Производство аммиака схема и описание – Общая химическая технологияТема 8 Производство аммиака

www.himikatus.ru

2)Изобразить схематично все типы химических реакторов, которые используются на различных стадиях производства аммиака с обоснованием их использования.

На стадии очистки природного газа от серосодержащих соединений используют однослойный реактор с неподвижным слоем зернистого поглотителя. На кобальто-молибденовом катализаторе происходит гидрирование серосодержащих соединений до сероводорода. Полученный сероводород поглощается в однослойном абсорбере с неподвижным слоем ZnS.

Трубчатая печь представляет собой реактор для конверсии природного газа и воды, аппарат состоит из труб, в которых находится катализатор. Такое строение позволяет эффективно обогревать газовую смесь.

Для проведения второй ступени конверсии природного газа используется адиабатический реактор, благодаря чему теплота подаётся внутренним теплообменом, повышая температуру газовой смеси.

Дополнительная конверсия СО проходит а реакторе с адиабатическими слоями катализатора с охлаждением между ними для увеличения степени превращения при понижении температуры.

Очистка от СО происходит при метанировании водородом в однослойном реакторе, так как не происходитсильный адиабатический разогрев при этом процессе.

Синтез аммиака должен проходить при отводе тепла, для достижения оптимальной температуры процесса, это обеспечивается в многослойном реакторе с промежуточным теплообменом (а) или в трубчатом реакторе с охлаждением (б).

3)Составить структурную схему производства аммиака с указанием основных аппаратов.

1 – колонна (реактор) синтеза NH_{3 ,} 2, 3, 13 – теплообменники_, 4 – воздушный холодильник_, 5 – сепаратор_, 6 – сборник аммиака_, 7 – циркуляционный компрессор_, 8 – конденсационная колонна, 9 – испаритель_, 10 – реактор метанирования СО_, 11 – абсорбер_, 12 – реактор конверсии СО с медьсодержащим катализатором_, 14 – реактор с железохромовым катализатором_, 15 – шахтный конвертор_, 16 –трубчатая печь_, 17 – компрессор_, 18 – реактор очистки природного газа от серосодержащих соединений.

4) Привести технологическую схему отдельной стадии процесса (по указанию преподавателя). Синтез аммиака3

Свежая азотоводородная смесь (далее – АВС), сжатая во второй ступени центробежного компрессора до давления 30-32 МПа, после охлаждения в воздушном холодильнике поступает в нижнюю часть конденсацинной колонны 8 для очистки от остаточных количеств воды и диоксида углерода. Очистку осуществляют барботажем газа через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака.

Пройдя слой жидкого аммиака, свежая АВС насыщается аммиаков до 3-5% и смешивается с циркуляционным газом. Смесь свежего и циркуляционного газов проходит по трубам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4, где нагревается до температуры не выше 195°С за счет тепла газа, выходящего из колонны синтеза. Из выносного теплообменника циркуляционный газ поступает в колонну синтеза 2, проходя снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки, а затем в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного вверху в горловине корпуса колонны. В теплообменнике газ нагревается до 400-440°С за счет тепла газа, выходящего из катализаторной коробки, последовательно проходит четыре слоя катализатора, на котором осуществляется синтез аммиака. Температурный режим перед каждой полкой поддерживают подачей газа между полками. Газ отбирают из потока перед колонной с температурой до 190°С.

Пройдя четвертый, нижний слой катализатора, азотоводородоаммиачная смесь с содержанием аммиака около 15% и температурой 500-515°С по центральной трубе поднимается вверх, входит в трубки внутреннего теплообменника, охлаждаясь до температуры 330°С, и выходит из колонны синтеза. Далее газовая смесь проходит трубное пространство подогревателя питательной воды 3, охлаждаясь до температуры 215°С. После прохождения трубного пространства выносного теплообменника 4, она охлаждается входящим циркуляционным газом до 65°С. С 65°С до 40 °С газ охлаждается в аппаратах воздушного охлаждения 5 (узел первичной конденсации), где из газа конденсируется часть аммиака. Сконденсировавшийся аммиак отделяется в сепараторе 15, а газовая смесь, содержащая 10-12% аммиака, поступает в азотоводородный компрессор, где сжимается еще раз до 30-32 МПа.

Циркуляционный газ с температурой 50°С поступает в систему вторичной конденсации, состоящую из конденсационной колонны 8 и испарителей жидкого аммиака 9. Газ подается в конденсационную колонну сверху, проходит межтрубное пространство теплообменника, охлаждаясь до 18°С газом, идущим по трубам. Далее газ поступает в испаритель жидкого аммиака, где, проходя по U-образным трубкам высокого давления, охлаждается до -5°С за счет кипения аммиака при температуре -10°С в межтрубном пространстве испарителя. Газообразный аммиак из межтрубного пространства испарителя направляется в холодильную установку для сжижения аммиака и возврата в испарители.

Из трубного пространства испарителя смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа. Здесь же свежий газ смешивается с циркуляционным. Далее газовая смесь проходит корзину, заполненную полуфарфоровыми кольцами, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в выносной теплообменник, а затем – в колонну синтеза аммиака. Так циркуляционный цикл замыкается.

Жидкий аммиак после первичного сепаратора с температурой 40°С, пройдя магнитные фильтры 7, очищается от катализаторной пыли, дросселируется до давления 2 МПа и поступает в сборник жидкого аммиака 13, куда также под давлением 2 МПа поступает аммиак из конденсационной колонны. За счет дросселирования жидкого аммиака с высокого давления до давления 2 МПа происходит выделение растворенных в жидком аммиаке газов: водорода, азота, аргона и метана. Эти газы содержат около 16% аммиака. Утилизация аммиака из этих газов производится путем его конденсации в испарителе 12 на линии газов при температуре от -20 до -25°С.

Из испарителя газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор 15, там жидкий аммиак отделяется и подается в сборник жидкого аммиака 13. Для поддержания в циркуляционном газе содержания инертов в пределах 14-18% производят постоянный отбор части газа после первичной конденсации. Количество продувочных газов зависит от содержания инертных примесей в свежем газе, давления в системе синтеза, активности катализатора и колеблется в пределах 3-8 тыс. куб. м. Аммиак из продувочных газов выделяется пи температуре от -25 до -30°С в конденсационной колонне 10 и испарителе 11. Смесь газов и продувочных газов после выделения аммиака, аргона, водорода и гелия используют как топливный газ, для чего она направляется на сжигание и блок конвекции метана.

Основной аппарат на стадии синтеза аммиака – колонна синтеза аммиака. В колонне смесь подогревается до температуры начала реакции и проходит через слой катализатора при соблюдении необходимого температурного режима. Учитывая сложное устройство колонны и тяжелые условия работы (высокие давления и температура, содержание в среде водорода), конструктивно колонну делят на два самостоятельных элемента: корпус и детали высокого давления, рассчитанные на полное давление процесса, и внутреннюю часть (насадку), рассчитанную только на перепад давлений газового потока между входом и выходом из колонны.

В различных конструкциях вопросы отвода тепла из зоны катализа решают по-разному: тепло отводят или температуру снижают скачкообразно после каждого слоя катализатора.

При загрузке катализатором колонн синтеза необходимо решить противоречие, связанное с выбором оптимального размера зерна катализатора. При применении крупных зерен катализатор используется не полностью, использование мелкого зерна способствует высокому гидравлическому сопротивлению. Чтобы сгладить эти противоречия в крупнотоннажных производствах проводят дифференцированную загрузку катализатора, изменяя в определенном порядке диаметр его зерен по высоте колонны.

На стадии синтеза аммиака используется пусковой подогреватель с огневым обогревом. Он служит для подогрева АВС в период пуска и восстановления катализатора в колонне синтеза, а также нагрева газа при нарушениях автотермического режима в колонне синтеза. АВС нагревается за счет тепла, выделяемого при сгорании природного газа в горелках. Так как подогреватель соединен с колонной синтеза горячим трубопроводом, на котором отсутствует отключающая арматура, то подогреватель находится в течение всего периода работы колонны синтеза под давлением. Пусковой подогреватель представляет собой вертикальный аппарат, состоящий из корпуса низкого давления и змеевиков высокого давления. Аппарат футерован огнеупорным материалом, материал змеевиков принят из нержавеющей стали.

В схеме также имеется подогреватель воды, предназначенный для подогрева питательной воды за счет тепла реакции синтеза аммиака. В подогревателе воды трубные доски жестко связаны с корпусом, а прямые теплообменные трубки имеют участок, позволяющий компенсировать разность температурных удлинений корпуса и трубок. На прямых участках труб устанавливают перегородки для увеличения эффективности теплопередачи. На компенсирующих участках установка перегородок не требуется, так как на этих участках обеспечивается необходимая скорость потока. В центре устанавливают сердечник из труб с креплением его к одной трубной доске. Такая конструкция обеспечивает надежную работу теплообменника в части герметичности заделки труб при разности температур трубок и корпуса до 100°С.

Для предварительного подогрева газа, поступающего в колонну синтеза аммиака, установлен выносной теплообменник. Он вертикальный, состоит из корпуса высокого давления и насадки. Насадка представляет собой теплообменник кожухотрубчатого типа.

Для охлаждения АВС, выходящей из выносного теплообменника, и конденсации аммиака установлен блок аппаратов воздушного охлаждения. Блок состоит из шести аппаратов, каждый аппарат – из трех секций. Воздух нагнетается двумя осевыми вентиляторами, установленными под каждым аппаратом.

Сепаратор жидкого аммиака предназначен для сепарации аммиака, сконденсировавшегося в блоке аппаратов воздушного охлаждения. Аппарат горизонтального типа имеет большую поверхность сепарации, окончательная очистка от капель жидкого аммиака осуществляется в сепарирующих пакетах из металлических сеток.

Циркуляция газовой смеси в агрегате синтеза аммиака осуществляется с помощью специального компрессионного колеса, размещенного в последнем корпусе компрессора АВС.

Конденсационная колонна предназначена для рекуперации холода и сепарации аммиака, состоит из корпуса высокого давления и насадки. В сепарационную часть конденсационной колонны осуществлен подвод свежего газа в слой жидкого аммиака для удаления следов углекислоты и влаги.

Испаритель жидкого аммиака предназначен для охлаждения циркуляционного газа и конденсации аммиака. Аппарат горизонтальный с U-образными трубками. Внутри аппарата расположено сепарирующее устройство в виде сетчатых элементов.

studfiles.net

Тема №7: Производство аммиака.

1. Перечислите основные способы фиксации азота.

Под фиксацией азота понимаются реакции в ходе которых молекулярный азот образует различные соединения— например, реакция образования аммиака при взаимодействии азота с водородом.

Интересы ученых-биологов сфокусированы на конкретных научных направлениях, из которых можно выделить следующие:

1) поиск новых микробно-растительных азотфиксирующих сообществ и определение их роли в глобальной азотфиксирующей системе планеты;

2) исследование молекулярных механизмов взаимоотношения растений и азотфиксирующих микроорганизмов;

3) исследование физических и физико-химических основ явления азотфиксации;

4) изучение генетики азотфиксации и создание генноинженерным путем азотфиксирующих растений;

5) разработка комплекса агробиологических технологий с целью повышения продуктивности азотфиксации в растениеводстве.

2. Как изменилась структура сырьевой базы по мере развития азотной промышленности? Какой вид природного сырья находил практическое применение вначале для получения технологического сырья?

3. В чем преимущество природного газа перед другими видами природного сырья?

Преимущество природного газа(СН4):

• Горение метана сопровождается незначительным выделением загрязняющих веществ, как твердых пылевых, так и газообразных: окисей азота, серы и углерода.

• Метан может служить промежуточным топливом при постепенном переходе на такие альтернативные источники электроэнергии, как ветер, солнечная энергия, гидроэлектрическая энергия, энергия приливов и геотермальные источники энергии.

• Метан широко распространен и доступен в большинстве городов и населенных пунктов, в непосредственной близости от конечных потребителей электроэнергии. Это значит, что для таких электростанций проще подобрать место, и они не требуют протяженных линий высоковольтных передач.

• Электростанции смешанного типа, работающие на метане, достаточно эффективны.

• Постоянное снабжение метаном можно организовать с помощью подземных газопроводов, экономя на энергопотреблении поездов и грузовиков, доставляющих горючее от перерабатывающего завода на электростанцию.

• Электростанции, работающие на метане, можно переоборудовать для использования водорода в качестве топлива, когда водород будет доступен в достаточных количествах по приемлемым ценам.

4. Составьте химическую и функциональную схемы получения технологического газа для синтеза аммиака из природного газа.

Химическая схема:

Функциональная схема:

Функциональная схема синтеза аммиака: А – синтез Nh4; Б – выделение Nh4; В – компрессия и рециркуляция

5. Почему необходима очистка природного газа от сернистых соединений? Как и при каких условиях она осуществляется?

Очистка природного газа от серосодержащих соединений адсорбцией сероводорода, который мешает дальнейшим превращениям:

h3S + ZnO = ZnS + Н20

Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2О) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака – водорода Н2. В этом превращении протекают одновременно две реакции:

СН4 + Н2О = СО + ЗН2;

СО + Н2О = СО2 + Н2.

Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СО2 из-за равновесных ограничений):

СО + Н2О = СО2 + Н2.

После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья – метана СН4 и воды Н2О.

6. Проанализируйте химическую и функциональную схемы сероочистки.

7. Какими соображениями руководствуются при выборе технологического режима основных стадий паровоздушной конверсии природного газа?

8. Какие катализаторы применяют на стадии конверсии метана и оксида углерода? Какие примеси в газе вызывают отравления катализаторов? Каков срок их службы?

Все реакции протекают с участием катализаторов и при высоких температурах. При осуществлении процесса конвекции СН₄ проводят очистку природного газа от соединений серы, которые являются каталитическими ядами, а также очистку азотоводородной смеси от оксидов углерода.

Конверсию метана осуществляют при температуре 800-900 °С на никелевом катализаторе.

9. Что собой представляют отходящие газы агрегатов синтеза аммиака? Как осуществляется их очистка?

Конвертированный газ, получаемый после конверсии метана, содержит 20-40% оксида углерода.

Для увеличения выхода водорода, газ после конверсии метана восстанавливают водяным паром.

10. Какие методы нашли практическое применение для очистки конвертированного газа от диоксида углерода? Перечислите их достоинства и недостатки.

11. Напишите химические реакции, лежащие в основе моноэтаноламиновой очистки. Что является побочным продуктом процесса и какое практическое применение он находит?

Абсорбция диоксида углерода – удаление СО2, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэтаноламина:

СО2 + 2RNh3 + Н2О = (RNh4)2CО3.

12. Обоснуйте выбор технологического режима на стадиях абсорбции CO₂ и регенерации растворителя в процессе моноэтаноламиновой очистки технологического газа.

МЭА очистка – низкая стоимость, стабильность процесса, легко регенерируется, высокая поглотительная способность. При очистке газа 17-21% раствором МЭА идет 2 реакции:

2NOCH₂CH₂NH₂+CO₂+H₂O=(RNH₃)2CO₃;

(RNH₃)2CO₃+CO₂+H₂O=2RNH₃HCO₃.

13. Какие методы очистки от оксида углерода применяют в современных технологических установках производства синтез-газа?

Очистка газа от оксида углерода СО. После конверсии СО небольшое количество СО остается, и он мешает дальнейшим превращениям. Освобождаются от него, превращая в метан:

СО + ЗН₂= СН₄+ Н₂О.

14. Как осуществляется тонкая очистка конвертированного газа от оксидов углерода?

Селективными являются железо-хромовый и медьсодержащий катализаторы: первый обеспечивает достаточную скорость реакции при температуре 450-500 °С, второй активно работает при 250-300°С. Остаточная концентрация СО составляет 0,3-0,5%.

После очистки газа от оксидов углерода он поступает на синтез аммиака.

15. Назовите важнейшие области применения аммиака.

Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности, ежегодное его мировое производство достигает 150 млн тонн. В основном используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя.

В холодильной технике используется в качестве холодильного агента (R717)

В медицине 10 % раствор аммиака, чаще называемый нашатырным спиртом, применяется при обморочных состояниях (для возбуждения дыхания), для стимуляции рвоты, а также наружно — невралгии, миозиты, укусах насекомых, для обработки рук хирурга. При неправильном применении может вызвать ожоги пищевода и желудка (в случае приёма неразведённого раствора), рефлекторную остановку дыхания (при вдыхании в высокой концентрации).

Применяют местно, ингаляционно и внутрь. Для возбуждения дыхания и выведения больного из обморочного состояния осторожно подносят небольшой кусок марли или ваты, смоченный нашатырным спиртом, к носу больного (на 0,5-1 с). Внутрь (только в разведении) для индукции рвоты; также, в составе нашатырно-анисовых капель — в качестве муколитического (отхаркивающего) средства. При укусах насекомых — в виде примочек; при невралгиях и миозитах — растирания аммиачным линиментом. В хирургической практике разводят в тёплой кипяченой воде и моют руки.

Поскольку аммиак является слабым основанием, при взаимодействии с кислотами он их нейтрализует.

Физиологическое действие нашатырного спирта обусловлено резким запахом аммиака, который раздражает специфические рецепторы слизистой оболочки носа и способствует возбуждению дыхательного и сосудодвигательного центров мозга, вызывая учащение дыхания и повышение артериального давления.

Противоморозная добавка для сухих строительных растворов, относящаяся к ускорителям. Рекомендуемая дозировка — 2…8 % массы компонентов сухой смеси в зависимости от температуры применения. Аммиачная вода — продукт (Nh4*h3O), представляющий собой газообразный аммиак NН3, растворенный в воде.

16. Составьте функциональную схему синтеза аммиака.

Агрегат синтеза аммиака (технологическая схема).

17. Каковы основные физико-химические особенности реакции синтеза аммиака из азота и водорода, влияющие на выбор технологического режима процесса? Учитывая эти особенности, обоснуйте выбор давления, температурного режима процесса, тип технологической схемы.

18. Какими соображениями руководствуются при выборе объемной скорости газа в колоннах синтеза аммиака?

19. Объясните механизм гетерогенно-каталитического процесса синтеза аммиака. Какими стадиями он может быть описан?

20. Какие катализаторы применяют при синтезе аммиака?

При синтезе аммиака из простых веществ — азота и водорода — используют в качестве катализатора используют пористое железо с примесями Al₂O₃ и K₂O

21. Какие методы выделения аммиака из циркуляционного газа применяют в установках среднего давления?

Циркуляционный газ при температуре 50°С поступает в систему вторичной конденсации, включающую конденсационную колонну и испарители жидкого аммиака. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18°С и в испарителя за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве до — 5°С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотоводородной смеси с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в выносной теплообменник, а затем в колонну синтеза.

22. Что собой представляют продувочные и танковые газы? Какое применение они находят?

23. Объясните устройство колонны синтеза. Проанализируйте режим ее работы.

Принципиальная технологическая схема синтеза аммиака в агрегате мощность 1360 т/сут на отечественном оборудовании.

Свежая азотоводородная смесь после очистки метанированием сжимается в центробежном компрессоре до давления 32 Мпа и после охлаждения в воздушном холодильнике поступает в нижнюю часть конденсационной колонны для очистки от остаточных примесей СО₃, Н₂О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров и следов СО₂. и масла, насыщается аммиаком до 3-5% и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника, где нагревается до 185-1950°С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонны синтеза.

24. Сформулируйте основные требования к колоннам синтеза аммиака.

25. Какие технологические мероприятия способствуют охране окружающей среды в производстве аммиака?

Крупнотоннажное производство аммиака характеризуют следующие выбросы в окружающую среду:

1) газовые, содержащие в своем составе аммиак, оксиды азота и углерода и другие примеси

2) сточные воды, состоящие из конденсата, продуктов промывки реакторов и систем охлаждения;

3) низко потенциальную теплоту.

Относительная концентрация токсичных примесей производства аммиака в виде оксида углерода и оксидов азота в отходящих газах невысока, но когда происходит восстановление оксидов азота до элементного азота, для устранения даже незначительных выбросов разрабатываются специальные мероприятия. Полное исключение токсичных выбросов возможно при использовании каталитической очистки в присутствии газа-восстановителя.

studfiles.net

Производство аммиака мощностью 1360 т/сут

Проектируемая колонна конденсации входит в состав технологической схемы производства аммиака. На основании проведенного анализа состояния вопроса выбрана технологическая схема синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут на отечественном оборудовании.

1 – подогреватель газа, 2 – колонна синтеза аммиака, 3 – подогреватель воды, 4 – выносной теплообменник; 5 – циркуляционное колесо компрессора; 6 – сепаратор жидкого аммиака; 7 – блок аппаратов воздушного охлаждения; 8 – конденсационная колонна; 9 – конденсационная колонна продувочных газов; 10 – испаритель жидкого аммиака на линии продувочных газов, 11 – сборник жидкого аммиака, 12 – испаритель жидкого аммиака на линии танковых газов; 13 – сепаратор; 14 – промежуточная дренажная емкость; 15 – испарители жидкого аммиака; 16 – магнитный фильтр

Свежая азотоводородная смесь после очистки метанированием сжимается в центробежном компрессоре до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (на схеме не показан) поступает в нижнюю часть конденсационной колонны 8 для очистки от остаточных примесей СО₂, Н₂О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров и следов СО₂ и масла, насыщается аммиаком до 3–5% и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4, где нагревается до 185 –195 °С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонну синтеза 2.