­вышением давления до 30 МПа и понижением темпера­туры до 25 - 0 °С. После очистки в газе остается не более 0,003% СО. При очистке азотоводородной смеси, полу­чаемой из коксового газа, остатки СО удаляют промыв­кой жидким азотом. При этом часть азота испаряется и переходит в азотоводородную смесь, обеспечивая соот­ношение N 2: Н 2 , близкое 1:3. Разбавляя смесь допол­нительным количеством азота, ее доводят до необхо­димого для синтеза аммиака точного соотношения N 2: Н 2 = 1:3. В тех случаях, когда остаточные количе­ства СО и СО 2 в газе небольшие (до 1 %), удаление примесей осуществляется их гидрированием (метанирова-нием) по реакциям

СО + ЗН 2 СН 4 + Н 2 О; СО 2 + 4Н 2 СН 4 + 2Н 2 О

Температура процесса 200 - 400 °С, катализатор - никель, нанесенный на оксид алюминия.

Третья стадия - синтез аммиака. Образование аммиака по реакции

N 2 +3H 2 2NH 3 + Q протекает до­статочно быстро только в присутствии катализаторов, содержащих в качестве активаторов оксиды алюминия, калия и кальция. Тепловой эффект реакции растет с уве­личением температуры, а равновесный выход зависит не только от температуры, но и от давления.

Синтез аммиака является обратимым экзотермиче­ским процессом.

В соответствии с принципом Ле-Шателье отвод теплоты должен смещать реакцию вправо. С этой целью промежуточное охлаждение газовой смеси менее нагретым встречным потоком производится после каждого ее контакта с катализатором. Это обеспечивает автотермичность процесса. Однако несмотря на отвод теплоты, температура по ходу процесса все же несколько увеличивается. Поэтому в колонне синтеза аммиака используются катализаторы, эффективно работающие в различных диапазонах температур.

Современные колонны синтеза аммиака большой еди­ничной мощности имеют четыре полки с катализатора­ми. На первой (по ходу газа) находится низкотемпера­турный катализатор (350- 500 °С), на второй - средне-температурный (400 -550 °С); на третьей и четвер­той - высокотемпературные (550 - 700 °С).

На фактический выход аммиака кроме перечисленных факторов оказывают влияние активность катализатора, состав газовой смеси, конструктивные особенности аппа­рата (чем меньше в них гидравлическое сопротивление, тем выше пропускная способность и ниже энергетические затраты) и продолжительность соприкосновения газа с катализатором (или обратная величина, называемая объемной скоростью газа). С увеличением объемной ско­рости съем аммиака с 1 м 3 контактной массы резко воз­растает. Но одновременно с этим увеличивается объем непрореагировавшей азотоводородной смеси. Во избежа­ние потерь эту смесь необходимо многократно прокачи­вать через катализатор по замкнутому циклу. Это повы­шает расход энергии на перекачку. С экономической точки зрения подобные затраты могут быть сведены к минимуму при некоторых оптимальных значениях объемной скорости газа (от 15000 до 30000 м 3 газовой смеси через 1 м 3 катализатора в час).

Технико-экономические показатели этого производ­ства могут быть улучшены переходом к энерго-, ресурсо-и трудосберегающей технологии. Это достигается приме­нением агрегатов большой единичной мощности, мало­водных схем и АСУТП. Особое внимание уделяется ути­лизации теплоты топочных газов, выходящих из печи нагрева метана, а также газовых потоков, покидающих реактор гидрирования органической серы, конвертеры метана и оксида углерода, колонны синтеза аммиака, метанатора и т. д.

Утилизированная высокопотенциальная теплота ис­пользуется для получения пара высокого давления. Энер­гия этого пара в турбинах преобразуется в механическую для сжатия и перемещения газов с помощью компрессо­ров. Низкопотенциальная теплота утилизируется для по­лучения технологического пара низкого давления, подо­грева воды, получения холода и т. п. Подобный принцип энергосбережения самообеспечивает процесс паром и ме­ханической энергией. Для районов, испытывающих недо­статок в топливе, это позволяет организовать производ­ство с минимальными энергозатратами. Замена же водяного охлаждения воздушным значительно сокращает и водопотребление. Указанные принципы используются в современных схемах производства аммиака на агрега­тах большой (1500 т/сут) единичной мощности. Один та­кой агрегат обеспечивает годовую экономию эксплуата­ционных затрат в сумме 15 млн. руб. и капиталовложе­ний до 25 млн. руб. Указанная схема включает блоки получения азотоводородной смеси, очистки газа и синте­за аммиака.

В блоке синтеза аммиака для сжатия азотоводород­ной смеси до 30 МПа и ее циркуляции утилизированная теплота превращается в механическую энергию сжатия и перемещения (рис. 7.6). Для этого водяной пар высокого давления и температуры, по­лученный в котле-утилиза­торе, направляют на паровую турбину 7, на валу кото­рой установлен турбоком­прессор 2.

Турбокомпрессор сжимает свежую азотоводородную смесь, а в послед­ней ступени еще и смешивают ее с непрореагировавшей на катализаторе возвратной смесью N 2 + 3H 2 , содержа­щей до 2 — 3 % NH 3 . Для улав­ливания аммиака газ после турбокомпрессора пропуска­ют через аммиачный холо­дильник 3, где он конден­сируется и в виде жидкости легко отделяется в сепара­торе 4. После сепаратора смесь азота и водорода проходит через два теплообменника 5 и 6, нагревается до 425 °С

и направляется в полочную колонну синтеза 7. По сравнению с традиционным контактным аппара­том с двойной теплообменной трубкой в полочных ра­диальных колоннах гидравлическое сопротивление, а сле­довательно, и энергопотери значительно снижены. В такой колонне с внутренним диаметром до 2,1 м, высо­той до 25 м и толщиной стенок из хромомолибденовой стали 10 - 30 см имеется четыре полки. Полки загру­жаются катализатором в возрастающем количестве и с возрастающим диапазоном рабочих температур от пер­вой к последней.

Для поддержания заданного температурного режима по высоте колонны после каждой полки производят от­вод теплоты экзотермической реакции в котел-утилиза­тор. Тонкое регулирование температуры достигается вве­дением в горячую газовую смесь определенного количе­ства холодной смеси.

Примерно 15-20% азотоводородной смеси на ката­лизаторе превращается в аммиак. Выйдя из колонны син­теза с температурой 320 - 380 °С, смесь последовательно отдает теплоту питательной воде котла-утилизатора в водоподогревателе 8, а затем нагревает встречный холодный газовый поток в «горячем» теплообменнике 6. Далее она охлаждается в аппарате воздушного охлажде­ния 9 и «холодном» теплообменнике 5. При давлении около 30 МПа в такой газовой смеси аммиак конденси­руется уже при температуре 25 - 40 °С и после отделения в сепараторе 10 направляется в хранилище.

Газовая смесь, содержащая до 2 — 3 % несконденсировавшегося аммиака, и непрореагировавшие азот и водо­род турбокомпрессором 2 возвращаются в производ­ственный цикл.

Степень превращения азотоводородной смеси в ам­миак в колонне синтеза колеблется от 15 до 20%. Но благодаря многократной ее циркуляции по замкнутой схеме фактический выход аммиака в системах среднего давления составляет 91 - 95%. По сравнению с систе­мами, работающими при низком (10 МПа) и высоком (100 МПа) давлении, в системах среднего давления, полу­чивших в мировой практике наибольшее распростране­ние, удачно решаются вопросы выделения аммиака при достаточной скорости процесса в контактном аппарате. Помимо жидкого аммиака получают и газообразный, ко­торый обычно тут же перерабатывается в мочевину, ам­миачную селитру, азотную кислоту.

Технологическая схема — производство — аммиак

Cтраница 1

Технологические схемы производства аммиака включают от 5 до 9 основных технологических блоков, таких, как очистка исходного сырья, производство азотоводородной смеси, синтез аммиака и другие.  

Если технологическая схема производства аммиака включает промывку газа жидким азотом, целесообразно проводить высокотемпературную конверсию природного газа под давлением до 30 am при температуре около 1350 С. В этом случае сухой конвертированный газ содержит примерно 96 % (СО Н2) при остаточной концентрации метана около 1 % и низких расходных коэффициентах по природному газу и кислороду.  

Если технологическая схема производства аммиака включает промывку газа жидким азотом, высокотемпературную конверсию природного газа целесообразно проводить под давлением до 3 0 МПа при температуре окрло-1350 С. В этом случае сухой конвертированный газ содержит примерно 95 5 % (СО Н2) при остаточной концентрации метана около 1 % и низких расходных коэффициентах по природному газу и кислороду.  

Если в технологической схеме производства аммиака не предусмотрена промывка жидким азотом, но имеется медноаммиачная очистка, для высокотемпературной конверсии природного газа целесообразно применять воздух, обогащенный кислородом. При этом остаточная концентрация метана в конвертированном газе не должна превышать примерно 0 5 %; достижение этого связано с повышением температуры реакции до 1400 С.  

Если в технологической схеме производства аммиака не предусмотрена промывка газа жидким азотом, но имеются отделения низкотемпературной конверсии оксида углерода и метанирования, для высокотемпературной конверсии природного газа целесообразно применять воздух, обогащенный кис -: лородом. При этом остаточная концентрация метана в конвертированном газе не должна превышать примерно 0 5 %, что связано с повышением тем-1 пературы реакции до 1400 С.  

В зависимости от технологической схемы производства аммиака масло, растворенное и диспергированное в сжатом газе, по-разному влияет на следующие стадии производства аммиака. Если на заводе имеется медно-аммяачная очистка под тем же давлением, что и синтез, газовый поток, содержащий масло, попадает в первую очередь в скрубберы медно-вшшшч-ной очистки, где оно загрязняет раствор, ухудтгает условия очистки газа и регенерации медно-аммиачного раствора, увеличивает расходные коэффициенты. Имеются данные, что очистка газа от масла только на стадии медно-аммиачной очистки дает.  

В зависимости от технологической схемы производства аммиака высокотемпературную конверсию природного газа проводят в смеси с техническим кислородом или с воздухом, обогащенным кислородом.  

На рис. 3 показана технологическая схема производства аммиака из природного газа.  

Установка является головной в технологической схеме производства аммиака и правильное ведение режима в ней в конечном счете определяет требуемый состав азотоводородной смеси для синтеза аммиака. Соблюдение теплового режима способствует нормальной и стабильной работе системы парообразования.  

В создаваемых в настоящее время технологических схемах производства аммиака мощностью свыше 1000 т МНз в суши с одного агрегата не предусмотрены отделения очистки конвертированного газа от окиси углерода медноаммиачными растворами или промывка жидким азотом.  

15 дана в упрощенном виде технологическая схема производства аммиака из природного газа. Как видно, схема является сложной.  

Так, в настоящее время внедряются технологические схемы производства аммиака с мощностью одного агрегата 400 тнс. А в перспективный период будет освоено оборудование в производстве аммиака до 800 тнс.  

Переход промышленности связанного азота на дешевый природный газ значительно-сокращает расходы по статье сырье. Кроме того, таким путем улучшаются условия труда на заводах, производящих синтетический аммиак. Это приводит также к упрощению технологической схемы производства аммиака.  

Страницы:      1

Муниципальное образовательное учреждение

Новосафоновская средняя общеобразовательная школа

Производство аммиака: краткая характеристика

Прокопьевский район 2006

Введение

1.Способы получения аммиака

2. Современный процесс получения аммиака

Список использованной литературы

Введение

Общей экономической задачей каждого химического предприятия является получение химических веществ высокого качества и в достаточном количестве, чтобы их реализация приносила прибыль. С этим связано требование, чтобы все ресурсы использовались как можно более эффективно. Однако этого можно достичь лишь в том случае, если максимально эффективен сам химический процесс. В химической промышленности вместо понятия «реагенты» гораздо чаще используются термины «исходные материалы», «сырьевые материалы» или просто сырьё», иногда - «руда». Чтобы какой-либо процесс был экономически оправдан, необходимо достичь оптимального выхода целевого продукта из сырьевых материалов. Оптимальный выход не обязательно совпадает с теоретическим выходом или даже с максимально достижимым выходом. Получение максимально достижимого выхода может, например, потребовать слишком большого расхода какого-либо дорогостоящего исходного материала, или же слишком длительного проведения процесса, или же создаются экстремальные условия (очень высокие температуры или давления), чреватые опасными аварийными ситуациями и т.п., - всё это может сделать максимально достижимый выход экономически невыгодным.

Фактический выход каждого конкретного химического процесса может зависеть от целого ряда факторов, главные из них - температура, давление, присутствие катализатора, чистота исходных материалов, эффективность извлечения конечного продукта. Промышленное производство веществ подразумевает отличное знание теоретических закономерностей протекания химических реакций (энергетика химических реакций, химическая кинетика и катализ, химическое равновесие).

Все перечисленные ниже факторы важны, в особенности, если речь идёт о таких многотоннажных производствах, таких, как, например, производство аммиака.

Проектировщики химических предприятий создают сверхмощные установки по производству аммиака. Так, например, созданы установки, производящие 1000-1200 тонн аммиака в сутки. В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 5 млн. тонн аммиака.

1. Способы получения аммиака

аммиак цианамидный процесс десульфуратор

Первым промышленным процессом, который использовался для получения аммиака, был цианамидный процесс. При нагревании извести СаО и углерода получали карбид кальция СаС2. Затем карбид нагревали в атмосфере азота и получали цианамид кальция СаСN2; далее аммиак получали гидролизом цианамида:

СаСN2(тв) + 3Н2О = 2NН3‍‍ + СаСО3(тв)

Этот процесс требовал больших затрат энергии и экономически был невыгоден.

В 1908 г. Немецкий химик Ф. Габер обнаружил, что аммиак можно получать из водорода и атмосферного азота на железном катализаторе. Первый завод по производству аммиака этим методом использовал водород, который получали электролизом воды. В последствии водород стали получать из воды путём восстановления коксом. Такой способ получения водорода намного экономичнее. После открытия Габера стремительно стало расти производство аммиака, это неудивительно, поскольку огромные количества аммиака необходимы для получения азот содержащих удобрений. На изготовление их используется приблизительно 80% всего получаемого в мире аммиака. Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме азот, в котором нуждается большинство растений. Остальные ≈20% производимого аммиака используются для получения полимеров, взрывчатых веществ, красителей и других продуктов.

Современный процесс получения аммиак основан на его синтезе из азота и водорода с использованием специального катализатора:

N2 + 3Н2 ↔ 2NН3 + 45,9 кДж (1)

Поскольку данная реакция обратимая, возникает вопрос: при каких температурах и давления выгоднее всего добиваться максимального выхода

продукта? Так как реакция экзотермическая, то исходя из принципа Ле Шателье ясно, что чем ниже температура процесса, тем больше равновесие будет сдвигаться в сторону образования аммиака, и можно предположить, что следует максимально понижать температуру. Но в действительности всё обстоит сложнее: при низких температурах реакция практически не идёт, поэтому приходится принимать компромиссное решение. Поскольку для установления оптимального состояния равновесия реакции требуется низкая температура, а для достижения удовлетворительной скорости - высокая температура, на практике процесс проводят при температуре ≈ 400 – 500 оС.

Но даже при такой высокой температуре для достижения достаточной скорости реакции требуется присутствие специального катализатора. В качестве катализатора используется губчатое железо, активированное оксидами калия и алюминия.

Из уравнения реакции видно, что общее число молей уменьшается от 4 до 2. Согласно принципу Ле Шателье в таком случае процесс выгодно проводить, повышая давление. Но этот вывод лишь качественный, анна практике нужно точно знать, насколько увеличится выход NН3 (на 10% или всего на 0,1%) при увеличение давления. В таблице 1 количественно показано влияние температуры и давления на выход аммиака (процентное содержание аммиака в равновесной смеси) по реакции.

Из этой таблицы видно, что повышение температуры при любом давлении заметно снижает содержание аммиака в газовой смеси, однако при температурах ниже 500 оС скорость реакции очень мала, поэтому на практике процесс обычно проводят при температуре 450 оС.

Таблица 1

Что касается давления, то здесь используется давления порядка 300 – 100 атм, но чаще всего «среднее» давление ≈ 250 атм. Хотя при этих условиях только около 20% исходных веществ превращается в аммиак, однако в результате использования циркуляционной технологической схемы (введение непрореагировавших Н2 и N2 вновь в реакцию) суммарная степень превращения исходных веществ в аммиак является очень высокой.

2. Современный процесс получения аммиака

Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно просто выглядящее уравнение реакции (1), являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе (рис.1). Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор. Десульфуратор - техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.

Вторая стадия промышленного синтеза аммиака предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода). Конверсия метана - это обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 оС и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды:

СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2 (2)

Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака по реакции (1) - для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступают на стадии (3), однако на этой стадии происходят другие процессы.

Происходит частичное сгорание водорода в кислороде воздуха:

2Н2 + О2 = Н2О(пар)

В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается снова с образованием водорода, как на второй стадии по торой стадии по им образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).

На рис.1 стадия (4) обозначена как реакция «сдвига», но проходить она может при двух температурных режимах и разных катализаторах. Окисление

СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:

СО + Н2О(пар) ↔ СО2 + Н2 (3)

Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe3О4 и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 оС. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.

На пятой степени оксид углерода (IV) «вымывают» из газовой смеси при помощи поглощения щелочным раствором:

КОН + СО2 = К2СО3.

Реакция «сдвига» (3) обратимая и после 4-й стадии в газовой смеси на самом деле остаётся ещё ≈ 0,5% СО. Этого количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака(1). На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородом в метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 оС:

СО + 3Н2 ↔ СН4 +Н2О

Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм.

В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси.

Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 оС. Именно этот процесс и описывается с точностью реакцией (1).

Список использованной литературы

1.Н.Е. Кузьменко, В.В. Ерёмин, В.А. Попков. Химия. Теория и задачи. - М.: ОНИКС 21 век», «Мир и образование», 2003.

Что такое аммиак

Аммиак, или нитрид водорода — одно из соединений азота. Это бесцветный газ с резким характерным запахом, обладающий химической формулой NH3. При замораживании или под давлением аммиак переходит в жидкую форму.

Аммиак широко применяется в промышленности, а также является ключевым компонентом в производстве азотных удобрений.

Азот необходим растениям для правильного развития и роста. Использование удобрений повышает содержание азота в почве, увеличивая урожайность.

Использование аммиака в сельском хозяйстве

Аммиак в основном используется для производства множества видов азотных удобрений, таких как карбамид и нитрат (аммиачная селитра) и сульфат аммония. Большая часть производимого в мире аммиака продается сельскохозяйственным или промышленным потребителям.

Широкое использование в промышленности

Аммиак - одно из важнейших веществ для химической промышленности. Его используют для получения полимеров, текстиля, взрывчатки, этанола. Применяется аммиак и в качестве растворителя и охлаждающего вещества. Аммиак используется при производстве лекарств и косметики.

Производство аммиака

Аммиак производится путем соединения азота и водорода при температурах 380 — 500 градусов по Цельсию и давлении 250 атм в присутствии катализатора.

В качестве сырья для производства аммиака может быть использован уголь, кокс и коксовый газ, но в основном аммиак производят из природного газа. Производство аммиака отличается высокой энергоемкостью, показатель потребления природного газа - один из важнейших факторов, определяющих рентабельность.

Использование аммиака

В качестве удобрения

Самостоятельно в качестве удобрения применяется безводный аммиак, который получают путем сжижения газообразного аммиака под высоким давлением. Он представляет собой жидкость с содержанием азота 82,3%, что делает его наиболее концентрированным и экономически эффективным азотным удобрением.

Из аммиака производят много видов азотных удобрений.

Наиболее важные из них карбамид, аммиачная селитра и сульфат аммония.

Карбамид (мочевина) изготавливается из аммиака и диоксида углерода.

Он поставляется в виде гранул и микро гранул и содержит 46% азота, что делает его самым концентрированных азотным удобрением.

Аммиачная селитра (NH 4 NO3) - наиболее распространенное универсальное азотное удобрение, содержащее 35% азота, применяется в качестве основного удобрения и для подкормки.

Сульфат аммония содержит 21% азота и до 24% серы, поэтому является также источником серного питания. Хорошо впитывается, не вымывается из почвы, используется под все сельскохозяйственные культуры.

Промышленное использование

Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности. Вещества, производимые из аммиака, служат основой для производства пропилена, текстильных волокон, проводов, труб, тары, шин, деталей автомобилей и телефонов. Из аммиака производят также взрывчатые вещества.

Жидкий аммиак используют в качестве растворителя и хладагента. Аммиак применяют и как противоморозную добавку к сухим строительным растворам.

Производные аммиака амины используются в области медицины. Это нашатырный спирт, компоненты косметики и лекарственных средств.

Водный раствор аммиака используется в качестве источника азота в процессе производства дрожжей. В мире растет спрос на этанол, а дрожжи — единственный вид микроорганизмов, используемый для превращения сахара в этанол.

Хранение и перевозка

При замораживании или под давлением аммиак переходит в жидкую форму и требует специального оборудования и техники для транспортировки и хранения.

Жидкий аммиак хранится в соединенных между собой резервуарах, оснащенных предохранительными клапанами. Для повышения безопасности резервуары окапывают, устанавливают дополнительные поддоны и стенки.

При хранении больших объемов углеводородных газов наиболее эффективны подземные газохранилища. Широкое распространение получило хранение аммиака в изотермических газгольдерах.

Транспортировка аммиака проводится в специальных транспортных емкостях железнодорожным, водным и автотранспортом или по магистральным трубопроводам.

Основные потребители

Основной спрос на продукт предъявляет Китай, предприятия которого потребляют около 30% производимого в мире аммиака. Еще несколько стран и регионов демонстрируют примерно одинаковый уровень потребления аммиака: это США (10%), страны СНГ и Западной Европы (по 8-9%), Индия (8%).

Спрос на аммиак

Согласно прогнозам экспертов, в 2020 году производство аммиака составит около 190 млн тонн в год. Около трех четвертей производимого в мире аммиака используется для производства удобрений, около 50% идет на производство только карбамида.

В настоящее время на мировом рынке растет спрос на карбамид, поэтому прогнозируется, что спрос на аммиак, из которого он производится, в период до 2020 года будет расти с темпами не менее 2% в год.

Прогнозируемое повышение спроса на продукт создает возможности для вновь строящихся предприятий по производству карбамида.

На процесс производства оптимального количества химического вещества, а также достижения максимального его качества влияет ряд факторов. Получение аммиака зависит от показателей давления, температуры, наличия катализатора, используемых веществ и способа извлечения полученного материала. Эти параметры необходимо правильно сбалансировать для достижения наибольшей прибыли от производственного процесса.

Свойства аммиака

При комнатной температуре и нормальной влажности воздуха аммиак находится в газообразном состоянии и имеет очень отталкивающий запах. Он наделен ядовитым и раздражающим слизистые оболочки воздействием на организм. Получение и свойства аммиака зависят от участия в процессе воды, так как это вещество очень растворимо в нормальных характеристиках окружающей среды.

Аммиак является соединением водорода и азота. Его химическая формула - NH 3 .

Это химическое вещество выступает активным восстановителем, в результате горения которого выделяется свободный азот. Аммиак проявляет характеристики оснований и щелочей.

Реакция вещества с водой

При растворении NH 3 в воде получают аммиачную воду. Максимально при обычной температуре можно растворить в 1 объеме водного элемента 700 объемов аммиака. Известно это вещество как нашатырный спирт и широко применяется в отрасли производства удобрений, в технологических установках.

Полученный путем растворения в воде NH 3 по своим качествам частично ионизирован.

Нашатырный спирт используется в одном из методов лабораторного получения этого элемента.

Получение вещества в лаборатории

Первый метод получения аммиака заключается в доведении нашатырного спирта до кипения, после чего полученный пар осушают и собирают требуемое химическое соединение. Получение аммиака в лаборатории возможно также путем нагревания гашеной извести и твердого хлорида аммония.

Реакция получения аммиака имеет такой вид:

2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O

В ходе этой реакции выпадает осадок белого цвета. Это соль CaCl 2 , а еще образовывается вода и искомый аммиак. Для проведения осушения требуемого вещества его пропускают по смеси извести в сочетании с натром.

Получение аммиака в лаборатории не обеспечивает самую оптимальную технологию его производства в необходимых количествах. Люди много лет искали способы добычи вещества в промышленных масштабах.

Истоки налаживания технологий производства

На протяжении 1775-1780 годов были осуществлены опыты по связыванию свободных молекул азота из атмосферы. Шведский химик К. Шелле нашел реакцию, которая имела вид

Na 2 CO 3 + 4C + N 2 = 2NaCN + 3CO

На ее основе в 1895 году Н. Каро и А. Франк разработали метод связывания свободных молекул азота:

CaC 2 + N 2 = CaCN 2 + C

Этот вариант требовал больших затрат энергии и был экономически невыгодным, поэтому со временем от него отказались.

Еще одним довольно затратным методом стал открытый английскими химиками Д. Пристли и Г. Кавендишем процесс взаимодействия молекул азота и кислорода:

Рост потребности в аммиаке

В 1870 году это химическое вещество считалось нежелательным продуктом газовой промышленности и было практически бесполезным. Однако спустя 30 лет это оно стало очень востребованным в коксохимической отрасли.

Сначала возросшую потребность в аммиаке восполняли путем его выделения из каменного угля. Но при росте потребления вещества в 10 раз по поиску путей его добычи велась практическая работа. Получение аммиака стали внедрять с применением запасов атмосферного азота.

Потребность в веществах на основе азота наблюдалась практически во всех известных отраслях экономики.

Поиск путей удовлетворения промышленного спроса

Долгий путь прошло человечество к осуществлению уравнения производства вещества:

N 2 + 3H 2 = 2NH 3

Получение аммиака в промышленности впервые удалось реализовать в 1913 году путем каталитического синтеза из водорода и азота. Способ открыт Ф. Габером в 1908 году.

Открытая технология разрешила давнюю проблему многих ученых разных стран. До этого момента не удавалось связать азот в виде NH 3 . Этот химический процесс получил название цианамидной реакции. При повышении температуры извести и углерода получалось вещество CaC 2 (карбид кальция). Путем нагревания азота и добивались получения цианамида кальция CaCN 2 , из которого выделение аммиака проходило путем гидролиза.

Внедрение технологий для получения аммиака

Получение NH 3 в глобальных масштабах промышленного потребления началось с покупки патента технологий Ф. Габера представителем Баденского содового завода А. Митташем. В начале 1911 года синтез аммиака на небольшой установке стал регулярным. К. Бош создал большой контактный аппарат, исходя из разработок Ф. Габера. Это было оригинальное оборудование, обеспечивающее процесс извлечения аммиака путем синтеза в производственном масштабе. К. Бош взял на себя все руководство по данному вопросу.

Экономия энергозатрат предполагала участие в реакциях синтеза определенных катализаторов.

Группа ученых, работающая над поиском подходящих составляющих, предложила следующее: железный катализатор, в который добавлялись оксиды калия и алюминия и который поныне считается одним из наилучших, обеспечивающих получение аммиака в промышленности.

9.09.1913 начал свою работу первый в мире завод, применяющий технологию каталитического синтеза. Постепенно наращивались производственные мощности, и к концу 1917 года вырабатывалось 7 тыс. т аммиака за месяц. В первый год работы завода этот показатель составлял всего 300 т в месяц.

Впоследствии во всех других странах тоже стали применять технологию синтеза с применением катализаторов, которая по своей сути не очень отличалась от техники Габера - Боша. Применение высокого давления и циркуляционных процессов происходило в любом технологическом процессе.

Внедрение синтеза в России

В России также применялся синтез с применением катализаторов, обеспечивающих получение аммиака. Реакция имеет такой вид:

В России самый первый завод аммиачного синтеза начал свою работу в 1928 году в Чернореченске, а далее были построены производства во многих других городах.

Практическая работа по получению аммиака постоянно набирает обороты. В период с 1960 по 1970 год синтез увеличился почти в 7 раз.

В стране для успешного получения, собирания и распознавания аммиака используют смешанные каталитические вещества. Изучение их состава осуществляет группа ученых под предводительством С. С. Лачинова. Именно эта группа нашла наиболее эффективные материалы для технологии осуществления синтеза.

Также постоянно ведутся исследования кинетики процесса. Научные разработки в этой области вели М. И. Темкин, а также его сотрудники. В 1938 году этот ученый вместе со своим коллегой В. М. Пыжевым сделал важное открытие, совершенствуя получение аммиака. Уравнение кинетики синтеза, составленное этими химиками, применяется отныне по всему миру.

Современный процесс синтеза

Процесс получения аммиака при помощи катализатора, применяемый в сегодняшнем производстве, имеет обратимый характер. Поэтому очень актуальным является вопрос оптимального уровня воздействия показателей на достижение максимального выхода продукции.

Процесс протекает при высокой температуре: 400-500 ˚С. Для обеспечения необходимой скорости прохождения реакции применяется катализатор. Современное получение NH 3 предполагает использование высокого давления - около 100-300 атм.

Совместно с применением циркуляционной системы можно получить достаточно большую массу превращенных в аммиак первоначальных материалов.

Современное производство

Система работы любого аммиачного завода достаточно сложная и содержит в себе нескольких этапов. Технология получения искомого вещества осуществляется в 6 этапов. В процессе проведения синтеза происходит получение, собирание и распознавание аммиака.

Первоначальная стадия заключается в извлечении серы из природного газа при помощи десульфуратора. Эта манипуляция требуется вследствие того, что сера является каталитическим ядом и убивает никелевый катализатор еще на стадии извлечения водорода.

На втором этапе проходит конверсия метана, которая протекает с применением высокой температуры и давления при использовании никелевого катализатора.

На третьей стадии случается частичное выгорание водорода в кислороде воздуха. В результате производится смесь водяного пара, оксида углерода, а также азота.

На четвертом этапе происходит реакция сдвига, которая проходит при различных катализаторах и двух отличных температурных режимах. Первоначально применяется Fe 3 O 4 , и процесс протекает при температуре 400 ˚С. Во второй стадии участвует более эффективный по своему воздействию медный катализатор, что позволяет осуществление производства при низких температурах.

Следующая пятая стадия предполагает избавление от ненужного оксида углерода (VI) из смеси газа путем применения технологии поглощения раствором щелочи.

На завершающем этапе оксид углерода (II) удаляется при использовании реакции конверсии водорода в метан через никелевый катализатор и большую температуру.

Полученная в результате всех манипуляций смесь газа содержит 75 % водорода и 25 % азота. Ее сжимают под большим давлением, а затем остужают.

Именно эти манипуляции описывает формула выделения аммиака:

N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 кДж

Хоть этот процесс выглядит не очень сложным, однако все вышеперечисленные действия по ее осуществлению говорят о сложности получения аммиака в промышленном масштабе.

На качество конечного продукта влияет отсутствие в сырье примесей.

Пройдя долгий путь от небольшого лабораторного опыта до масштабного производства, получение аммиака на сегодняшний день является востребованной и незаменимой отраслью химической промышленности. Этот процесс постоянно совершенствуется, обеспечивая качество, экономичность и необходимое количество продукта для каждой ячейки народного хозяйства.

Современный процесс получения аммиака основан на его синтезе из азота и водорода при температурах 380 - 450 0C и давлении 250 атм с использованием железного катализатора:

N2 (г.) + 3H2 (г.) = 2NH3 (г.)

Азот получают из воздуха. Водород получают восстановлением воды (пара) с помощью метана из природного газа либо из лигроина. Лигроин (нафта) представляет собой жидкую смесь алифатических углеводородов, которая получается при переработке сырой нефти (см. гл. 18).

Работа современного аммиачного завода очень сложна. На рис. 7.2 показана упрощенная схема действия аммиачного завода, работающего на природном газе. Эта схема действия включает восемь стадий.

1-я стадия. Удаление серы из природного газа. Это необходимо, поскольку сера представляет собой каталитический яд (см. разд. 9.2).

2-я стадия. Получение водорода восстановлением пара при 750 0C и давлении 30 атм с помощью никелевого катализатора:

CH4 (г.) + H2O (г.) = СО (г.) + ЗН 2 (г.)

3-я стадия. Впуск воздуха и сгорание части водорода в кислороде вводимого воздуха:

2H2 (г.) + O2 (г.) = 2H2O (г.) В результате получается смесь водяного пара, моноксида углерода и азота. Водяной пар восстанавливается с образованием водорода, как на 2-й стадии.

4-я стадия. Окисление моноксида углерода, образующегося на стадиях 2 и 3, до диоксида углерода по следующей реакции «сдвига»: СО (г.) + H2O (г.) = CO2 (г.) + H2 (г.)

Этот процесс проводится в двух «реакторах сдвига». В первом из них используется катализатор из оксида железа и процесс проводится при температуре порядка 400 0C Во втором используется медный катализатор и процесс проводится при температуре 220°С.

5-я стадия. Вымывание диоксида углерода из газовой смеси при помощи буферного щелочного раствора карбоната калия или раствора какого-либо амина, например этаноламина NH2CH2CH2OH. Диоксид углерода в конце концов сжижают и используют для производства мочевины, либо выпускают в атмосферу.

6-я стадия. После 4-й стадии в газовой смеси остается еще около 0,3% моноксида углерода. Поскольку он может отравлять железный катализатор во время синтеза аммиака (на 8-й стадии), моноксид углерода удаляют путем конверсии водородом в метан на никелевом катализаторе при температуре 325°С.

7-я стадия. Газовую смесь, которая теперь содержит приблизительно 74% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; при этом ее давление возрастает от 25-30 атм до 200 атм. Поскольку это приводит к повышению температуры смеси, ее сразу же после сжатия охлаждают.

8-я стадия. Газ из компрессора поступает теперь в «цикл синтеза аммиака». Схема, приведенная на рис. 7.2, дает упрощенное представление об этой стадии. Сначала газовая смесь попадает в каталитический конвертер, в котором используется железный катализатор и поддерживается температура 380-450°С. Газовая смесь, выходящая из этого конвертера, содержит не более 15% аммиака. Затем аммиак сжижают и направляют в приемный бункер, а непрореагировавшие газы возвращают в конвертер.

– средняя выводящая из строя концентрация (ICt50) обеспечивает вывод из строя 50% пораженных;

– средняя пороговая концентрация (PCt50) – вызывает начальные симптомы поражения у 50% пораженных (г·мин/м3);

– средняя смертельная доза (LDt50) при введении в желудок – приводит к гибели 50% пораженыых при однократном введении в желудок (мг/кг).

Для оценки степени токсичности АХОВ кожно-резорбтивного действия используют значения средней смертельной токсодозы (LDt50), и средней пороговой токсодозы (PDt50). Единицы измерения – г/чел., мг/чел., мл/кг.

Средняя смертельная доза при однократном нанесении на кожу приводит к гибели 50% пораженных .

Физико-химические свойства аммиака

При оценке потенциальной опасности химических веществ необходимо принимать во внимание не только токсические, но и физико-химические свойства, характеризующие их поведение в атмосфере, на местности и в воде. В частности, важнейшим физическим параметром, определяющим характер поведения токсичных веществ ингаляционного действия при выбросах (проливах), является максимальная концентрация его паров в воздухе. В промышленной токсикологии используют показатель, учитывающий одновременно токсические свойства и летучесть веществ – коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО) . Этот коэффициент равен отношению максимально возможной концентрации паров вещества при 200С к его смертельной концентрации (Таблица П. 4.1)

По некоторым своим свойствам (точка кипения -33 °С, критическая температура -132 °С) аммиак похож на хлор. Так же как и хлор, аммиак удобно хранить в сжиженном виде. Зависимости давление паров – температура и доля мгновенно испаряющейся жидкости в адиабатическом приближении температура для аммиака и для хлора весьма близки. Однако аммиак в основном перевозится в виде охлажденной жидкости (в рефрижераторах). Отметим, что в США существуют трубопроводы, по которым аммиак транспортируется через всю страну .

Промышленное значение аммиака и области его применения

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест. Ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак используется для производства азотной кислоты (HNO3), которая идет на производство удобрений и множества других продуктов; азотсодержащих солей [(NH4)2SO4, NH4NO3, NaNO3, Ca(NO3)2], мочевины, синильной кислоты .

Аммиак используется также при получении соды по аммиачному способу, в органическом синтезе, для приготовления водных растворов (нашатырный спирт), находящих разнообразное применение в химической промышленности и в медицине. Жидкий аммиак, а также его водные растворы применяют в качестве жидких удобрений. Аммиак представляет собой хороший растворитель для значительного класса соединений, содержащих азот. Большие количества аммиака идут на аммонизацию суперфосфата.

Испарение аммиака происходит с поглощением значительно количества тепла из окружающей среды. Поэтому аммиак применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках. При этом жидкий аммиак должен соответствовать требованиям, предъявляемым ГОСТ 6221 – 90 «Аммиак жидкий технический». В качестве хладагента используется жидкий технический аммиак марки А. При этом содержание воды не должно превышать 0,1%.

Аммиак используется также для получения синтетических волокон, например, нейлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка. В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость .

Общие правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок

Общие понятия о холодильных установках

Холодильная система – совокупность содержащих хладагент и сообщающихся между собой частей, образующих один закрытый холодильный контур для циркуляции хладагента с целью подвода и отвода тепла.

Холодильная установка – агрегаты, узлы и другие составные части холодильной системы и вся аппаратура, необходимая для их функционирования.

Абсорбционная (или адсорбционная) холодильная система – система, в которой выработка холода осуществляется в результате испарения хладагента; абсорбер (адсорбер) поглощает пары хладагента, которые впоследствии выделяются из него при нагреве с повышением парциального давления и затем под этим давлением конденсируются при охлаждении.

Холодильный агент (хладагент) – используемая в холодильной системе рабочая среда, которая поглощает теплоту при низких значениях температуры и давления и выделяет теплоту при более высоких значениях температуры и давления. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния рабочей среды.

Хладоноситель – любая жидкость, используемая для передачи тепла без изменения ее агрегатного состояния .

Требования к аппаратурному оформлению холодильных установок

1) В холодильной установке должны быть предусмотрены аппараты, предотвращающие попадание капель жидкого аммиака во всасывающую полость компрессоров.

2) Блок испарителя для охлаждения хладоносителя должен включать в себя устройство для отделения капель жидкости из парожидкостной аммиачной смеси и возврата отделенной жидкости в испаритель.

3) Для отделения жидкой фазы из перемещаемой парожидкостной смеси в холодильных системах с непосредственным охлаждением, на каждую температуру кипения предусматриваются циркуляционные (или защитные) ресиверы, совмещающие функции отделителя жидкости. Допускается предусматривать для этих целей отдельные отделители жидкости, соединенные трубопроводами с циркуляционными (защитными) ресиверами, не совмещающими функции отделителя жидкости.

4) Геометрический объем циркуляционных ресиверов со стояком, совмещающих функции отделителя жидкости, для каждой температуры кипения в насосных схемах с нижней и верхней подачей аммиака в охлаждающие устройства следует рассчитывать по формулам, приведенным в .

5) Для аварийного (ремонтного) освобождения от жидкого аммиака охлаждающих устройств, аппаратов, сосудов и блоков, а также для удаления конденсата при оттаивании охлаждающих устройств горячими парами, необходимо предусматривать дренажный ресивер, рассчитанный на прием аммиака из наиболее аммиакоемкого аппарата, сосуда или блока.

6) Геометрический объем дренажного ресивера следует принимать из условия заполнения его не более чем на 80%.

7) Геометрический объем линейных ресиверов холодильных установок следует принимать не более 30% суммарного геометрического объема охлаждающих устройств помещений, аммиачной части технологических аппаратов и испарителей.

8) Для холодильных машин с дозированной зарядкой аммиака линейный ресивер не предусматривается.