Что служит сырьем для синтеза аммиака назовите источники этого сырья

Сырье для производства аммиака. Синтез аммиака из азотводородной смеси (АВС)

Технологические свойства аммиака.

При взаимодействии с водой аммиак образует гидраты следующего состава:

Незначительное количество растворенных в воде молекул аммиака ионизирует в результате реакции:

Степень диссоциации 0.004.

Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, фосфор, серу, иод и многие другие неорганические и органические соединения.

При температуре 1300 °С аммиак диссоциирует на азот и водород:

Сухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры.

Мировое производство аммиака составило в 1980 году более 90 млн. тонн.

Первый заводпо производствуаммиака был пущен в 1913 году с производительностью 25 т в сутки.

Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) состава N₂:H₂ = 1:3. Ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, поэтому производство аммиака определяется в основном способом производства водорода.

Рисунок 4.3. – Сырьевые ресурсы производства аммиака.

Азот получают ректификацией (перегонкой) сжиженного атмосферного воздуха.

Водороддля синтеза аммиака может быть получен:

1. разделением обратного коксового газа,

2. газификацией твердого топлива,

3. конверсией природного газа (метана или его газообразных гомологов),

4. конверсией оксида углерода с водяным паром,

5. крекингом метана

6. электролизом либо термическим разложением воды

Основное значение имеют методы конверсии метана и оксида углерода, а также разделение коксового газа.

Для перспективных планов широкого применения водорода в промышленных и энергетических целях планируется его крупномасштабное производство из воды – самого дешевого сырья, запасы которого неограниченны. Существующие и разрабатываемые методы производства водорода из воды делятся на три группы:

2. термохимические методы

3. комбинированные термо-и электрохимические методы.

Суммарный КПД производства водорода электролизом воды с использованием электроэнергии, вырабатываемой атомной станцией, составляет не более 20 – 30 %, и это отрицательно сказывается на себестоимости водорода. Снижение себестоимости электролитического водорода может быть достигнуто совершенствованием конструкции электролизеров, их удешевлением, и, что амое главное, применением дешевой электроэнергии. Как основная перспектива, рассматривается возможность питания водородных электролизеров «провальной» энергией атомных станций, т.е. использованием электроэнергии в те периоды, когда станции недогружены, например, в ночные часы.

Термохимический метод получения водорода основан на разложении воды с помощью тепловой энергии, которую предполагается получать от атомных реакторов с гелиевым охлаждением, используя теплоту газового теплоносителя на выходе из реактора. Непосредственное разложение воды по реакции

В настоящее время ни один из предложенных термохимических циклов еще не реализован в промышленности и значение КПД циклов, а так же расчеты затрат на получение водорода этим методом пока не определены.

Комбинированный метод производства водорода заключается в комбинировании термо- и электрохимических стадий процесса. Ожидаемые преимущества комбинированного метода состоят в том, что могут быть использованы достоинства каждого из рассмотренных способов: электрохимический хорошо освоен, имеет простое аппаратурное оформление, а термохимический более экономичен, но мало освоен и включает стадии, трудные для промышленного осуществления.

Примером может служить сернокислотный комбинированный цикл получения водорода и кислорода из воды. Это двухступенчатый процесс, включающий 2 стадии

1. термохимическая – эндотермическая реакция, осуществляемая при 900 °С

2. низкотемпературный электрохимический процесс:

Последняя реакция может быть реализована только путем электролиза, так как ее константа равновесия и теоретическим выход водорода чрезвычайно малы. Источником энергии для комбинированной установки может служить атомный газовый реактор, снабжающий отбросной теплотой термохимическую стадию и электроэнергией электрохимическую стадию. Расчетные затраты для комбинированной установки меньше, чем для прямого электролиза воды. Суммарный КПД процесса должен составить 35 – 37 %. По мнению специалистов комбинирование термохимических и электрохимических стадий – наиболее перспективное направление крупномасштабного производства водорода из воды.

Основным методом получения водорода для синтеза аммиака является каталитическая конверсия метана. Сырьём для этого метода служит природный и попутный газ, содержащий до 90-98% метана.

Источник

Технология синтеза аммиака. Аппаратное обеспечение производства

Это одно из самых многотоннажных химических производств в мире.

а) Физико-химические основы производства

Синтез аммиака осуществляется из азота и водорода по реакции:

Реакция обратимая, экзотермическая и характеризуется большим тепловым эффектном.

Согласно принципу Ле-Шателье равновесие ее смещается вправо с повышением давления и понижением температуры. Зависимость константы равновесия К_Р от температуры и давления имеется в справочной литературе.

Однако без использования катализаторов скорость реакции даже при температуре равной 1000 °С практически равна нулю. Это объясняется очень высокой энергией активации этой реакции.

Поэтому процесс проводят в присутствии твердых катализаторов. Как известно, гетерогенно-каталитические реакции имеют несколько стадий, в том числе:

А) диффузия молекул азота и водорода к поверхности зерен катализатора;

Б) хемосорбция этих молекул на поверхности катализатора;

В) поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними;

Д) диффузия молекул аммиака от поверхности катализатора в газовую фазу.

Исследования показали, что наиболее медленной (лимитирующей) этого сложного процесса является стадия хемосорбции молекул азота, так как он имеет наибольшую молекулярную массу.

На основании этого вывода можно описать механизм синтеза аммиака упрощенной схемой:

Скорость обратимой реакции синтеза аммиака из водорода и азота на большинстве известных катализаторов можно описать уравнением Темкина- Пыжова:

(Рис. а). Зависимость содержания аммиака в АВС от температуры при различных объемных скоростях АВС.

(Рис. б). Зависимость содержания аммиака в АВС от температуры при различных давлениях.

(Рис. в). Зависимость содержания аммиака в АВС от давления при различных температурах.

Так как реакция синтеза аммиака обратима, то возможная степень превращения исходного сырья на железных катализаторах не превышает 20-40%. Поэтому все современные схемы производства являются циркуляционными, то есть подается в колонну синтеза многократно с постоянным выделением образовавшегося аммиака путем его конденсации при низких температурах. Достичь полной конденсации также не удается Зависимость остаточной концентрации аммиака в газовой фазе после его конденсации при давлении 30 МПа следующая:

Температура, град. С

аммиака в газовой фазе, % об.

б) Катализаторы синтеза аммиака

Наибольшей активностью обладают металлы восьмой группы таблицы Менделеева (Fe; Ru; Re и Os). В промышленности применяют железный катализаторы. Их получают сплавлением оксидов железа (FeO + Fe₂O₃) с активаторами и последующим восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяют кислотного и амфотерного характера (Al₂O₃; SiO₂; TiO₂ и др.), а так оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (K₂O; Na₂O; CaO; MgO и др.). Полученный катализатор имеет марку СА-1.

Восстановление смеси оксидов железа производится водородом по реакции:

Образующееся железо имеет тонкопористую губчатую структуры с большой удельной поверхностью.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

В зависимости от величины используемого давления различают:

— агрегаты низкого давления (10-16 МПа);

— агрегаты среднего давления (20-50 МПа);

— агрегаты высокого давления (80-100 МПа).

В мировой практике наиболее широко используются агрегаты среднего давления. В нашей стране агрегаты работают под давлением 30-36 МПа, а также несколько установок с давлением 45 МПа. Новые агрегаты строятся для давления 32 МПа, температур синтеза 420-500 °С, объемной скорости газа в единице объема слоя катализатора количеств 15-25 тыс. м 3 /(м 3. час). При этом удельная производительность катализатора составляет 20-40 т аммиака в сутки.

Свежая АВС сжимается в четырехступенчатом ц/б компрессоре до 32 МПа и после охлаждения в АВО поступает в нижнюю часть конденсационной колонны 8, где барботирует через слой сжиженного холодного аммиака и окончательно очищается от остаточных примесей СО, СО₂, Н₂О и паров масла. Сама она при этом насыщается аммиаком до 3-5 % и смешивается с циркуляционным газом. Далее смесь проходит по трубкам встроенного теплообменника в верхней части колонны 8, и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4. здесь он нагревается до 185-195 °С за счет тепла газов выходящих из колонны синтеза 2. Здесь он проходит снизу вверх по кольцевому зазору между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство встроенного теплообменника 4. Здесь он нагревается до температуры зажигания железного катализатора марки СА-1 (420-440 °С) за счет теплоты прореагировавших газов и затем последовательно проходит четыре слоя катализатора, при этом концентрация аммиака возрастает до 15-20 %.

Пройдя через центральную трубу при 500-520 °С азотоводородоаммиачная смесь попадает в трубки встроенного теплообменника, где охлаждается до 330 °С. Дальнейшее охлаждение этой смеси до 215 °С осуществляется в подогревателе питательной воды 3 и выносном теплообменнике 4 до 65 °С. далее она охлаждается в АВО 7 до 40 °С. при этом достигается точка росы и часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак отделяется в сепараторе 6, а газовая смесь содержащая 10-15 % аммиака поступает в циркуляционный компрессор 5, где вновь дожимается до 31,5 МПа компенсируя потери давления в системе. Далее циркуляционный газ поступает в систему вторичной конденсации в конденсационную колонну 8 и испаритель жидкого аммиака 15. В колонне 8 газ охлаждается до 18 °С, а в трубках испарителей 15 до минус 5 °С за счет кипения в межтрубном пространстве жидкого аммиака, поступающего из холодильной станции. При этом из газа конденсируется дополнительное количество жидкого аммиака и смесь поступает в сепарационную часть конденсационной колонны 8, где газ отделяется от капелек жидкого аммиака и смешивается со свежей АВС и циркуляционным газом. Газовая смесь проходит вверх по колонне через трубки встроенного т/о, затем выносной т/о 4 и попадает в колонну синтеза 2. Жидкий аммиак из первичного сепаратора 6 проходит через магнитный фильтр 16 где освобождается от катализаторной пыли и смешивается с жидким аммиаком образующимся в колонне 8. Затем его дросселируют до 4 МПа и отводят в сборник 11. При дросселировании из жидкого аммиака выделяется растворенные в нем газы (водород, азот, метан), это так называемые «танковые» газы, которые содержат 16-18 % аммиака. Эти газы направляются в испаритель 12 для отделения аммиака путем его конденсации при охлаждении до минус 25 °С.

Далее они проходят сепаратор 13, где отделяются от капелек жидкого аммиака и используются как топливо совместно с продувочными газами.

ОСНОВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Огневой подогреватель АВС

Огневой подогреватель АВС:

Колонна синтеза аммиака с полочной насадкой для катализатора

Представляет собой вертикальный аппарат, состоящий из двух корпусов высокого давления и внутренней насадки. Насадка состоит из катализаторной коробки и теплообменника. Катализаторная коробка размещена в корпусе высокого давления внутренним диаметром 2400 мм, высотой 22 м; толщина стенки основного корпуса составляет 250 мм. Теплообменник установлен в верхней части основного корпуса и в корпусе, расположенном сверху основного корпуса (диаметром 1000 мм, толщиной стенки 110 мм и высотой 6,5 м).

Между корпусами высокого давления и насадкой имеется зазор, по которому снизу вверх проходит газ, подаваемый колонну. Расчетная температура корпусов составляет 250 °С, расчетное давление 32 МПа.

Через все полки катализатора проходят два «кармана» для многозонных термопар. Температуру замеряют в двух точках на входе и выходе газа из слоя катализатора на каждой полке. В теплообменнике размещено 1920 трубок диаметром 12х1,5 мм.

Колонна синтеза аммиака с полочной насадкой:

Техническая характеристика: рабочее давление 32 МПа; допустимая температура стенки корпуса 250 °С; емкость (геометрическая 96,6 м 3 ); диаметр внутренний корпуса 2400 мм; длина корпуса 28750 мм; общая высота колонны 31620 мм; масса колонны без катализатора 450000 кг, масса катализатора 116000 кг; объем катализатора 43 м 3 ; допустимый перепад давлений 1,5 МПа.

Колонна синтеза аммиака с двойными теплоотводящими трубками

Представляет собой вертикальный аппарат, состоящий из корпуса высокого давления и насадки. Корпус рулонированный из стали марки 10Г2С1, крышка и днище кованые из стали 22Х3М; насадка из стали 12Х18Н10Т и 0Х18Н12М2Т.

Внутренний диаметр корпуса колонны составляет 2400, толщина стенки 265 мм, высота 18,4 м. Насадка состоит из катализаторной коробки, теплообменника и электроподогревателя.

Катализаторная коробка вмещает в себя 35 м 3 катализатора. В слое катализатора на всю его высоту равномерно размещены 363 двойные теплообменные трубки Фильда. Диаметр наружных труб 45х2 мм, внутренних 28х2 мм. В три кармана вставлены двенадцатизонные терпопары, замеряющие температуру по всей высоте катализатора.

Электроподогреватель мощностью 1,1 МВт, размещенный в центральной трубе катализаторной коробки, предназначен для зарогрева и восстановления катализатора, а также для поднятия температуры до начала процесса образования аммиака после остановок агрегата.

Теплообменник расположен под катализаторной коробкой. Количество теплообменных трубок равно 4698 штук, диаметр 20х2 мм, длина 3,5 м. Насадка снаружи теплоизолирована.

Газ при температуре 180 °С входит в колонну сверху, проходит вниз по кольцевому зазору между корпусом высокого давления и корпусом насадки, защищая корпус высокого давления от воздействия высоких температур из зоны катализа. Далее газ поступает в межтрубное пространство теплообменника где нагревается газом, выходящем из поднимается вверх по центральной трубе и поступает во внутренние теплообменные трубки Фильда. Температуру газа на входе в катализаторную коробку регулируют добавлением с основному потоку газа, байпасного газа. Во внутренних трубках газ нагревается от встречного потока газа в наружных трубках и кольцевое пространство между наружными и внутренними трубками, где нагревается до необходимой температуры начала реакции (температуры зажигания катализатора).

Выйдя из трубок Фильда, газ распределяется по всему, проходит сверху вниз весь объем катализатора. Из коробки газ поступает в трубки встроенного теплообменника, охлаждается и выходит из колонны при температуре 330 °С. Распределение температуры по высоте слоя катализатора показано на рис.

Насадка полностью извлекается из корпуса. Поэтому загрузку катализатора проводится вне корпуса. Расчетная температура корпуса высокого давления 250 °С, расчетное давление 32 МПа.

Корпус высокого давления выполнен из стали 10Г2С1 и 22Х3М, насадка из стали 12Х18Н10Т. Масса корпуса и деталей высокого давления 409 т, масса насадки без катализатора 96 т.

Колонна синтеза аммиака с двойными теплоотводящими трубками Фильда:

Техническая характеристика: рабочее давление 32 МПа; масса колонны с катализатором 600 т; Объем катализатора 35 м 3 ; геометрическая емкость 85 м 3 ; поверхность теплообмена 826 м 2 ; число трубок 4698; диаметр трубок 20х2 мм; длина трубок 3090 мм; допустимое гидравлическое сопротивление 2,0 МПа.

Распределение температуры по высоте слоя катализатора.

Температурный режим в колоннах синтеза аммиака по высоте катализаторной зоны:

Подогреватель питательной воды

Подогреватель питательной воды паровых котлов:

Выносной теплообменник

Аппараты воздушного охлаждения

Конденсационная колонна

Встроенный сепаратор находится в нижней части аппарата и снабжен устройством для тангенциального движения газа и сепарирующей насадкой из полуфарфовых колец Рашига. Выполнен из стали 10Г2С1, Ст. 20 и др. Масса аппарата 270 т.

Испаритель жидкого аммиака

Испаритель жидкого аммиака:

Сепаратор

Представляет собой горизонтальный аппарат диаметром 2400 мм и длиной 9 м. Газ входит в трубу диаметром 480 мм, имеющей по всей длине с двух сторон отверстия для выхода газа в сепарационный объем. Окончательное отделение мельчайших капелек жидкого аммиака происходит в пакетах из металлических сеток (демисторе).

Источник

Презентация на тему: Синтез аммиака (10 класс)

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Описание презентации по отдельным слайдам:

Тема: Синтез аммиака и области его применения. Раздел 10.1С: Важнейшие химические производства Презентация подготовлена учителем химии НИШ ФМН г.Семей: Бекжановой Э.К.

Аммиак входит в первую десятку важнейших неорганических веществ, выпускаемых химической промышленностью. Мировое производство превышает 130 млн тонн в год

Вспомните области применения аммиака

Важнейшие области применения аммиака Для получения : *Азотной кислоты и азотных удобрений, *Пластмасс *Синтетических волокон Взрывчатых веществ Лекарств

Подумайте и ответьте на следующий вопрос: Из каких взаимосвязанных процессов-стадий состоит любое химическое производство?

Процессы-стадии производства аммиака Подготовка сырья и подвод реагирующих веществ в зону реакции 2) Химические процессы 3) Отвод продуктов и не прореагировавших веществ из зоны реакции

Сырье для производства аммиака Азот, выделяемый из воздуха Водород, получаемый взаимодействием метана с водяным паром: СН4 + Н2О → СО + 3Н2 условия реакции: 750 0С, р атм, Ni

Реакция синтеза аммиака экзотермическая, обратимая, каталитическая Объем вводимого воздуха такой, чтобы соотношение азота и водорода в газовой смеси было 1:3 N2 + 3H2  2 NH3 +92 кДж

Какие необходимо создать условия, чтобы выход аммиака был максимальным?

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Выход аммиака увеличится, если реакцию проводить при оптимальной температуре 400-500 0С.

Чем выше давление, тем больше выход аммиака, т.к. из четырех молей исходных веществ образуется два моля продукта. Процесс проводится при Р=300 атм ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Катализатором синтеза аммиака служит железо, содержащее промоторы – оксиды калия, кальция и алюминия: N2 + 3H2  2 NH3 +92 кДж 500 0С, 300 атм, Fe

Изготовление катализатора *Катализатор готовят из магнетита Fe3O4 смешивают с промоторами и плавят в электрической печи. *Добавки вступают в реакцию с оксидом железа, модифицируя поверхность, образующихся кристаллов. *Полученную массу дробят, просеивают, восстанавливают азотоводородной смесью несколько суток. Введение промоторов позволяет получить высокопористый катализатор (1 г имеет поверхность около 13 м3

Видео о процессе производства аммиака http://www.youtube.com/watch?v=-7X-gFao1Ag

Охарактеризуйте технологический процесс производства аммиака

Контрольные вопросы Какие принципы химического производства лежат в основе производства аммиака? Сформулируйте условия, при которых выход аммиака будет максимальным. Какое из этих условий не выполняется при организации производства и почему? Расскажите об устройстве колонны синтеза.

4) При нагревании до 800 0С аммиак разлагается на простые вещества. Как вы думаете, ускорит ли процесс разложения введение железного катализатора? Обоснуйте свой ответ. 5) Что служит сырьем для производства аммиака? 6) Какой объем воздуха необходим для получения 17,9 тонн аммиака, если выход продукта 95 %? Содержание азота в воздухе составляет 78% (по объему).

7) Современная колонна синтеза способна за сутки дать 250 тонн аммиака. Используя данные о ежегодном мировом производстве этого продукта, подсчитайте примерное число колонн синтеза, одновременно работающих во всех странах мира.

Д/З: *выучить терминологию на рус/каз/англ яз. *Подготовить презентацию из трёх слайдов об экологическом воздействии аммиака на состояние окружающей среды (работа в парах).

Использованные источники В.В.Еремин, Н.Е.Кузьменко «Химия 11 класс» профильный уровень. Москва 2010. https://yandex.kz/images/search?text=%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0%20%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B8%D0%B0%D0%BA%D0%B0&img_url=http%3A%2F%2F900igr.net%2Fthumbs%2Fkhimija%2FProizvodstvo-ammiaka%2F0007-007-Skhema-tekhnologicheskogo-protsessa.jpg&pos=19&rpt=simage http://chem21.info/info/1719960/ Н.Е.Кузнецова, Т.Н.Литвинова «Химия 11 класс» профильный уровень. Ч.2. Москва «Вента-Граф», 2010.

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

Курс профессиональной переподготовки

Методическая работа в онлайн-образовании

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Номер материала: ДВ-047449

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Утверждено стратегическое направление цифровой трансформации образования

Время чтения: 2 минуты

ВПР для школьников в 2022 году пройдут весной

Время чтения: 1 минута

Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате

Время чтения: 1 минута

В МГПУ сформулировали новые принципы повышения квалификации

Время чтения: 4 минуты

Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст

Время чтения: 1 минута

Время чтения: 2 минуты

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник