Производство амиака

         ВСТУП 

         Аміак— найпростіша  сполука N2 з Н₂, це безбарвний газ з дуже різким характерним запахом При—33,4° С NН₃ зріджується і кипить, перетворюючись у прозору рідину, яка твердне при—77,7° С. Аміак добре розчиняється у воді. Використовують також  для виробництва азотних добрив, вибухових речовин і азотної кислоти. Рідкий аміак використовується в холодильних установках. Розчин 10% аміаку у воді називають аміачною водою або нашатирним спиртом, який має питому вагу — 0,95–0,96.

         Концентрований розчин аміаку зазвичай не використовується у нерозбавленому вигляді. Використовується як буферний агент або для регулювання рН розчинів,використовується для виробництва більш розбавленого розчину аміаку, який використовується як стимулятор дихальних рефлексів, як речовина, що викликає гіперемію шкіри, і як відволікаюча речовина для нейтралізування укусів комах.

         За величиною ГДК  в повітрі робочої зони шкідливі речовини аміак відносять до четвертого класу :речовини мало небезпечні, ГДК більше 10,0 мг/м3 (аміак, бензин, ацетон, гас).

При внутрішньому вживанні викликає сильний біль у  порожнині рота, горлі й ШКТ  з виникненням набряку, кашлю, блювання і шоку. Опіки стравоходу і шлунка можуть призвести до перфорації. Вдихання парів спричиняє чхання, кашель, і, у високій концентрації, набряк легенів. Пари подразнюють очі. Навіть застосування розведеного розчину  аміаку, який використовують для лікування  укусів комах, може викликати опіки. Тому необхідно дотримуватися звичайних  запобіжних заходів відповідно до обставин (окуляри, захисні рукавички, респіратори). Роботу з розчином аміаку слід проводити  при ввімкнених витяжних шафах.

         Аміак - один із найважливіших  продуктів основної хімічної  промисловості. Світове виробництво  аміаку - десятки мільйонів тонн  на рік.

    Аміачні добрива краще вбираються ґрунтом, через це вони більш придатні для  завчасного внесення. Норми внесення А. д. залежать від ґрунтово-кліматич. умов, біологіч. особливостей культур  і способу внесення добрив. 

    Як  мінеральні азотні добрива застосовують такі речовини:

    Нітрат  калію KNO3 (калійна селітра) являє  собою безбарвну кристалічну  речовину. На вологому повітрі не мокріє і не злежується. Нітрат калію —  дуже цінне мінеральне добриво, в  якому міститься два поживних для рослин елементи — азот і  калій. Однак за агрохімічними вимогами вміст азоту в азотнокалійових  добривах повинен бути більшим, ніж  в KNO3. Тому нітрат калію застосовують переважно в суміші з амонійними солями.

    Нітрат  амонію NH4NO3 (амонійна селітра) дуже багате на азот добриво. Але нітрат амонію має істотний недолік — на вологому повітрі він мокріє, а при висиханні  утворює тверді куски. Цілком сухий  нітрат амонію може вибухати. Тому його застосовують як добриво в суміші з сульфатом амонію. Така суміш  на повітрі не мокріє; не злежується і являє собою дуже цінне добриво, особливо під цукрові буряки, картоплю та інші культури.

    Нітрат  кальцію Ca(NO3)2 (кальцієва, або норвезька, селітра) — теж цінне азотне добриво. Його виробляють у великих кількостях нейтралізацією нітратної кислоти  вапном. Цінність нітрату кальцію  як добрива полягає також у  тому, що іони кальцію Ca2+ позитивно  впливають на структуру ґрунту.

    Нітрат  натрію NaNO3 (чилійська селітра) являє  собою єдину сіль нітратної кислоти, яка утворює потужні природні родовища (в Чилі). В багатьох країнах  чилійська селітра широко використовується як мінеральне добриво.

    Сульфат амонію (NH4)2SO4 — одне з найстаріших  азотних добрив. Його добувають у  великих кількостях нейтралізацією сульфатної кислоти аміаком. Сульфат  амонію не гігроскопічний і не злежується. Він значно підвищує врожайність  таких культур, як жито, пшениця, картопля і особливо чай і рис.

    Хлорид  амонію NH4Cl одержують нейтралізацією хлоридної кислоти аміаком. Він  теж не гігроскопічний і не злежується. Але на відміну від сульфату амонію його не вносять під такі культури, як цукрові буряки, тютюн тощо, оскільки іони хлору на ці культури впливають  негативно.

Рідкий  аміак і аміачна вода є найбагатшими добривами за вмістом азоту. Рідкий аміак, як і аміачну воду, стали  застосовувати як азотні добрива  лише останнім часом, коли були розроблені методи внесення в ґрунт добрив у  рідкому стані. 
 

         Технологія  аміаку

         Синтез аміаку відбувається за реакцією

         N2 + ЗН₂2NH3

         Ця реакція є  оборотною, екзотермічною та відбувається із зменшенням газового об'єму Згідно із принципом Ле-Шательє рівновага  реакції зсувається праворуч із підвищенням  тиску і пониженням температури - 

         Залежно від тиску, який використовують під час синтезу  аміаку, промислові способи можна розділити на три групи: 1) під низьким тиском (до 10 МПа); 2) під середнім тиском (20...30 МПа); 3) під високим тиском (75...100 МПа). Здебільшого у промислових використовують системи середнього тиску.

          Сучасні агрегати синтезу аміаку працюють на плавлених залізних каталізаторах  за температур 420...500 °С та тиску ~ 32 МПа; об'ємна швидкість подачі азотоводневої  суміші 15000...25000 год"¹; продуктивність 1 м³ контактної маси становить 20...40 т/добу Сучасні аміачні виробництва - це комплекс декількох ХТС великої одиничної потужності. Це дає змогу знизити капіталовкладення, повніше утилізувати низько- і високопотенціальну теплоту процесу і тим самим знизити собівартість готової продукції. Принципову технологічну схему зображено на рис.1.  

         Природний газ після  очищення від сірковмісних сполук під  тиском 4 МПа змішується з парою  у співвідношенні 3,7 Т, підігрівається у теплообміннику 4 відхідними газами і подається у трубчастий конвертор  із пічкою 5, яку опалюють природним газом. Конверсія метану з водяною парою відбувається на нікелевому каталізаторі за температури 800. 850 °С з утворенням вуглецю (II) оксиду Залишковий вміст метану після першого ступеня конверсії дорівнює 9... 10 %. Далі газ змішують з повітрям і подають у шахтний конвертор 7 для конверсії залишкового метану киснем повітря. Цей процес відбувається за температури 900... 1000 °С, співвідношення пара : газ = 0,8 1. Із шахтного конвертора 7 газ подають на охолодження у котел-утилізатор 8, а охолоджений газ - на двоступеневу конверсію оксиду вуглецю- Пара, отримана у котлі-утилізаторі 8, має високі параметри (10 МПа, 480 °С), тому використовується в газових турбінах турбокомпресора 16. Конверсію газу у конверторі першого ступеня 9 здійснюють на середньотемпературному залізохромовому каталізаторі за 430...470 °С, а в конверторі другого ступеня 10 на низькотемпературному цинкхроммідному каталізаторі за 200...260 °С. Газ між першим і другим ступенем конверсії охолоджують у котлі-утилізаторі 8. Теплоту газової суміші після другого ступеня конверсії використовують для регенерації моноетаноламіноводного розчину, яким очищають газ від СО2.

         Після конверсії  газ подають на очищення від СО2 у абсорбер 13, який зрошується холодним розчином моноетаноламіну. Температура процесу очищення становить 30...40 °С. На виході з абсорбера газ містить домішки кисневмісних сполук-отрут (СО до 0,3%, СО2 30...40 см³/м³), які гідрують в метанаторі 15 на нікелевому каталізаторі за 280...350 °С. Очищений газ охолоджують живильною водою і подають на стиснення. Подальше охолодження і сепарацію води, яку отримали, проводять в апараті повітряного охолодження і вологовідділювачі (на схемі не показано). 

         Стиснення азотоводневої  суміші до ЗО МПа і її циркуляцію забезпечують турбокомпресором з газовою  турбіною 16 із приводом від парової  конденсаційної турбіни. Свіжа азотоводнева суміш змішується з циркуляційною  сумішшю перед системою вторинної  конденсації, яка складається з  аміачного холодильника 18 та сепараторів 19, 20, далі проходить через теплообмінники 21 і 23 і надходить у поличкову  колону синтезу 25. Після колони синтезу  газова суміш з температурою 320...З80 °С послідовно охолоджується у водопідігрівачі  живильної води 22, "гарачому" теплообміннику 23, апараті повітряного охолодження 24, "холодному" теплообміннику 21, сепараторі рідкого аміаку 19 та надходить  на циркуляційне колесо компресора 16. Рідкий аміак із сепараторів транспортують  у сховище рідкого аміаку. 

         Вміст аміаку в циркуляційній  азотоводневій суміші над аміаком  залежить від температури і тиску  Так, за тиску ЗО МПа і температурі -5 °С в азотоводневій суміші залишається приблизно 2,5 % N113.

         Основним агрегатом  процесу синтезу аміаку є колона синтезу.

         Колону синтезу  виробляють із спеціальних легованих  сталей, тому що за високих тисків і  температур аміак і, особливо, водень взаємодіє зі сталлю, погіршуючи її механічні властивості.

         Зниження температури  стінок колони здійснюють пропусканням холодної азотоводневої суміші вздовж внутрішньої поверхні циліндричного  корпусу колони. У промисловості  використовують поличкові та трубчасті  апарати.

          Розглянемо  детальніше конструкцію і дію  основного апарата схеми -колони синтезу - чотириполичкову колону синтезу  аміаку для системи середнього тиску (рис. 2).

         Це циліндричний апарат діаметром 2,5 м, заввишки ЗО м. Холодний газ надходить у нижню частину  колони і рухається вгору між  корпусом колони 1 і корпусом каталізаторної коробки 2. У верхній частині реактора холодний газ проходить міжтрубним простором теплообмінника 4, у якому  нагрівається до 400 °С внаслідок теплоти  конвертованих газів, які виходять із колони синтезу трубами теплообмінника 4. Підігрітий газ послідовно проходить  чотири шари каталізатора 6, 7, 8 і 9 надходить  у центральну трубу 10, з якої потрапляє  у теплообмінник 4. При цьому газ  охолоджується приблизно до 330 °С.

         Оскільки реакція  синтезу аміаку є екзотермічною, то на каталітичних полицях газ сильно нагрівається (особливо на перших) і  температура процесу суттєво  відрізняється від оптимальної. Температурний режим каталізу регулюють  подачею байпасного холодного синтез-газу (патрубок 5) у кожен шар каталізатора (на рис.8 ЇЧН₃ показано тільки для першого шару).

         Основні напрямки розвитку виробництва аміаку: 1) кооперування виробництв азотної промисловості та основного органічного синтезу з метою використання природного газу та газів нафтоперероблення як сировини; 2) укрупнення як всього виробництва у цілому, так і окремих систем; 3) пошуки нових активніших каталізаторів для зменшення тиску і покращання технологічних параметрів реалізації процесу; 4) використання колон синтезу з киплячим шаром каталізатора; 5) використання теплоти реакції для одержання пари. 

Вміст аміаку в циркуляційній азотоводневій  суміші над аміаком залежить від  температури і тиску Так, за тиску  ЗО МПа і температурі -5 °С в азотоводневій суміші залишається приблизно 2,5 % N113.

         Основним агрегатом  процесу синтезу аміаку є колона синтезу.

         Колону синтезу  виробляють із спеціальних легованих  сталей, тому що за високих тисків і  температур аміак і, особливо, водень взаємодіє зі сталлю, погіршуючи її механічні властивості.

         Зниження температури  стінок колони здійснюють пропусканням холодної азотоводневої суміші вздовж внутрішньої поверхні циліндричного  корпусу колони. У промисловості  використовують поличкові та трубчасті  апарати.

         Розглянемо детальніше конструкцію і дію основного  апарата схеми -колони синтезу - чотириполичкову  колону синтезу аміаку для системи  середнього тиску (рис. 2.6).

         Це циліндричний апарат діаметром 2,5 м, заввишки ЗО м. Холодний газ надходить у нижню частину  колони і рухається вгору між  корпусом колони 1 і корпусом каталізаторної коробки 2. У верхній частині реактора холодний газ проходить міжтрубним простором теплообмінника 4, у якому  нагрівається до 400 °С внаслідок теплоти  конвертованих газів, які виходять із колони синтезу трубами теплообмінника 4. Підігрітий газ послідовно проходить  чотири шари каталізатора 6, 7, 8 і 9 надходить  у центральну трубу 10, з якої потрапляє  у теплообмінник 4. При цьому газ  охолоджується приблизно до 330 °С.

         Оскільки реакція  синтезу аміаку є екзотермічною, то на каталітичних полицях газ сильно нагрівається (особливо на перших) і  температура процесу суттєво  відрізняється від оптимальної. Температурний режим каталізу регулюють  подачею байпасного холодного синтез-газу (патрубок 5) у кожен шар каталізатора (на рис.8 ЇЧН₃ показано тільки для першого шару).

         Основні напрямки розвитку виробництва аміаку: 1) кооперування виробництв азотної промисловості та основного органічного синтезу з метою використання природного газу та газів нафтоперероблення як сировини; 2) укрупнення як всього виробництва у цілому, так і окремих систем; 3) пошуки нових активніших каталізаторів для зменшення тиску і покращання технологічних параметрів реалізації процесу; 4) використання колон синтезу з киплячим шаром каталізатора; 5) використання теплоти реакції для одержання пари.