Разработка технологии получения аммиака

Далее газ поступает  в испаритель жидкого аммиака, где, проходя по U – образным трубкам высокого давления, охлаждается до -5°С за счет кипения аммиака при температуре -10°С в межтрубном пространстве испарителя. Газообразный аммиак из межтрубного пространства испарителя направляется в холодильную установку для сжижения аммиака и возврата в испарители.

Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную  часть конденсационной колонны (КК), где происходит отделение жидкого аммиака от газа. Здесь смешиваются свежий и циркуляционный газы, а затем направляются в (КСА). Так циркуляционный цикл замыкается.

Жидкий аммиак после  первичного сепаратора с температурой 40°С, пройдя магнитные фильтры (МФ), очищается от катализаторной пыли и поступает в сборник жидкого аммиака (Е1), откуда выделяется в чистом виде. Часть аммиака используется в качестве теплоносителей для испарителей. Аммиак подается насосом (Н). В испарителе продувочных газов (ИПГ) выделяются танковые и продувочные газы. Жидкий аммиак и часть танковых газов поступает в конденсационную колонну продувочных газов (ККПГ), где жидкий аммиак отделяется и попадает в сборник аммиака (Е2). Танковые газы также выделяются из колонны. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используют как топливный газ, для чего она направляется в блок риформинга метана [15].

            Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно просто выглядящее уравнение реакции

+ 91,84 кДж , являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема действия аммиачного завода

 

          Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор. Десульфуратор — техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.[5]

Вторая стадия промышленного синтеза аммиака предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода). Конверсия метана — это обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 °С и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды:

СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂ (2)

Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже  можно использовать для синтеза  аммиака по реакции (1) — для этого  необходимо запустить в реактор  воздух содержащий азот. Так и поступают  на стадии (3), однако на этой стадии происходят другие процессы.

Происходит частичное  сгорание водорода в кислороде воздуха:

2Н₂ + О₂ = Н₂О(пар)

В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается  снова с образованием водорода, как на второй стадии по торой стадии по им образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).

На рисунке 3 стадия (4) обозначена как реакция «сдвига», но проходить она может при двух температурных режимах и разных катализаторах. Окисление СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО₂ проводят именно по этой реакции:

СО + Н₂О(пар) ↔ СО₂ + Н₂ (3)

Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах  сдвига». В первом из них используется катализатор Fe3О4 и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 °С. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.

На пятой степени  оксид углерода (IV) «вымывают» из газовой смеси при помощи поглощения щелочным раствором:

КОН + СО₂ = К₂СО₃.

Реакция «сдвига» (3) обратимая  и после 4-й стадии в газовой  смеси на самом деле остаётся ещё  ≈ 0,5% СО. Этого количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака(1).

На 6-й стадии оксид  углерода (II) удаляют реакцией конверсии  водородом в метан на специальном  никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 °С:

СО + 3Н₂ ↔ СН₄ +Н₂О

Седьмая стадия. Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси. Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 °С. Именно этот процесс и описывается с точностью реакцией (1) [4].

8-я стадия. Газ из  компрессора поступает теперь  в «цикл синтеза аммиака». Схема,  приведенная на рисунке 3, дает  упрощенное представление об этой стадии. Сначала газовая смесь попадает в каталитический конвертер, в котором используется железный катализатор и поддерживается температура 380-450°С. Газовая смесь, выходящая из этого конвертера, содержит не более 15% аммиака. Затем аммиак сжижают и направляют в приемный бункер, а непрореагировавшие газы возвращают в конвертер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.6 Применение аммиака

 

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.

Основным направлением использования аммиака является производство минеральных удобрений – преимущественно азотных (карбамида, нитрата и сульфата аммония) и фосфатных (аммофоса). Огромные количества аммиака необходимы для получения азот содержащих удобрений. На изготовление их используется приблизительно 80% всего получаемого в мире аммиака. Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме азот, в котором нуждается большинство растений. Остальные ≈20% производимого аммиака используются для получения полимеров, взрывчатых веществ, красителей и других продуктов [3]. Аммиачную воду также применяют в качестве удобрения. Помимо химической промышленности NH3 применяется в легкой промышленности при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка. В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость.

В холодильной технике используется в качестве холодильного агента (R717).

 

 

В медицине 10 % раствор аммиака, чаще называемый нашатырным спиртом, применяется при обморочных состояниях (для возбуждения дыхания), для стимуляции рвоты, а также наружно — невралгии, миозиты, укусах насекомых, для обработки рук хирурга. При неправильном применении может вызвать ожоги пищевода и желудка (в случае приёма неразведённого раствора), рефлекторную остановку дыхания (при вдыхании в высокой концентрации) [2].

Применяют местно, ингаляционно и внутрь. Для возбуждения дыхания  и выведения больного из обморочного  состояния осторожно подносят небольшой  кусок марли или ваты, смоченный  нашатырным спиртом, к носу больного (на 0,5-1 с). Внутрь (только в разведении) для индукции рвоты. При укусах насекомых — в виде примочек; при невралгиях и миозитах — растирания аммиачным линиментом. В хирургической практике разводят в тёплой кипяченой воде и моют руки.

Поскольку аммиак является слабым основанием, при взаимодействии с кислотами он их нейтрализует.

Физиологическое действие нашатырного  спирта обусловлено резким запахом  аммиака, который раздражает специфические  рецепторы слизистой оболочки носа и способствует возбуждению дыхательного и сосудодвигательного центров мозга, вызывая учащение дыхания и повышение артериального давления.

Противоморозная добавка  для сухих строительных растворов, относящаяся к ускорителям. Рекомендуемая  дозировка — 2…8 % массы компонентов сухой смеси в зависимости от температуры применения. Аммиачная вода — продукт (NH_3*H₂O), представляющий собой газообразный аммиак NН₃, растворенный в воде [1].

Также огромные количества аммиака необходимы для получения азот содержащих удобрений. На изготовление их используется приблизительно 80% всего получаемого в мире аммиака. Вместе с азотсодержащими удобрениями в почву вносится в растворимой форме азот, в котором нуждается большинство растений. Остальные ≈20% производимого аммиака используются для получения полимеров, взрывчатых веществ, красителей и других продуктов.[3]

1.7 Обоснование выбора технологической схемы

В промышленности синтетического аммиака использовались системы  с рабочими давлениями от 100 до 1000 *10⁵ Па. При выборе давления синтеза наряду с технологическими моментами и возможностями химического машиностроения оказывали влияние патентные, конъюнктурные и технико-экономические соображения.

Только в начале 20 века удалось, наконец, найти условия, при которых  выход аммиака становится достаточным  для проведения процесса в заводском масштабе. Оказалось, что этими условиями является высокое давление и низкая температура. Реакцию ведут при температуре около 500°С, компенсируя вызываемый этим сдвиг равновесия влево повышенным давлением [15].

Но при низких температурах скорость реакции настолько мала, что потребовалось бы слишком много времени для получения значительных количеств аммиака. Ускорения процесса удалось добиться путем применения катализаторов. Из различных исследованных веществ наилучшим оказалось определенным образом приготовленное пористое железо, содержащее небольшие количества оксидов алюминия, калия, кальция и кремния.

 

 

 

 

 

 

 

 

2   Разработка принципиальной технологической схемы   производства аммиака со схемой КиП и А

 

Принципиальная  технологическая схема определяет условия ведения технологического процесса, его параметры, включает типы аппаратов, в которых осуществляется технологический процесс, их взаимное расположение в соответствии с компоновкой оборудования.

В данном разделе  представлено описание технологической схемы производства аммиака из азотоводородной смеси, дано описание схем контроля параметров процесса и представлена спецификация на контрольно-измерительные приборы, позволяющие контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры.[20]

 

2.1 Описание разработанной технологической схемы

Азотоводородная смесь (I) под давлением 520 атм поступает в фильтр (Ф-1), где очищается от масла(Х), и направляется в инжектор (И-1). Циркуляционный газ(III) подсасывается в инжектор струей свежего газа. Газовая смесь подается в колонну синтеза (КС-1), состоящую из катализаторной коробки с теплоотводящими устройствами, теплообменника и электроподогревателя. Из колонны газ, содержащий около 18—21% аммиака, при температуре 100—120° С поступает в водяной конденсатор

(К-1) куда также поступает свежая оборотная вода (V), где охлаждается до 35° С. При этом конденсируется весь аммиак. Из конденсатора (К-1) газ направляется в сепаратор (С-1) где отделяется жидкий аммиак (VIII), а отработанная вода (IX) поступает в емкость (Е-3),затем аммиак поступает в сборник (Е-1),а также танковые газы (VII). Циркуляционный газ (III) после сепаратора возвращается во всасывающую линию инжектора (И-1). Тепло, выделяющееся в результате реакции синтеза, используется для получения пара по двухконтурной схеме. Пар (VI) получается в котле-утилизаторе

(КУ-1),куда подается питательная вода (IV). Циркуляция бидистиллята (II) осуществляется насосом (Н-1), давление в контуре поддерживается с помощью уравнительного сосуда (УС-1). Уровень бидистиллята (II) в котле-утилизаторе поддерживается дозировочным насосом (Н-2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Контроль  и автоматика технологического  процесса

 

Автоматизация производства – процесс в развитии промышленности, при котором функции  управления и контроля, ранее выполнявшиеся  человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.

Главной задачей при разработке системы управления является выбор параметров, участвующих в управлении, т.е. регулируемых, контролируемых и сигнализируемых. При этом необходимо получить наиболее полное представление об объекте, имея минимально возможное число выбранных параметров. Таким образом, разрабатывается стратегия управления технологическим объектом.[14]

Успешному достижению цели управления способствует не только правильный выбор вышеперечисленных  параметров, но и выбор автоматических устройств для реализации стратегии управления.