Производство аммиака

Московский Государственный Университет  Машиностроения

кафедра «Техники экологически чистых производств»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа:

«Производство аммиака»

вариант №11

 

 

 

 

 

Выполнила: Свиридонова С. А.

Студентка группы Н-53

Проверил: Кибрик Э. Д.

 

 

 

 

 

Москва, 2012

Содержание

1. Введение.
2. Характеристика исходного сырья.
3. Характеристика целевого продукта.
4. Физико-химические основы процесса.

• Обоснование выбора давления процесса синтеза аммиака
• Катализаторы синтеза аммиака.

5. Структурная схема процесса.

• Обзор западных технологий производства аммиака.
• Пути усовершенствования процесса производства аммиака.

6. Технологическая схема.

7. Материальный баланс.
8. Тепловой баланс водяного конденсатора аммиака.
9. Расчет поверхности водяного конденсатора.
10. Охрана окружающей среды в производстве аммиака.
11. Типы контрольно-измерительного оборудования.
12. Выводы.
13. Список использованной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Аммиак относится к числу  важнейших продуктов химической промышленности, ежегодное его мировое  производство достигает 150 млн тонн. В основном используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя, а в холодильной технике используется в качестве холодильного агента (R717).

Агентство ХимКурьер сообщает, что в 2009 г. мировое производство аммиака составило 152,5 млн. т, что соответствует росту на 5% по сравнению с уровнем 2005 г. Согласно данным агентства, ежегодно производство аммиака увеличивается на 2-3%. Основной прирост мощностей и производства приходится на Китай, который уже сейчас является крупнейшим производителем этого продукта. В 2009 г. в Китае было синтезировано 49 млн. т. аммиака (32% мирового производства в 2009 г.). По мнению ХимКурьера, к 2012 - 2014 г. Китай может стать одним из крупнейших экспортеров этого продукта. Однако по итогам 2009 г., крупнейшими экспортерами аммиака являются Тринидад и Тобаго (25%), Россия (17%), Канада (7%) и Саудовская Аравия (7%).

Рост мирового производства аммиака  обусловлен высоким спросом на азотные  и фосфорные удобрения со стороны  сельхозпроизводителей, поскольку  примерно 90% всего синтезируемого аммиака  и продуктов его переработки  используется в сельском хозяйстве  в качестве удобрений.

 

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 или 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.

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 также получают из жидких углеводородов. По технологическим параметрам схему 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 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 углеводородных 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 N₂.

Молекуляр. вес	Мольный объем	760 мм рт ст		Критические константы
	(0 С, 760 мм рт ст)	Тпл	Ткип	Ткр 0С	Ркр атм	Vкрсм3/моль
28,0134	22403	-210	-195	-47,0	33,5	90,1

Физические постоянные H₂

Молекуляр. вес	Мольный объем	760 мм рт ст		Критические константы
	(0 С, 760 мм рт ст)	Тпл	Ткип	Ткр 0С	Ркр атм	Vкрсм3/моль
2,0149	22412	-259,2	-252,5	-239,9	12,8	65,0

 

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 проводит электрического тока.

Физические постоянные аммиака.

Молекуляр. вес	Мольный объем	760 мм рт ст		Критические константы
	(0 С, 760 мм рт ст)	Тпл	Ткип	Ткр 0С	Ркр атм	Vкрсм3/моль
17,0306	22049	-77,8	-33,5	132,4	111,5	72,5

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);

Содержание,%	1-й  сорт	2-й  сорт
аммиак, не менее	99,9	99,6
влага, не более	0,1	0,4
Примеси, мг/л, не более
масло	10,0	35,0
железо	2,0	не  нормируется

 

Физико-химические основы процесса

 

Современный процесс получения  аммиака основан на его синтезе из азота и водорода с использованием специального катализатора:

N₂+3H₂↔2NH₃; ΔH<0                                          (1)

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.

Скорость обратимой реакции получения  аммиака из элементов на большинстве  известных катализаторов описывается  уравнением Темкина-Пыжева:

(1’)

где k1 и k2 - константы скоростей образования и разложения аммиака; PN₂, PH₂, PNH₃ - парциальные давления азота, водорода, аммиака; α - постоянная, удовлетворяющая неравенству 0< α <1 и характеризующая степень покрытия поверхности катализатора азотом.

При проведении процесса при атмосферном  давлении величина α для промышленных катализаторов в интервале температур 400-500°С равна 0,5.

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и реакционной смеси. Оптимальными считают такие значения указанных параметров, при которых скорость процесса максимальна. Чтобы определить оптимальную температуру синтеза Тm, надо продифференцировать по температуре кинетическое уравнение (1’), приравнять полученное выражение нулю и найти Тm. Выполнив эти действия, получим формулу: