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. Введение

 

      Во  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  сырья

 
 

      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; ΔH>0

      C+O2 ↔CO2; ΔH<0

      Такой 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; ΔH<0

      а 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; ΔH=-35,6 кДж

      CH4+H2O = CO+3H2; ΔH=206,4 кДж

      CH4+CO2 = 2CO+2H2; ΔH=248,3 кДж

      Аналогичным образом осуществляются реакции  окисления гомологов метана.

      Физические  постоянные № 2.

      Физические  постоянные H2

З. Характеристика целевого продукта

 

      Аммиак  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.

 

      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);

 

4. Физико-химические  основы процесса

 

      Синтез  аммиака из элементов осуществляется по уравнению:

      N2+3H2↔2NH3; ΔH<0

      Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется  большим отрицательным энтальпийным эффектом (ΔH298 = - 91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (ΔH725 =-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 (ΔS298=-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.