11.3 Получение аммиака

 

Как уже говорилось выше, в организме человека и животных аммиак образуется при нормальных условиях (P=1 атм, t=36,6°С).

А вот промышленное получение аммиака далеко не такое простое. Аммиак получают методом термохимического синтеза (соединение азота и водорода), протекающего при очень высоких параметрах , .

Процесс синтеза аммиака, с одной стороны, является примером наиболее совершенной химической технологии, а с другой стороны – наиболее сложный технически и аппаратурно.

Синтез аммиака предложен еще в начале прошлого века Габером. Суть его – в связывании азота и водорода реакцией, протекающей по схеме

 

Реакция обратима, протекает с уменьшением объема и выделением теплоты. Из этого следует, что более полно реакция проходит при  высоких давлениях и низких температурах. При этом равновесный выход продукта () невелик, поэтому процесс осуществляют по циклической схеме, которая предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат реагирующих масс () (рис. 11.1 а).

 

На рис.11.1 б видно, что чем выше давление и ниже температура, тем больший выход продукта – аммиака.

Первый завод по производству синтетического аммиака построен в 1913 году.

Добиться 100% синтеза практически невозможно, т.к. нужны сверхмощные компрессоры, газоохладители и др. оборудование. В промышленных целях сегодня реакцию ведут при 400-500°С, давлениях 200-320 атм. При этом выход продукта составляет 20-40%. Уже много лет ведутся поиски путей – как снизить давление синтеза, т.к. очень сложное и дорогое оборудование, и прежде всего компрессорное оборудование.

Синтез аммиака идет только в присутствии катализатора. Катализатор должен быть активным в течении длительного периода времени, при температурах до 500°С, не быть чувствительным ко всяким примесям в азотоводородной смеси, иметь достаточную механическую прочность. Этим условиям удовлетворяет железный катализатор  – магнетит с добавками.

Часть азотоводородной смеси (60-80%), которая не прореагировала, т.е. не вступила в реакцию синтеза с получением аммиака, возвращается опять на вход в реактор, т.е. процесс носит циркуляционный характер.

На процесс образования аммиака существенное влияние оказывает время нахождения смеси газов в зоне контактирования в реакторе, чем медленнее процесс, тем больше выход аммиака.

Процесс получения аммиака состоит из 3 составляющих процессов: получение азота, получение водорода и собственно синтез аммиака.

Промышленная установка синтеза аммиака представлена на принципиальной схеме (рис.11.2).

 

 

Рисунок 11.2 – Технологическая схема синтеза аммиака:

1 – колонна синтеза; 2 – водяной конденсатор;

3 – сепаратор; 4 – циркуляционный компрессор;

5 – фильтр; 6 – конденсационная колона; 7 – испаритель;

8 – компрессор; 9 – сборник жидкого аммиака;

10 – компрессор свежего газа

 

В зависимости от принятого давления различают установки низкого (100 атм), среднего (200-550 атм) и высокого давления (600-1000 атм). На Украине ряд ПО «Азот» производят аммиак со средним давлением синтеза 320 атм.

Конечный продукт – аммиак – выделяют из его смеси с не прореагировавшим газом путем охлаждения до жидкого состояния в конденсационной колоне. Для этого устроен холодильный цикл, работающий на хладагенте – том же жидком аммиаке, не смешивающемся с продуктом.

Температура, до которой необходимо охладить газ для сжижения аммиака, зависит от давления в колоне:

- при 1000 атм – плюс 40°С;

- при 320 атм – минус 15°С;

- при 100 атм – минус 60°С.

Выбор рабочего давления – компромисс между производительностью по аммиаку и стоимостью оборудования и расхода энергии на сжатие газа (по компрессорному цеху).