6.3. Способи виробництва аміаку з азоту повітря кон-тактним методом

У промисловості синтетичний аміак одержують під низьким тиском (10 – 15 МПа), середнім (20–60 МПа) і високим (60–100 МПа). Оптимальний метод синтезу вибирають з урахуванням фізико–хімічних властивостей системи, в основі якої лежать хімічна реакція азоту і водню, властивості сировини і одержуваного продукту. Фізико–хімічна система є газовою. Аміак із газової фази у рідку переходить за атмосферного тиску і температурі –33,5°С. Це безбарвна рідина, що твердіє за температури –77,8°С. Критична температура аміаку 132,4°С, критичний тиск 11,15 МПа. Критична температура – найбільша температура, за якої рідина може бути у рівновазі з парою; критичний тиск – тиск, за якого газ перетворюється на рідину.

Виходячи з цих термодинамічних властивостей аміаку, одержати за низького тиску доступний за вартістю рідкий аміак неможливо. При цьому тиску ефективне одержання аміачної води. Її використання з урахуванням концентрації аміаку 25% рентабельно у радіусі до 1000 км.

Синтез аміаку можливий каталітичним способом, за температури запалення каталізатора (420 − 500°С) і стійкій роботі каталізатора. Хіміко–технологічна система одержання аміаку включає декілька хіміко–технологічних процесів. Перший з них – одержання синтез–газу еквівалентної суміші, що одержують з природного газу, водяної пари, азоту і кисню, що знаходиться у повітрі, при обробці частини парафінових продуктів водяною парою, а потім іншої частини – киснем повітря, щоб залучити азот повітря до участі у виробництві синтезу газу.

Хімічні перетворення при одержанні синтез−газу:

СН₄ + Н₂О ↔СО + 3Н₂ + ΔН; ∆Н = 206 кДж. (6.5.)

СО + Н₂О = СО₂+Н₂−ΔН; ∆Н = −41,25 кДж. (6.6.)

При рівних швидкостях процесів (6.5) і (6.6.) сумарне рівняння хімічної взаємодії природного газу з водяною парою наведене нижче:

СН₄ + 2Н₂О =4Н₂ + СО₂+ ΔН; ∆Н= 165 кДж. (6.7.)

Частина вуглеводнів, що знаходиться у природному газі, С₂ − С₄ також взаємодіє за загальною схемою:

C_nH_2n+2 + nН₂O↔nCO + (2n + 1)Н₂− ΔH (n = 2,3,4) (6.8.)

C₃Н₈ + ЗН₂O↔7Н₂ + 3СO₂ + 495 кДж. (6.9.)

Взаємодія природного газу з киснем повітря відбувається за рівнянням:

2СН₄ + О₂ = 2СО + 4Н₂− ΔН; ΔН = 70 кДж. (6.10)

і реалізується на другому етапі конверсії природного газу у синтез–газ при одержанні аміаку:

СН₄ + 1/2О₂== 2СО + 2Н₂− ΔН; ΔН= 35 кДж/моль Н₂ (6.11)

Сухі аміак і повітря утворюють вибухонебезпечні суміші; межі вибуховості таких сумішей при 18°С обмежені інтервалом вмісту аміаку від 15,5 до 27% (об.). Таким чином, суміші, що містять менше 15,5 і більше 27% (об.) NH ₃, при запалюванні їх іскрою не вибухають. При підвищенні температури межі вибуховості аміачно–повітряних сумішей розширюються. Враховуючи ці особливості аміачно–повітряних сумішей, при здійсненні промислових процесів підтримують вміст аміаку до 15,5 або вище 27%.

6.4. Хімічна і принципова схеми виробництва аміаку

Аміак одержують прямим синтезом із складових його елементарних речовин; для цього суміш азоту і водню у співвідношенні N₂: Н₂=1 : 3 (азотоводнева суміш) пропускають через каталізатор. Реакція синтезу аміаку:

N₂ + 3H₂↔NH₃– ΔН. (6.11)

На перших етапах промислового виробництва аміаку азотоводневу суміш готували шляхом змішення одержуваних окремо азоту і водню. Останніми роками азотоводневу суміш одержують з вуглеводневих газів і атмосферного повітря. Таким чином, процес синтезу аміаку складається з двох стадій: приготування азотоводневої суміші і безпосередньо синтезу аміаку.

Виходячи з цього, хімічна схема виробництва аміаку включає реакцію (6.10), а також ряд найважливіших хімічних реакцій, які супроводжують одержання азотоводневої суміші.

Основною сировиною у нашій країні для одержання азотоводневої суміші являється природний газ, що містить 90–98% метану. Процес полягає у такій обробці суміші природного газу, повітря і водяної пари, у результаті якої відбувається конверсія (взаємодія) метану з водяною парою (пароводяна конверсія):

СН₄+Н₂О 3H₂ + CO+ΔН

і конверсія метану киснем повітря (киснева конверсія):

СН₄+ 1/2О₂↔2H₂+ CO−ΔН.

При взаємодії газової суміші, що утворилася, з парами води відбувається конверсія оксиду вуглецю (II):

СО + Н₂О H₂+ CO₂+∆Н.

При цьому процес ведуть так, щоб у кінцевій газовій суміші співвідношення між азотом, що надходить з повітрям, і воднем, що утворюється, складало 1 : 3. Після видалення з газової суміші оксиду вуглецю (IV) одержують азотоводневу суміш, з якої у присутності каталізатора утворюється аміак.

Таким чином, хімічну схему виробництва аміаку можна представити рівнянням (6.11.)

У більшості випадків процес здійснюють в установках, що працюють за середнього тиску; при цьому забезпечується достатньо висока швидкість процесу синтезу аміаку і вдало вирішується апаратурне оформлення процесу виділення аміаку.

Принципова схема виробництва аміаку, що здійснюється за середнього тиску, включає сім основних операцій.

Природний газ очищають від сірчистих сполук, оскільки вони отруюють каталізатори і сповільнюють реакції, що становлять хімічну схему виробництва. До очищеного газу додають водяну па-ру, після чого парогазову суміш направляють на конверсію метану 2; тут перебіг процесу конверсії відбувається частково; досить повно ця реакція здійснюється на другій стадії 3, куди надходить реакційна суміш з повітрям, що додається до неї (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Принципова схема виробництва аміаку під середнім тиском: 1–очищення природного газу від сірчистих сполук; 2, 3–конверсія метану (перший і другий ступені); 4–конверсія оксиду вуглецю; 5–очищення конвертованого газу; 6–синтез аміаку; 7–виділення аміаку

Частина метану взаємодіє з киснем повітря; тепло, що при цьому виділяється, забезпечує необхідний температурний режим на другій стадії 3. Крім того, з повітрям вводиться азот, необхідний для одержання азотоводневої суміші.

Після конверсії метану до реакційної суміші додають водяну пару і направляють її у конвертор оксиду (II) вуглецю 4. Одержаний конвертований синтез–газ містить значну кількість домішок, що знижують активність каталізатора синтезу аміаку, тому газ піддають спеціальному очищенню, стадія 5. Одержану азотоводневу суміш направляють у реактор синтезу аміаку 6. Ступінь перетворення азоту на каталізаторі з утворенням NН₃ становить всього ли-ше 15—20%, тому після виділення аміаку (стадія 7) азотоводневу суміш, що не прореагувала, повертають у процес.