Производство аммиака: оборудование, химическая концепция
Аммиак – вещество, знакомое, наверное, каждому взрослому человеку. Все дело в той физиологической роли, которую играет аммиак. Стремительному росту объемов выпуска аммиака традиционно способствует относительная доступность необходимого для его производства сырья. Химическая формула аммиака хорошо известна всем еще со школы – NH3. Из нее очевидно: для его получения требуются азот и водород.
В качестве источника азота здесь прекрасно подходит обычный атмосферный воздух. Данный ресурс практически безграничен. Таким образом, сырьевая база для производства аммиака (а, соответственно, и всей азотной промышленности) лимитируется водородом. А точнее, топливом, необходимым для его получения.
Как правило, для этих целей используется природный газ. Данное обстоятельство, кстати, весьма способствовало развитию отечественной азотной промышленности: газом Россия богата.
Однако если у кого-то из сказанного выше сложилось впечатление, что крупномасштабное производство аммиака является простым и доступным процессом, то это, безусловно, ошибочно. Создание действительно эффективных производств потребовало серьезных научных усилий и технологических решений.
Достаточно сказать, что процесс получения аммиака на практике проводят в присутствии катализатора при температуре около 500°C и давлении в 350 атмосфер. Отсюда ясно, насколько энергоемким является соответствующее производство. Зато создание подобных условий позволяет добиться выхода требуемого вещества на уровне приблизительно 30 процентов.
Вообще, по мнению экспертов, историю развития крупнотоннажного аммиачного производства следует рассматривать как постоянную борьбу за повышение полезного использования энергии: электрической, тепловой, и механической. Зато этот процесс дал в итоге отличные результаты. Если на первых промышленных установках КПД составлял лишь порядка 10 процентов, то на современных высокопроизводительных установках, способных «выдавать» полмиллиона тонн продукции в год, данный показатель в пять раз выше.
Работа современного аммиачного завода очень сложна. Это утверждение кажется удивительным, если «ориентироваться» только лишь на достаточно простое уравнение реакции, являющееся основой синтеза аммиака. Однако утверждение о сложности промышленного синтеза аммиака не покажется чрезмерным уже после первого ознакомления со схемой действия аммиачного завода, работающего на природном газе.
Первая стадия в процессе синтеза аммиака включает десульфуратор – техническое устройство по удалению серы из природного газа. Это совершенно необходимая стадия, поскольку сера представляет собой каталитический яд и «отравляет» никелевый катализатор на последующей стадии получения водорода.
Вторая стадия промышленного синтеза предполагает конверсию метана (промышленное получение водорода). Конверсия метана – обратимая реакция, протекающая при 700 – 800 °С и давлении 30 – 40 атм с помощью никелевого катализатора при смешивании метана с парами воды: СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2
Образовавшийся по данной реакции водород, казалось бы, уже можно использовать для синтеза аммиака — для этого необходимо запустить в реактор воздух содержащий азот. Так и поступают, однако на этой стадии происходят другие процессы. Происходит частичное сгорание водорода в кислороде воздуха:
2Н2 + О2 = Н2О (пар)
В результате на этой стадии получается смесь водяного пара, оксида углерода (II) и азота. Водяной пар, в свою очередь, восстанавливается снова с образованием водорода, как на второй стадии. Таким образом, после первых трёх стадий имеется смесь водорода, азота и «нежелательного» оксида углерода (II).
Окисление СО, образующегося на двух предыдущих стадиях, до СО2 проводят именно по этой реакции:
СО + Н2О (пар) ↔ СО2 + Н2 (3)
Процесс «сдвига» проводят последовательно в двух «ректорах сдвига». В первом из них используется катализатор Fe3О4 и процесс проходит при достаточно высокой температуре порядка 400 °С. Во втором процессе используется более эффективный медный катализатор и процесс удаётся провести при более низкой температуре.
На пятой степени оксид углерода (IV) удаляют из газовой смеси при помощи абсорбции раствором аМДЭА (активированный метил диэтанол амин).
В начале происходит абсорбция углекислого газа, затем – его десорбция и удаление из процесса.
Однако, качества аМДЭА очистки недостаточно для того, чтобы азото-водородную смесь можно было использовать для синтеза аммиака. Оставшегося количества СО вполне достаточно, чтобы загубить железный катализатор на главной стадии синтеза аммиака (1). На 6-й стадии оксид углерода (II) удаляют реакцией конверсии водородом в метан на специальном никелевом катализаторе при температурах 300 – 400 ºС:
СО + 3Н2 ↔ СН4 +Н2О
Газовую смесь, которая теперь содержит ≈ 75% водорода и 25% азота, подвергают сжатию; давление её при этом возрастает от 25 – 30 до 200 – 250 атм. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева такое сжатие приводит к очень резкому повышению температуры смеси. Сразу же после сжатия приходиться охлаждать до 350 – 450 ºС.