В 1913г. Габер и Бош разработали метод синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода по реакции:
N2 + 3H2 = 2NH3
Аммиачный метод фиксации атмосферного азота является основным способом получения аммиака в промышленных условиях.
NH3 – при обычных условиях бесцветный газс удушливым резким запахом раздражающего действия, хорошо растворим в воде. При температуре 20°С и атмосферном давлении в одном литре воды растворяется примерно 750 л. газообразного аммиака. При обычной температуре это соединение устойчиво, но при температуре 1200°С и выше диссоциирует на N2 и H2. Аммиак выпускается в виде жидкого продукта и 25%-водного раствора.
Современный крупнотоннажный агрегат синтеза аммиака мощностью включает следующие стадии:
- низкотемпературное разделение воздуха;
- подготовка природного газа к конверсии;
- конверсия метана водяным паром (первичный риформинг);
- конверсия метана смесью окислителей (вторичный риформинг);
- двухступенчатая конверсия монооксида углерода водяным паром;
- очистка синтез-газа от СО2 раствором моноэтаноламина или поташа;
- очистка синтез-газа от СО и СО2 методом каталитического гидрирования (метанирование);
- сжатие азото-водородной смеси до рабочего давления;
- синтез аммиака;
- выделение аммиака из газовой фазы.
Рассмотрим каждую стадию крупнотоннажного агрегата синтеза аммиака.
Разделение воздуха.
Теоретическая минимальная работа для разделения воздуха определяется как сумма работы изотермического сжатия каждого компонента от его парциального давления до давления смеси:
где 
– парциальное давление компонента в смеси, Па; 
– универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(моль·К)); 
– температура, К.
Минимальная работа, необходимая для разделения воздуха (20,9% кислорода и 79,1% азота) при 290 К, равна:
Откуда
где 24,5 – мольный объем воздуха м3/моль (при 290 К и 0,1 МПа). Знак минус означает, что энергия должна быть подведена извне.
Действительный расход воздуха значительно больше теоретического.
Для разделения воздуха на кислород и азот проводят его ректификацию.
В современных крупных агрегатах ректификация жидкого воздуха происходит в колоннах двукратной ректификации. Схема такой колонны представлена на рисунке 3. Аппарат состоит из нижней колонны, конденсатора и верхней колонны.
Рис. 3. Схема колонны двукратной ректификации воздуха.
| Сжатый воздух поступает в нижнюю часть колонны 4, где собирается обогащенный кислородом жидкий воздух, содержащий 35-40% О2.Этот жидкий воздух дросселируется и подается на соответствующую тарелку верхней колонны 1. Пары поднимаются через тарелки нижней колонны к конденсатору 2, постепенно обогащаясь азотом; стекающая по тарелкам жидкость обогащается кислородом. Газообразный азот, находящийся под давлением, конденсируется в аппарате 2 за счет холода испаряющегося жидкого кислорода, получаемого в верхней колонне. Азот стекает в виде флегмы в нижнюю колонну и частично попадает в карманы 3 конденсатора, откуда дросселируется и направляется на орошение верхней колонны. Поступающий в среднюю часть верхней колонны обогащенный воздух ректифицируется, причем кислород стекает в конденсатор; газообразный азот отводится из верхней части колонны. Давление в верхней колонне зависит от сопротивления трубопроводов, теплообменников, регенераторов, и обычно находится в пределах 0,13-0,15 МПа. При этом давлении температура кипения кислорода составляет 93-94 К. Чтобы происходила конденсация азота, в нижней колонне необходимо создать давление, соответствующее температуре конденсации азота 96-97 К, то есть обеспечивающее перепад температур минимум 3 К. Указанная температура конденсации азота соответствует давлению 0,6 МПа, которое обычно и поддерживается в нижней колонне. Число тарелок ректификационных колонн зависит от требуемой чистоты продуктов разделения. Обычно в нижней колонне устанавливается 24-36 тарелок, в верхней 36-58. Средняя скорость паров равна 0,15-0,25 м/с (нижняя), и 0,25-0,8 м/с (верхняя). Расстояние между тарелками 80-160 мм. Отверстия в тарелках диаметром 0,8-0,9 мм, шаг отверстий 3,25 мм. |
Рекомендуемая литература.
1. Технология связанного азота. / В.И. Атрощенко, А.М. Алексеев, А.Н. Засорин и др. – Киев: Выща школа, 1985. – 327 с.
2. Производство аммиака. / Под ред. В.П. Семенова. – М.: Химия, 1985. – 368 с.
3. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности. / Под ред. В.М. Олевского. – М.: Химия, 1985. – 400 с.
4. В.И. Атрощенко, С.И. Каргин. Технология азотной кислоты. М.: Химия – 1962. – 523 с.
5. Справочник азотчика. Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Синтез аммиака. – 2 изд. М.: Химия, 1986. – 512 с.
6. Справочник азотчика. Производство азотной кислоты. Производство азотных удоброений. Техника безопасности производства связанного азота и органических продуктов. – 2-е изд. – М.: Химия, 1987. – 464 с.
7. Караваев М.М. и др. Технология синтетического метанола. М.: Химия, 1966.
8. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. Изд. 4-е, Л.: Химия, 1974.
9. Очистка технологических газов. Под ред. Семеновой Т.А., Лейтеса И.Л. Изд. Химия, М. 1977. – 488 с.
10. Оборудование агрегатов аммиака большой единичной мощности: Учеб. пособие/ А.Ф. Ложкин, В.Н. Пащенко. Пермь: ППИ. 1988. – 96 с.
11. А.Ф. Ложкин, Н.М. Рябчиков. Оборудование крупнотоннажных агрегатов метанола. Учебное пособие. – Пермь: ППИ. 1984, 86 с.
12. А.Ф. Ложкин, Н.М. Рябчиков. Оборудование крупнотоннажных агрегатов карбамида. Учебное пособие. – Пермь: ППИ. 1986, 76 с.
13. Справочное руководство по катализаторам для производства аммиака и водорода. Пер. с анг. под ред. В.П. Семенова. Л.: Химия, 1973. – 248 с.
14. Позин М.Е. и др. Расчеты по технологии неорганических веществ. М.: Химия, 1966.