Производство аммиака

Федеральное агентство по образованию

Государственного  образовательного учреждения

высшего профессионального образования

Казанский научно-исследовательский университет 
 

Курсовая  работа

по предмету: «Технология химических производств»

на тему: «Производство аммиака» 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

2011

 
 
 
 
 
 

Введение.

     Соединения  азота имеют исключительно большое  значение для всего народного  хозяйства. В связи с этим азотная  промышленность по темпам развития опережает  другие подотрасли химической промышленности.

Опережающими  темпами предусматривается развитие сырьевой базы для полного использования  мощностей по производству минеральных  удобрений и химических кормовых добавок.

     Современное производство синтетического аммиака  состоит из ряда последовательных технологических  стадий, сосредоточенных в отдельных  блоках: сероочистки природного газа, конверсии метана, конверсии СО, очистки синтез-газа от СО₂, метанирования, компрессии, синтеза аммиака, объединенных по технологическому принципу и по энергетическому – единой системой парового цикла.

     Характерной особенностью блока отделения синтеза  аммиака является то, что здесь  образуется и выделяется жидкий аммиак – товарный продукт. От остальных  стадий производства синтез аммиака  отличается применением высокого давления, наличием циркуляционного газового контура,  использованием холода. На этой стадии выделяется и утилизируется  наибольшее количество реакционного тепла. Блок синтеза характеризуется применением  сложной и разнообразной реакционной  и теплообменной аппаратуры, для  изготовления которой используются высококачественные стали. По капитальным  затратам он один из самых весомых  в аммиачном производстве. Выбор  технологических схем, аппаратурного  оформления и экономические показатели производства аммиака во многом определяются свойствами катализаторов синтеза: его активностью, стабильностью, механической прочностью, в связи с чем к качеству катализатора предъявляют самые высокие требования.  
 

Теоретическая часть

1.1. Краткая историческая  справка

     Аммиак  был известен древним  алхимикам  еще со времен Гебера (VIII в. н. э.), однако широкого применения не находил. Только в первой половине XIX в.

     Сразу же после установления К. Бертолле состава  аммиака (1784 г.) были сделаны первые попытки синтеза его из элементов. Однако только в 1901 г. Ле Шателье впервые применил высокое давление, повышенную температуру и катализатор. В. Н. Ипатьев в 1904 г. предложил аппарат для проведения каталитических реакций под высоким давлением – прототип колонны синтеза. В сентябре 1913 г. благодаря работам Ф. Габера, К. Боша и др. в Германии был пущен первый завод синтетического аммиака. Производство его в Германии в период первой мировой войн было расширено. В двадцатые годы оно начинает быстро развиваться и в других странах.

     В нашей стране в 1918-1919 гг. академик В. Н. Ипатьев с сотрудниками провел эксперименты по получению синтетического аммиака в аппарате отечественной  конструкции на различных катализаторах. В феврале 1919 г. на смешанном молибдено-вольфрамовом катализаторе с примесью оксида алюминия под давлением 7,5 МПа ими был достигнут выход аммиака 6,55%.

В конце  1925 г. на Чернореченском химическом заводе им. М. И. Калинина с помощью итальянской фирмы «Казале» было начато строительство первого завода синтетического аммиака. 9 февраля 1928 г. впервые был получен в промышленном масштабе отечественный синтетический аммиак. Первая очередь установки синтеза аммиака состояла из трех колонн внутренним диаметром 400 мм, работающих под давлением 74,0 МПа; производительность каждого агрегата 8 т жидкого аммиака в сутки. Для получения водорода был применен железо-паровой способ. Азот получали разделением воздуха.

     Накануне  второй мировой войны СССР имел 7 азотных заводов суммарной мощностью 400 тыс. т синтетического аммиака  в год. В 1940 г. выработка аммиака на этих заводах составила 338 тыс. т, что позволило нашей стране занять третье место в мире после Германии и Японии. Азотная промышленность сыграла значительную роль в годы Великой Отечественной войны, так как многие взрывчатые вещества являются продуктами нитрования различных химических веществ азотной кислотой, получаемой из синтетического аммиака.

     При  переходе отечественной азотной  промышленности на природный газ  для получения азотно-водородной смеси были применены паро-кислородная  каталитическая конверсия природного газа при низком давлении, высокотемпературная  кислородная конверсия при давлении 3,0 МПа и паро-кислородная каталитическая конверсия синтез-газа производства ацетилена. Однако эти схемы требовали  применения дорогого и энергоемкого оборудования для разделения воздуха. В связи с этим, в дальнейшем развитие азотной промышленности в  нашей стране было направлено на внедрение  двухступенчатого каталитического  метода конверсии метана под давлением 3,0 – 4 МПа. На первой стадии проводится паровая конверсия метана в трубчатой  печи, на второй – паро-воздушная  конверсия в шахтном конверторе. В настоящее время этот метод  является основным методом получения  конвертированного газа для производства аммиака.

     Разработка  новых, так называемых низкотемпературных, катализаторов конверсии СО позволила  значительно упростить схему  дальнейшей очистки синтез-газа, так  как отпала необходимость применения громоздких и энергоемких методов  очистки от СО (медноаммиачная, промывка жидким азотом). В последнее время были значительно усовершенствованы также методы очистки газа от СО2 в результате применения новых поглотителей (горячий растворпоташа) и внедрения двухпоточной моноэтаноламиновой очистки. В качестве последней стадии очистки газа от каталитических ядов был разработан и применен метод гидрирования оксидов углерода (метанирование).

     Значительным  шагом в развитии азотной промышленности явилось внедрение турбоциркуляционных компрессоров большой мощности с циркуляционным колесом на последней ступени, что позволило значительно снизить капиталовложения и энергетические затраты, уменьшить загрязнение азото-водородной смеси маслом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2.Механизм  химической реакции,  лежащий в основе реакции; катализ

     Для реакции синтеза аммиака катализаторами являются железо, платина, осмий, марганец, вольфрам, уран, родий и другие металлы, атомы которых характеризуются  незаполненным вторым снаружи электронным  слоем. Особенно высокая активность обнаружена при лабораторных исследованиях  у осмия и урана. Однако условия  использования катализатора в лаборатории  и на заводе, перерабатывающем в  сутки сотни тысяч и миллионы кубических метров газа, различны. Понадобились большие усилия, чтобы найти катализаторы, удовлетворяющие производственным требованиям.

     Промышленный  катализатор должен быть активным при  относительно низких температурах в  связи с рассмотренной выше зависимостью состояния равновесия реакции от температуры. Активность катализатора должна поддерживаться на постоянном и достаточно высоком уровне в  течение длительного времени. Присутствие  в газе некоторых ядов, полное удаление которых является сложным и дорогим  процессом, не должно оказывать существенного  влияния на активность катализатора. Наконец, катализатор должен быть дешев. Этим требованиям не удовлетворяют, например: осмий, платина, уран, железо. Первые два металла активные и  устойчивые катализаторы, но дороги; уран — активный катализатор, но легко  отравляется водяными парами; восстановленное  металлическое железо — активный и дешевый, но неустойчивый катализатор.

     Для каждого катализатора характерен определенный оптимальный температурный режим. Катализаторы, приготовленные из железа или железной руды, дают возможность  вести процесс при температурах: не ниже 450° и не выше 600°. Значительно  отличаются от них в этом отношении железные активированные катализаторы, полученные разложением комплексных цианистых солей, например железистосинеродистого калий-алюминия. Эти катализаторы активны уже при 400° и ниже.

     Повышение активности катализатора — эффективный  способ увеличения производительности аппарата. Благодаря усовершенствованию методов получения катализаторов, удалось значительно повысить производительность колонн синтеза.

     При очень высоких давлениях равновесие настолько значительно смещается  в сторону образования аммиака, что представляется возможным повысить температуру до 800—900°, при которой (под давлением 500 ат) реакция протекает в отсутствие специально вводимых в аппарат катализаторов. При этих условиях, по-видимому, достаточно каталитического действия стенок реакционного аппарата, — в лабораторном аппарате в отсутствие катализаторов реакция протекала с большой скоростью и была достигнута высокая степень превращения исходной смеси. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.3.Параметры,  влияющие на процесс

     Скорость  реакции синтеза аммиака зависит  от давления, температуры и состава  реакционной смеси. Эта зависимость  выражается уравнением Темкина-Пыжева с коэффициентом симметрии α=0,5 оптимальными считаются такие значения указанных выше параметров, при которых скорость реакции максимальна.

     Концентрация  аммиака. Скорость прямой реакции синтеза обратно пропорциональна парциальному давлению аммиака и, следовательно, его мольной доле, а для обратной реакции – разложения характерна прямая пропорциональность. Таким образом, с повышением содержания аммиака общая скорость реакции падает (реакция «тормозится аммиаком»). Именно этим торможением объясняется повышение производительности процесса с ростом объемной скорости. Увеличение объемной скорости приводит к уменьшению прироста содержания аммиака и к увеличению средней скорости процесса.

     Давление. Из уравнения Темкина-Пыжева видно, что скорость прямой реакции синтеза пропорциональна p^1,5, а скорость обратной реакции – разложения аммиака обратно пропорциональна p^0,5. Таким образом, с ростом давления наблюдаемая скорость реакции увеличивается, хотя отклонение реакционной смеси от идеальности приводит к замедлению этого роста по сравнению с указанной зависимостью.

     Температура. Температура влияет на константы скорости прямой и обратной реакций k₁ и k₂. Эту зависимость передает закон Аррениуса:

k₁ = k_1,0  exp [-E₁/RT]             k₂ = k_2,0  exp [-E₂/RT],

где E₁ и E₂ – энергия активации прямой и обратной реакции, R – универсальная газовая постоянная, k_1,0  и k_2,0  - предэкспоненты.