Великий Новгород 2010 год, АГРЕГАТ СИНТЕЗА АММИАКА, Физико-химические основы синтеза аммиака
Реакция синтеза аммиака из газообразных азота и водорода является обратимой и протекает по уравнению
H2 +N2 =2NH3 +22 ккал.
При определенных условиях наступает состояние равновесия между прямым и обратным процессами, при котором невозможно дальнейшее увеличение содержания аммиака в газовой смеси. На практике стараются создать такие условия, при которых равновесие реакции сдвигается в сторону образования аммиака из азота и водорода.
Так как реакция синтеза аммиака сопровождается уменьшением объема газовой смеси вдвое, то для сдвига равновесия вправо, согласно принципу Ле Шателье, процесс следует проводить при повышенном давлении. В промышленности установки по производству синтетического аммиака работают под давлением 300-900 ат.
Реакция синтеза протекает с выделением тепла. Поэтому согласно принципу Ле Шателье, с повышением температуры равновесие реакции сдвигается влево, т. е. чем выше температура, тем меньше азота и водорода вступают в реакцию. При низкой температуре реакция синтеза аммиака протекает более полно.
Однако с понижением температуры скорость большинства химических реакций, в том числе и скорость реакции синтеза аммиака, уменьшается. Поэтому для обеспечения значительной скорости образования аммиака реакцию необходимо проводить при достаточно высокой температуре. Практически синтез аммиака ведется при температуре 450- 500° С, при которой реакция протекает достаточно быстро и содержание аммиака в газовой смеси сравнительно высоко.
По закону действия масс для сдвига равновесия реакции синтеза аммиака вправо необходимо в равновесной газовой смеси увеличить концентрацию азота и водорода или уменьшить концентрацию аммиака. Последнее осуществляется на практике. После того, как из азота и водорода образовалось некоторое количество аммиака, газовую смесь выводят из колонны синтеза и освобождают ее целиком или частично от аммиака. Затем к газовой смеси добавляют свежие азот и водород и вновь пропускают ее через колонну синтеза. Повторяя этот процесс непрерывно, добиваются почти полного использования азотоводородной смеси.
Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза
... Физико-химические основы процесса производства синтетического аммиака Равновесие реакции синтеза аммиака Известно несколько соединений азота с водородом: аммиак NH 3 , гидразин ... реакцию как гомогенную газовую реакцию, применять для синтеза водород “in statu nascendi”, найти катализаторы. Все эти работы ... катализаторов на смесь азота и водорода. На урановом катализаторе были получены следы аммиака, а в ...
Образовавшийся аммиак выделяется из газовой смеси путем конденсации его. Превращение газообразного аммиака в жидкость, т. е. процесс конденсации, осуществляется охлаждением газовой смеси водой и испаряющимся аммиаком. В системах синтеза аммиака, работающих при давлениях 300 ат и ниже, охлаждение газовой смеси производится в две стадии: водой в скоростных холодильниках и испаряющимся жидким аммиаком — в аммиачных испарителях.
Содержание аммиака в газовой смеси на выходе из колонны синтеза зависит еще и от объемной скорости. Чем больше последняя, тем меньше времени газовая смесь находится в колонне синтеза аммиака, заполненной катализатором. С увеличением объемной скорости содержание аммиака в газовой смеси уменьшается.
Для каждого давления существует своя оптимальная объемная скорость газа, обеспечивающая максимальное использование катализатора и максимальную производительность всех аппаратов, входящих в систему синтеза аммиака.
В зависимости от величины давления азотоводородной смеси системы синтеза аммиака делятся на три типа:
. Системы, работающие при низких давлениях (90- 100 ат).
. Системы, работающие при средних давлениях (200- 350 ат).
3. Системы, работающие при высоких давлениях (500- 1000 ат).
Широкое распространение в Советском Союзе и за границей получили системы синтеза аммиака, работающие при средних давлениях. Системы низкого давления в виду их сложности в промышленности применяются мало.
Катализатор синтеза аммиака
Каталитическими свойствами по отношению к реакции синтеза аммиака обладают многие металлы. Наибольшее промышленное применение получили железные катализаторы, являющиеся по сравнению с другими особенно активными и дешевыми в изготовлении.
Железо приобретает каталитическую активность лишь в том случае, если оно приготовлено восстановлением окислов железа при определенных условиях.
Не вся масса катализатора обладает активными свойствами, а лишь отдельные его участки, называемые активными центрами. Чем меньше частицы катализатора, тем более развита его поверхность, тем активнее катализатор.
К железному катализатору добавляют окись алюминия Аl2О3 и окись калия К2О, которые являются активаторами катализаторов. Активаторы не ускоряют реакцию синтеза аммиака, а улучшают физическую структуру катализатора, повышают его устойчивость, увеличивают число активных центров. Окись алюминия обволакивает кристаллы железа тонкой пленкой, которая мешает взаимодействию атомов железа и росту кристаллов. Однако окись алюминия обладает свойством адсорбировать, т. е. удерживать на своей поверхности образовавшийся аммиак, что является крайне нежелательным. Для подавления адсорбционной активности окиси алюминия в катализатор вводят второй активатор К2О.
В дважды промотированных (содержащих два активатора) катализаторах отношение количеств Аl2О3 и К2О должно быть близким к 2 : 1 .
Анализ и синтез ХТС в производстве аммиака
... ограничены интервалом содержания аммиака в газовой смеси от 0,155 до 0,270 об. Долей. Эта особенность системы «аммиак-воздух» учитывается ... специфических катализаторов. В начале XX века почти одновременно были разработаны три технических метода синтеза соединений ... метод с использованием комплексных соединений переходных металлов (железа, хрома, молибдена), в котором используется принцип ...
Сырьем для получения катализаторов являются железо и магнитная железная руда. Процесс приготовления катализатора состоит из двух стадий: получения окислов железа и восстановления их водородом до металлического железа.
Технический процесс получения катализатора синтеза аммиака из железной руды осуществляется следующим образом: концентрат подвергают трехкратной сепарации, восстановлению в печи с помощью водорода и электроплавке в индукционных печах, затем плав окисляют, охлаждают и дробят. Готовый катализатор сортируют.
С июня 1967 г. введен первый ГОСТ на катализатор синтеза аммиака СА-1 (ГОСТ 12411-66).
В соответствии с указанным ГОСТ лимитируется содержание промотирующих и примесных компонентов. Содержание окиси алюминия в катализаторе должно быть в пределах 3 — 4%. При содержании в катализаторе 2% Аl2О3 резко уменьшается его устойчивость, а при содержании 6% Аl2 O3 , значительно снижается активность катализатора. Оптимальное содержание К20 0,7-1%.
В катализаторе допускается наличие SiO2 — до 0,7% (примесь сырья) и МgО — до 0,7% (примесь, попадающая при проведении плавки в магнезитовых тиглях).
Содержание вредных примесей (Си, Ni, S) должно быть минимальным.
С целью повышения механической прочности катализатора ГОСТ предусматривает уменьшение степени окисления катализаторного плава (FеО -29-36%) и выпуск гранулированного катализатора с размером зерен (гранул) -не менее 3 мм.
Вторая стадия приготовления катализатора — восстановление окислов железа до элементарного железа водородом — в большинстве случаев проводится в колоннах синтеза аммиака.
Процесс восстановления катализатора протекает по уравнениям:
FеО + Н2 = Fе + Н2О;
Fе2О3 + ЗН2 =2Fе + ЗН2О
Fе304 + 4H2 =ЗРе + 4Н20.
Водяные пары конденсируются в конденсаторах и отделяются от газовой смеси в сепараторах и в конденсационной колонне. Реакции восстановления окислов железа эндотермичны и протекают лишь при нагревании, которое осуществляется с помощью электроподогревателя.
Восстановление окислов железа проводят при постепенном повышении температуры и давления. Объемная скорость водорода при восстановлении катализатора должна быть не ниже 10 000 м3 на 1 м3 катализатора в час. Режим восстановления катализатора контролируется по часовому количеству воды, выделяющейся в сепараторах. Процесс восстановления катализатора в колонне синтеза аммиака протекает в течение 5-6 суток.
О готовности катализатора судят по количеству выделившейся реакционной воды и по содержанию аммиака в ней. Общее количество выделившейся аммиачной воды при полном восстановлении 1 м3 катализатора должно составлять 0,6-0,8 м3. Содержание аммиака в воде 80- 90% вес.
В последнее время разработана методика восстановления катализатора синтеза аммиака непосредственно в цехах приготовления катализаторов. Процесс восстановления осуществляется под давлением 10-15 ат при объемной скорости водорода 2000-3000 м3 на 1 м3 катализатора в час. Восстановление катализатора длится в течение 4 суток с повышением температуры от 380 до 500° С (через каждые 12 ч -на 25°).
Производство аммиака и азотной кислоты
... различных отраслей промышленности и сельского хозяйства. Их потребляют производства азотной кислоты, разнообразных минеральных удобрений, полимерных материалов, взрывчатых веществ и ракетных топлив, ... синтеза аммиака; 4) Число контактных аппаратов окисления аммиака; 5) Состав аммиачновоздушной смеси; 6) Состав нитрозных газов, выходящих из контактного аппарата; 7) Число поглотительных колонн и ...
После восстановления катализатор азотируют и пассивируют при температуре 200° С, а затем производят его поверхностное окисление при содержании в газе 0,2% кислорода.
В процессе работы катализатор может отравляться катализаторными ядами, в результате чего его активность снижается или полностью исчезает.
Отравление катализатора, как известно, бывает временным и постоянным. Такие вещества, как кислород, окись углерода, углекислый газ и пары воды вызывают временное отравление катализатора. Последний под действием этих веществ теряет свою активность и вновь восстанавливает ее при пропускании чистой азотоводородной смеси, не содержащей указанных веществ. Постоянное отравление катализатора является необратимым. Оно наступает при действии мышьяка, фосфора и соединений серы. Восстановить активность катализатора при отравлении его этими веществами путем пропускания чистой азотоводородной смеси не удается.
При попадании на катализатор паров воды металлическое железо окисляется и теряет свою активность. Процесс отравления катализатора водяными парами протекает по уравнениям:
Fе + Н2О = FеО + Н2;
Fе + ЗН2О = Fе2О3 + ЗН2.
При пропускании через катализатор азотоводородной смеси, не содержащей паров воды, идет обратный процесс восстановления окислов. Содержащиеся в азотоводородной смеси окислы углерода реагируют с водородом по уравнениям
СО +ЗН2=СН4 + Н2О
CO2 +4H2 =СН4+ 2Н20.
Образующиеся водяные пары взаимодействуют затем с железом катализатора. Содержание окиси углерода в азотоводородной смеси не должно превышать 0,002%, двуокиси углерода — 0,0001%.
Отрицательное действие на активность катализатора оказывают также масла, уносимые свежей азотоводородной смесью из компрессоров высокого давления и циркуляционным газом — из поршневых циркуляционных насосов. Поэтому газ после сжатия в поршневых машинах должен подвергаться тщательной очистке от капелек масла.
Срок непрерывной работы колонны синтеза зависит от ряда факторов: степени очистки азотоводородной смеси от катализаторных ядов, режима восстановления катализатора и состояния насадки колонны. Замена катализатора производится один раз в два года. Однако в практике нередки случаи, когда срок непрерывной работы колонны превышает три года.
Рис 1. Схема агрегата высокого давления
На рисунке представлена схема агрегата синтеза аммиака под давлением 500 ат с использованием тепла, выделяющегося в результате реакции, для получения водяного пара.
Синтез и анализ ХТС в производстве ацетона
... ацетона. В данной работе приводится анализ различных способов получения ацетона, выбор оптимальной технологической схемы, обеспечивающей экономически эффективный, технологически целесообразный и экологически безопасный метод производства. 4. Синтез ХТС Производство ацетона ... смесью. При окислении, «роме ацетона, образуется также некоторое количество ... 69,9 кДж (16,7 ккал) В качестве катализатора ...
Азотоводородная смесь под давлением 520 ат поступает в фильтр 2, где очищается от масла, и направляется в инжектор 7. Циркуляционный газ подсасывается в инжектор струей свежего газа. Газовая смесь подается в колонну синтеза 6, 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 8, где охлаждается до 35° С. При этом конденсируется весь аммиак. Из конденсатора 8 газ направляется в сепаратор 9, где отделяется жидкий аммиак, поступающий затем в сборник 10. Циркуляционный газ после сепаратора возвращается во всасывающую линию инжектора 7. Тепло, выделяющееся в результате реакции синтеза, используется для получения пара по двухконтурной схеме, аналогичной описанной выше. Пар получается в котле-утилизаторе 5. Циркуляция бидистиллята осуществляется насосом 3, давление в контуре поддерживается с помощью уравнительного сосуда 4. Уровень бидистиллята в котле-утилизаторе поддерживается дозировочным насосом 1.
Расчет ведем на 1000 м3 свежей смеси, с которой поступает (в кмоль):
H2 746/22,4 =33,30
N2 249/22,4=11,116
CH4 5/22,4=0,223
Итого 44,639
а) Количество и состав продувочных газов. Количество продувочных газов определяется.
Х = 100*0,223/5=
СН4 5*4,460/100=0,223
NH3 4*4,460/100=0,178
Смеси N2 и H2 91*4,460/100=4,059
Итого. . . 4,460
б) Количество циркуляционной смеси в цикле (у кмоль) и количество газа, выходящего из колонны синтеза, (z кмоль) на 1000 м3 (44,639 кмоль) свежей смеси.
Пусть d кмоль — количество аммиака,выводимого через сепаратор.
Тогда z=(y+d+4,460) кмоль
С другой стороны, количество газовой смеси (г кмоль) составится из суммы циркулирующей смеси в цикле (у кмоль) и свежей азото-водородной смеси (44,639 кмоль) минус уменьшение объема газа в процессе синтеза. Согласно уравнению реакции синтеза аммиака (ЗН2 +N2 =2NH3 ), из 2 кмоль азото-зодородной смеси образуется 1 кмоль МН3. Следовательно, если обозначить через е количество кмоль N Н3, образовавшегося в колонне синтеза, то и объем газовой смеси после реакции уменьшится на е кмоль.
Отсюда имеем
z = (y + 44,639 — е) кмоль.
Приравнивая 2 уравнения друг к другу, получим:
d = (40,179- е) кмоль.
(е кмоль),
е = ( d+0, 178) кмоль.
Реологические свойства бетонной смеси
... (Взап): В= Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси - подвижность и жесткость. Водопотребность заполнителя ...
Совместное решение уравнений дает:
e=20.179 d=20.001
Количество газовой смеси на выходе из колонны (z кмоль) и количество циркулирующей смеси (у кмоль) определится из следующего. В газовой смеси содержится 25% NН3 и в циркулирующем газе (так же, как и в продувочном) 4% NНз. Все количество NНз, содержащееся в газовой смеси (25%), распределяется в дальнейшем ходе процесса так:
выводится из цикла через сепаратор в виде жидкого NН3 (аммиака-продукта) 20,001 кмоль;
выводится из цикла с продувочными газами 0,178 кмоль;
уходит с циркулирующей смесью b кмоль.
Отсюда общее количество NНз определится
NН3 = 20,001 +0,178 +b -= (20,179 +b) кмоль.
(г кмоль).
Отсюда:
z=(20.179+b)/0.25=(80.716+4*b) кмоль
С другой стороны, содержание NНз в циркулирующей смеси 4%, а всего смеси получается
у кмоль. Отсюда:
y=b/0.04=25*b кмоль.
Вычитая одно равенство из другого, получим:
z-y=(80/716-21*b) кмоль
z-y=(44.639-e)=24.460 кмоль
b=56.256/21=2.679 кмоль
Таким образом, в циркулирующей смеси постоянно находится 2,679 кмоль N Н3. Количество этой смеси:
у = 25*2,679 = 66,975 кмоль , а количество газовой смеси после колонны синтеза z = 80.716 + 4*2,679 = 91,432 кмоль.
В циркулирующей смесь входит 5 % CH4
.975*0.05=3.337 кмоль
Материальный баланс цикла синтеза Аммиака
Колонна Синтеза.
Приход.
Свежая Азото-водородная смесь׃
3 H2 +N2 44,416 кмоль
CH4 0.223 кмоль
Итого 44,639 кмоль
Циркулирующая смесь ׃
3 H2 +N2 60,959 кмоль
CH4 3,337 кмоль
NH3 2.679 кмоль
Итого 66,975 кмоль
Всего поступает в колонну синтеза ׃
3 H2 +N2 105,375 кмоль
CH4 3,560 кмоль
NH3 2.679 кмоль
Итого 111,614 кмоль
Расход
Газовая смесь при выходе из колонны׃
(3 H2 +N2 )=z-(22.680+3.560) 65,194 кмоль
CH4 3,560 кмоль
«Сухие строительные смеси»
... в материале. Именно метилгидроксиэтилцеллюлоза стала основным компонентом сухих строительных смесей. Полный прорыв в усовершенствовании сухих строительных смесей случился около полувека тому назад, тогда ... усадочные деформации искусственного камня. Это обязательная составляющая большого количества сухих смесей. Заполнители способствуют образованию релаксации механических напряжений, образующихся в ...
NH3 =(2.679+d) 22.680 кмоль
Итого 91,434 кмоль
Уменьшение числа молей за счёт реакции синтеза 20,179 кмоль
Итого 111,613 кмоль
Сепаратор.
Приход
3 H2 +N2 65,194 кмоль
CH4 3,560 кмоль
Итого 91,434 кмоль
Расход
Жидкий NH3 (Готовый продукт) 20,001 кмоль
Циркулирующая смесь 66,975 кмоль
Продувочные газы ׃
3 H2 +N2 4,059 кмоль
CH4 0,223 кмоль
NH3 0,178 кмоль
Итого 91,436 кмоль
Тепловой баланс колонны синтеза аммиака
Получено аммиака за счет реакцииУ
,89 — 2,68 = 20,21 кмоль.
При этом выделяется тепла
Q1 = 11010*20,21 = 221301 ккал
Количество тепла, которое несет с собой газ при выходе из
реакционного
NH3 22 ,89*10,44*530 =126655 ккал
H2 48,83*7,02*530=181677 ккал
N2 16,23*7,22*530 =62106 ккал
CH4 3,53*12,14*530=22713 ккал
Итого ……………….. 393151 ккал
Потери тепла составят У
Q 3
Теплосодержание газовой смеси при входе ее в реакционное пространстзо колонны синтеза определится:
Q 3 =
Это количество тепла газовая смесь получает в теплообменнике от прореагировавшего газа.
Приход.
Теплота реакции 221301 ккал
Тепло, получаемое газом в теплообменнике 191508 ккал
Итого 412809 ккал
Расход.
Тепло, отдаваемое газом в теплообменнике 191508 ккал
Тепло, уносимое газом из теплообменника 201643 ккал
Потери тепла в окружающую среду 19658 ккал
Итого 412809 ккал
катализатор синтез производство аммиак
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/proizvodstvo-ammiaka-3/
1. «Производство аммиака из природного газа» Ведерников М. И. 1970 год
Поражение людей аммиаком. Признаки поражения и принципы оказания ...
... зоны химического заражения; проведение неотложных аварийно-технических мероприятий по предотвращению дальнейшего разлива аммиака и распространения аварии; локализация очага химического поражения путё ... объекте при аварии с выбросом (разливом) аммиака предусматривается проведение следующих мероприятий: прогнозирование зон поражения по конкретной обстановке; оповещение об опасности поражения ...
. «Справочник азотчика» 1967 год
. «Технология связанного азота» 1967 год.
