Производство аммиака

Интерес специалистов к процессу образования аммиака  из элементов основан на том, что  при этом получается простой результат  с помощью необычных средств. Интерес широких кругов объясняется  тем, что синтез аммиака, осуществленный в крупном масштабе, представляет собой действительный путь к удовлетворению важных народнохозяйственных нужд. Эта  практическая польза не была предвзятой целью моих работ. Я не сомневался в том, что моя лабораторная работа даст не более, чем научное выяснение основ разработку опытных методов, и что к этим результатам должно быть еще очень много приложено, чтобы обеспечить хозяйственное достижение в промышленном масштабе.

Однако, с другой стороны, мне было бы трудно с такой глубиной изучать данный вопрос, если бы я  не был убежден в хозяйственной  необходимости химического успеха в этой области ...”. Далее Ф. Габер так оценивает решение им и другими немецкими исследователями проблемы связывания азота путем каталитического синтеза аммиака:

“Это решение вполне достаточно для того, чтобы вместе с другими процессами связывания азота освободить нас от заботы, которая 20 лет тому назад создала  опасность истощения естественных залежей селитры.

Быть может, решение  это не окончательное. Существование  азотных бактерий показывает нам, что  природа, в ее утонченных формах биологической  химии, знает и осуществляет другие возможности, которые она сначала  скрывает от нашего взора.

Пока нам приходится довольствоваться тем, что человечеству открываются новые богатства  из возможности щедро удобрять его  юля... Химическая промышленность приходит на помощь сельскому хозяину, превращающему  мирным трудом камни в хлебы”.

Каталитический синтез аммиака как способ связывания свободного азота занял прочные позиции  в мировой химической промышленности. Он вытеснил все остальные способы. Начиная с 1914 г. производство аммиака  из азота и водорода во всем мире возросло : 11 тыс. т до 18 млн. 775 тыс. от в 1965 г. В 1965 г. во всех странах мира работало 302 завода синтетического аммиака и строилось еще 48 заводов.

В России первый завод  синтетического аммиака был построен в 1928 г. в Чернореченске. Затем в 1932 г. был построен завод в Березниках и в 1933 г. — в Новомосковске.

Потом были построены  многие другие. Выпуск аммиака все  время увеличивается. Так, в 1960—1970 гг. количество полученного аммиака  увеличилось с 1 млн. 384 тыс. от до 7 млн. 638 тыс. от в год.

Очень важным для успешного  проведения синтеза аммиака является правильный подбор катализаторов для  этой реакции. При синтезе аммиака  применяются смешанные катализаторы. В нашей стране поиск смешанных  катализаторов синтеза аммиака  проводится под руководством С. С. Лачинова. Катализаторы, найденные им и его  сотрудниками, являются одними из лучших. С 1967 г. введен стандартный катализатор следующего состава:

Очень большое значение для правильного проведения процесса синтеза аммиака в промышленности имели и имеют исследования кинетики этой реакции, т. е. определение зависимости  скорости реакции от концентрации реагирующих  веществ, или в применении к реакциям между газами от парциальных давлений реагирующих газов в газовой  реакционной смеси. В России важные работы в этом направлении проводились  М. И. Темкиным с сотрудниками. Еще  в 1938 г. М. И. Темкиным и В. М. Пыжевым было установлено кинетическое уравнение реакции синтеза аммиака, которое получило признание во всем мире.

Промышленные системы  синтеза аммиака в зависимости  от применяемого давления азотоводородной смеси подразделяются на:

1. Установки, работающие  при низких давлениях (100—200 aт).

2. Системы, работающие  при средних давлениях (280—350 aт).

3. Системы, работающие  при высоких давлениях (450—1000 aт). Установки, работающие при давлении — 100 aт, вследствие их сложности и малой экономичности редко применяются в промышленности. При давлении 200 am во всем мире работает всего около десятка заводов. В этих системах сжатие азотоводородной смеси обычно производится турбокомпрессорами.

Системы, работающие при среднем давлении широко распространены как в Советском Союзе, так и за рубежом. На рисунке 6 показана схема одной из установок среднего давления, работающей при 300 am. Свежая азотоводородная смесь поступает из компрессора 10 в маслоотделитель 5, затем в колонну предкатализа 9 (для удаления следов оксида углерода (II) и кислорода). Затем азотоводородная смесь охлаждается в водяном холодильнике 2, проходит водоотделитель 8 и смешивается с циркулирующей азотоводородо-аммиачной смесью перед входом в испаритель 7, где она охлаждается до —5 °С.

Далее газовая смесь  поступает в нижнюю часть конденсационной  колонны 6, где из смеси выделяется аммиак. Циркуляционная;, смесь, нагретая до 30 °С в трубках темплообменника, по выходе из конденсационной колонны поступает в колонну синтеза аммиака при содержании 3—5% NН₃, оставшегося в газе после его охлаждения. Основной поток газа в колонне движется по кольцевому зазору между катализа торной коробкой и внутренней стенкой корпуса. Затем он проходит между внешней стенкой теплообменника и внутренней стенкой корпуса колонны и поступает в межтрубное пространство теплообменника колонны, где смешивается со вторым потоком газа (байпасный газ), и, пройдя центральную трубу катализаторной коробки, входит сверху во внутренние трубки. Далее газ движется в кольцевом зазоре между внутренней и внешней трубкой Фильда снизу вверх и поступает в зону катализа (рис. 2)

На выходе из слоя катализатора азотоводородо-аммиачная смесь при 500 °С содержит 14—16% NН₃. Покидая зону катализа,. она проходит трубки теплообменника колонны, где отдает свое тепло газу, поступающему на катализатор, и удаляется из колонны при температуре 180—200 °С.

Затем газовая смесь  направляется в водяной конденсатор 2 (рис. 1), где охлаждается до 35 °С, и поступает в сепаратор 3. Здесь из газа выделяется до 60% образовавшегося в колонне аммиака. Из сепаратора газовая смесь передается в циркуляционный компрессор 4, где давление смеси повышается до ее рабочего давления. Пройдя далее маслоотделитель 5, газовая смесь поступает в межтрубное пространство конденсационной колонны 6. По выходе из этой колонны газ соединяется по пути со свежим газом, и цикл повторяется.

Жидкий аммиак из первичного сепаратора 3 и конденсационной колонны 6 отправляют на склад.

На рисунке 8 изображена схема установки, работающей под  давлением 450 am. Азотоводородная смесь, сжатая до 450 am, поступает в угольный фильтр / и далее смешивается с циркуляционным газом перед колонной синтеза 4.

Смесь циркуляционного  и входящего в систему газа, имеющая температуру 35 °С, через штуцер в верхней крышке входит в колонну 4 и движется вначале по кольцевой щели вдоль корпуса колонны, нагреваясь здесь до 50 °С.

Далее смесь направляется в трубки теплообменника, где температура  газа повышается до 280—350 °С. Затем газ  проходит центральную трубку, в которой  находится электронагреватель, и  при 425 °С поступает на катализатор.

В этой схеме используется колонна с полочной насадкой, рассчитанной на использование тепла реакции  синтеза аммиака. Под каждой полкой размещены змеевики, в которых  циркулирует вода, имеющая температуру 230—330 °С. По выходе из каждого слоя катализатора (полки) газ охлаждается с 520 до 425 °С благодаря теплообмену с водой, циркулирующей в змеевиках.

Затем газ поступает  в теплообменники, где нагревает  холодную газовую смесь, и при 100 °С выходит из колонны. Далее газ в конденсаторе 9 охлаждается водой до 35 °С; .при этом из газа конденсируется аммиак. Из конденсатора газ направляется в сепаратор 2 для отделения жидкого аммиака. Конденсирующийся аммиак передается затем в сборник 10.

Технология производства аммиака из азота и водорода постоянно  совершенствуется. В последнее время  применяются: конверсия природного газа в трубчатых печах под  давлением 30—40arn для получения водорода; создание и внедрение в промышленность низкотемпературных катализаторов; использование  тепла химических реакций аммиачного производства. 

Катализаторы  для синтеза аммиака

Синтез аммиака  – один из примеров использования  химии во благо человечества. Несмотря на то, что к фиксации азота способны даже простые живые организмы, существующие сотни миллионов лет, человечество научилось синтезировать аммиак из воздуха только сто лет назад.

Аммиак является источником азота для синтеза  практически всех азотсодержащих соединений, например аминокислот, азотных удобрений  и нитросоединений (тринитротолуол и т.п.). Мировое производство аммиака составляет более 100 миллионов тонн (больше – только у серной кислоты). Однако, природное производство аммиака еще больше.

Главная проблема при синтезе аммиака из простых  веществ – большая энергия  связи в молекуле N₂, для разрыва которой необходимы специальные условия или использование катализатора. В начале 20-го века был разработан метод Габера-Боша – синтез при высоких давлении и температуре, который применяется в химической промышленности и по сей день. За свои заслуги Габер и Бош получили Нобелевские премии по химии в 1918 и 1931 годах соответственно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы  с сайта http://chemistry.narod.ru/ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                    ПЛАН:

1. Аммиак.
2. Основные промышленные способы синтеза аммиака.
3. Катализаторы для синтеза аммиака.
4. Список литературы.