Теория:
Аммиак используется для производства минеральных удобрений, взрывчатых веществ, красителей, лекарств, полимеров. Это вещество находит применение также в холодильной промышленности и в медицине.
Сырьё
В качестве исходного сырья для промышленного получения аммиака используют воздух и природный газ. Азот выделяют из сжиженного воздуха, а водород получают конверсией метана из природного газа.
Химическая реакция, условия проведения
— обратимая, экзотермическая, каталитическая, идёт с уменьшением объёма газов.
При подборе оптимальных условий учитывают влияние внешних факторов на скорость реакции и необходимость сдвига равновесия в сторону продуктов реакции.
Для ускорения реакции нужно использовать катализатор, повышать температуру и давление (концентрацию газов). Для сдвига равновесия нужно, наоборот, снижать температуру, повышать давление и отводить аммиак.
Исходя из этого, для синтеза аммиака необходимы следующие условия:
- катализатор — пористое железо с примесями оксидов алюминия и калия;
- оптимальная температура \(450\)–\(500\) \(°C\);
- давление \(25\)–\(60\) МПа.
Технологический процесс: аппараты и принципы их работы
Рис. \(1\). Схема производства аммиака
1. Очищенную азотоводородную смесь сжимают в турбокомпрессоре до необходимого давления, смешивают с циркуляционным газом и подают в колонну синтеза.
2. Сжатая смесь азота с водородом проходит между трубками теплообменника колонны синтеза и подогревается за счёт теплоты продуктов реакции. В теплообменнике используется признак противотока.
Нагретая смесь поступает на катализатор. Скорость реакции зависит от поверхности катализатора, поэтому он используется в виде гранул.
Выход аммиака в колонне синтеза составляет около \(20\) \(\%\). После прохождения через катализатор образовавшаяся смесь азота, водорода и аммиака, имеющая высокую температуру, проходит через трубки теплообменника, где часть тепла отдаёт исходным газам.
3. Из теплообменника газы поступают в холодильник и дополнительно охлаждаются противотоком воды. При понижении температуры аммиак конденсируется.
4. Смесь поступает в сепаратор. Жидкий аммиак отделяется от непрореагировавших газов и выводится на склад.
Оставшаяся азотоводородная смесь из сепаратора попадает в циркуляционный компрессор, где сжимается до нужного давления, и опять поступает в колонну синтеза. Используется принцип циркуляции, который позволяет увеличить выход аммиака до \(85\)–\(90\) \(\%\) от теоретически возможного.
Рис. \(2\). Производство аммиака
Источники:
Рис. 1. Схема производства аммиака, https://www.shutterstock.com/image-vector/process-manufacture-ammonia-synthesis-vector-illustration-1370882918 (дата обращения: 27.08.2023).
Рис. 2. Производство аммиака, https://www.shutterstock.com/image-photo/largecapacity-ammonia-production-workshop-exterior-modern-1937651722 (дата обращения: 27.08.2023).