Как в промышленности получают аммиак: Получение аммиака в промышленности и в лаборатории из азота

Виниловая таблица «Получение аммиака в лабораторных условиях» 100х140 см

Внимание! Описание ниже, это справочный материал, он не указан в данной виниловой таблице!

Аммиак — одно из важнейших соединений азота.
Азот, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот, является одним из компонентов, составляющих основу жизни. Поэтому очень важно было научиться синтезировать химические соединения с азотом. Сначала использовали электричество, но этот способ оказался очень дорогим. Более простым способом явилась химическая реакция соединения азота, находящегося в воздухе, с водородом в химическое соединение — аммиак!

Получение аммиака

В лаборатории	В промышленности
Для получения аммиака в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония: NH4Cl + NaOH = NH3↑ + NaCl + H2O (NH4)2SO4 + Ca(OH)2 = 2NH3↑ + CaSO4 + 2H2O Внимание! Гидроксид аммония неустойчивое основание, разлагается: NH4OH ↔ NH3↑ + H2O При получении аммиака держите пробирку — приёмник дном кверху, так как аммиак легче воздуха:	Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота: N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г) + 45,9  кДж Условия: катализатор – пористое железо температура – 450 – 500 ˚С давление – 25 – 30 МПа Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода).

 

Получение аммиака в промышленности связано с прямым его синтезом из простых веществ. Как уже отмечалось, источником азота служит воздух, а водород получают из воды.

3H₂ + N₂ → 2NH₃ + Q

Аммиак. Водный раствор

Реакция синтеза аммиака обратима, поэтому важно подобрать условия, при которых выход аммиака в химической реакции будет наибольшим. Для этого реакцию проводят при высоком давлении (от 15 до 100 МПа). В ходе реакции объёмы газов (водорода и азота) уменьшаются в 2 раза, поэтому высокое давление позволяет увеличить количество образующегося аммиака. Катализатором в такой реакции может служить губчатое железо. При этом интересно то, что губчатое железо действует как катализатор только при температуре выше 500⁰C. Но увеличение температуры способствует распаду молекулы аммиака на водород и азот. Для избежания распада молекул, как только смесь газов проходит через губчатое железо, образовавшийся аммиак сразу охлаждают! Кроме того при сильном охлаждении аммиак превращается в жидкость.

Получение аммиака в лабораторных условиях производят из смеси твёрдого хлорида аммония (NH₄Cl) и гашенной извести. При нагревании интенсивно выделяется аммиак.

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O

Свойства аммиака

Аммиак при обычных условиях — газ с резким и неприятным запахом. Аммиак ядовит! При 20 ⁰C в воде растворяется 700 л аммиака. Полученный раствор называют аммиачной водой. Из-за такой растворимости аммиак нельзя собирать и хранить над водой.

Аммиак — активный восстановитель. Такое свойство у него за счёт атомов азота, имеющих степень окисления «-3». Восстановительные свойства азота наблюдаются при горении аммиака на воздухе. Так как для азота наиболее устойчивая степень окисления — 0, то в результате этой реакции выделяется свободный азот.

Если в реакции горения использовать катализаторы (платину Pt и оксид хрома Cr₂O₃), то получают оксид азота.

4NH₃ + 5 O₂ → 4NO + 6H₂O

Аммиак может восстанавливать металлы из их оксидов. Так реакцию с оксидом меди используют для получения азота.

2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O

Реакция гидроксида меди с аммиаком

Аммиак обладает свойствами оснований и щелочей. При растворении его в воде образуется ион аммония и гидроксид-ион. При этом соединения NH₄OH — не существует! Поэтому формулу аммиачной воды лучше записать, как формулу аммиака!

Основные свойства аммиака проявляются также и в реакциях с кислотами.

NH₃ + HCl → NH

4Cl (нашатырь)

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ (аммиачная селитра)

Аммиак реагирует с органическими веществами. Например, искусственные аминокислоты получают с помощью реакции аммиака и A-хлорзамещёнными карбоновыми кислотами. Выделяющийся в результате реакции хлороводород (газ HCl) связывают с избытком аммиака, в результате которого образуется нашатырь (или хлорид аммония NH₄Cl).

Многие комплексные соединения содержат в качестве лиганда аммиак. Аммиачный раствор оксида серебра, который используется для обнаружения альдегидов, представляет собой комплексное соединение — гидроксиддиаммин серебра.

Ag₂O + 4NH₃ + H₂O →2[Ag(NH₃)₂]OH

Соли аммония

Соли аммония — твёрдые кристаллические вещества, не имеющие окраски. Почти все они растворяются в воде, и им характерны все те же свойства, которые имеют известные нам соли металлов. Они взаимодействуют со щелочами, при этом выделяется аммиак.

NH₄Cl + KOH → KCl + NH₃ + H₂O

При этом, если дополнительно воспользоваться индикаторной бумагой, то эту реакцию можно использовать — как качественную реакцию на соли аммония. Соли аммония взаимодействуют с другими солями и кислотами. Например,

(NH₄)₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ + 2NH₄Cl

(NH₄)₂CO₃ + 2HCl₂ → 2NH₄Cl + CO₂ + H₂O

Соли аммония неустойчивы к нагреванию. Некоторые из них, например хлорид аммония (или нашатырь), — возгоняются (испаряются при нагревании), другие, например нитрит аммония, — разлагаются

NH₄Cl → NH₃ + HCl

NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O

Последняя химическая реакция — разложение нитрита аммония — используется в химических лабораториях для получения чистого азота.

Аммиак — это слабое основание, поэтому соли, образованные аммиаком в водном растворе подвергаются гидролизу. В растворах этих солей имеется большое количество ионов гидроксония, поэтому реакция солей аммония — кислая!

NH₄⁺ + H₂O → NH₃ + H₃O⁺

Применение аммиака и его солей основано на специфических свойствах. Аммиак служит сырьём для производства азотосодержащих веществ, а также в составе солей широко применяется в качестве минеральных удобрений. Водный раствор аммиака можно купить в аптеках под названием нашатырный спирт.

Аммиак – соединение, являющееся важнейшим источником азота для живых организмов, а также нашедшее применение в различных отраслях промышленности. Что такое аммиак, каковы его свойства? Давайте разберемся. Что такое аммиак: основные характеристики Аммиак (нитрид водовода) – соединение азота с водородом, имеющее химическую формулу Nh4. Форма молекулы напоминает тригональную пирамиду, в вершине которой расположен атом азота. что такое аммиак Аммиак представляет собой газ, не имеющий цвета, но обладающий резким специфическим запахом. Плотность аммиака почти в два раза меньше, чем плотность воздуха. При температуре 15 oC она составляет 0,73 кг/м3. Плотность аммиака жидкого в нормальных условиях равна 686 кг/м3. Молекулярная масса вещества — 17,2 г/моль. Отличительной особенностью аммиака является его высокая растворимость в воде. Так, при температуре 0 °C ее значение достигает около 1200 объемов в объеме воды, при 20 °C – 700 объемов. Раствор «аммиак — вода» (аммиачная вода) характеризуется слабощелочной реакцией и довольно уникальным свойством по сравнению с другими щелочами: с увеличением концентрации плотность снижается. Как образуется аммиак? Что такое аммиак в организме человека? Это конечный продукт азотистого обмена. Большую его часть печень конвертирует в мочевину (карбамид) – менее токсичное вещество. Аммиак в природных условиях образуется в результате разложения органических соединений, содержащих азот. Для использования в промышленности это вещество получают искусственным путем. Получение аммиака в промышленных и лабораторных условиях В промышленных условиях аммиак получают путем каталитического синтеза из азота и водорода: N2 + 3h3 → 2Nh4 + Q. Процесс получения вещества проводят при температуре 500 °C и давлении 350 атм. В качестве катализатора используется пористое железо. Полученный аммиак удаляется охлаждением. Азот и водород, которые не прореагировали, возвращаются на синтез. В лабораторных условиях аммиак получают в основном путем слабого нагревания смеси, состоящей из хлорида аммония и гашеной извести: 2Nh5Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2Nh4↑ + 2h3O. Для осушения готовое соединение пропускается через смесь извести и едкого натра. Довольно сухой аммиак можно получить путем растворения в нем металлического натрия и последующей перегонки. Где используется аммиак? Нитрид водорода широко применяется в различных отраслях промышленности. Огромные его количества используются для производства азотной кислоты и различных удобрений (мочевина, нитрат аммония и др.), полимеров, синильной кислоты, соды, аммониевых солей и других видов продукции химического производства. свойства аммиака В легкой промышленности свойства аммиака применяют при очистке и окрашивании таких тканей, как шелк, шерсть и хлопок. В сталелитейном производстве он используется для увеличения твердости стали путем насыщения ее поверхностных слоев азотом. В нефтехимической промышленности при помощи нитрида водорода нейтрализуют кислотные отходы. Благодаря своим термодинамическим свойствам жидкий аммиак используется в качестве хладагента в холодильном оборудовании. Раствор нитрида водорода (нашатырный спирт) применяется в медицине для выведения из обморочного состояния, стимуляции рвоты, для обработки рук медперсонала, при укусах насекомых и пр. плотность аммиака Некоторые химические свойства аммиака Нитрид водорода характеризуется довольно высокой химической активностью и способен вступать в реакции со многими веществами. При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соответствующие соли аммония. Так, к примеру, в результате реакции с азотной кислотой образуется аммиачная селитра: Nh4 + HNO3 → Nh5NO3. При взаимодействии с HCl образуется хлорид аммония: Nh4+ HCl → Nh5Cl. аммиак вода Соли аммония представляют собой твердые кристаллические вещества, разлагающиеся в воде и обладающие свойствами, присущими солям металлов. Растворы соединений, образованных в результате взаимодействия аммиака и сильных кислот, имеют слабокислую реакцию. За счет атомов азота нитрид водорода является активным восстановителем. Восстановительные свойства его проявляются при нагревании. При горении в атмосфере кислорода он образует азот и воду. В присутствии катализаторов взаимодействие с кислородом дает оксид азота. Нитрид водорода имеет способность восстанавливать металлы из оксидов. Галогены в результате реакции с аммиаком образуют галогениды азота – опасные взрывчатые вещества. При взаимодействии с карбоновыми кислотами и их производными нитрид водорода образует амиды. В реакциях с углем (при 1000 °С) и метаном он дает синильную кислоту. С ионами металлов аммиак образует аминокомплексы, или аммиакаты (комплексные соединения), имеющие характерную особенность: атом азота всегда связан с тремя атомами водорода. В результате комплексообразования меняется окраска вещества. Так, к примеру, голубой раствор медного купороса при добавлении нитрида водорода приобретает интенсивный сине-фиолетовый цвет. Многие из аминокомплексов обладают достаточной устойчивостью. Благодаря этому они могут быть получены в твердом виде. вещество аммиак В жидком аммиаке хорошо растворяются как ионные, так и неполярные неорганические и органические соединения. Санитарно-гигиенические характеристики Аммиак относят к четвертому классу опасности. Предельно допустимая максимально-разовая концентрация (ПДК) в воздухе населенных пунктов равна 0,2 мг/м3, среднесуточная – 0,04. В воздухе рабочей зоны содержание аммиака не должно быть выше 20 мг/м³. При таких концентрациях запах вещества не ощущается. Фиксироваться человеческим обонянием он начинает при 37 мг/м³. То есть если запах аммиака ощущается, это означает, что допустимые нормы нахождения вещества в воздухе значительно превышены. — Читайте подробнее на FB.ru: http://fb.ru/article/176513/chto-takoe-ammiak-formula-i-svoystva-ammiaka

Оборудование + Технология изготовления 2022

Аммиак (нитрид водорода, формула NH₃) при нормальных условиях — это бесцветный газ с резким характерным запахом. Он относится к числу важнейших продуктов химической промышленности. Его ежегодное мировое производство достигает 150 млн. тонн. В основном он используется для изготовлении 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, используется при обморочных состояниях (для возбуждения дыхания), для стимуляции рвоты, а также наружно — при невралгии, миозитах, укусах насекомых, для обработки рук хирурга. При неправильном использовании может вызвать ожоги пищевода и желудка (в случае приёма неразведённого раствора), рефлекторную остановку дыхания (при вдыхании в высокой концентрации).

Технология производства аммиака + видео как получают

В рамках этого направления сегодня многие компании стали заниматься разработкой и проектированием следующих технологий:

• Перевод избыточного количества аммиака на изготовление метанола.
• Разработка производства на основе современных технологий для подмены активных агрегатов.
• Создание интегрированного производства и модернизация.

На производство одной тонны аммиака в России расходуется в среднем 1200 нм³ природного газа, в Европе — 900 нм³. Белорусский «Гродно Азот» расходует 1200 нм³, после модернизации ожидается снижение расхода до 876 нм³. Украинские производители потребляют от 750 нм³ до 1170 нм³. По технологии UHDE заявляется потребление 6,7 — 7,4 Гкал энергоресурсов на тонну.

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃⁺ + 91,84 кДж

Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода). Реакция происходит с выделением тепла и понижением объёма. Следовательно, исходя из принципа Ле-Шателье, реакцию следует проводить при возможно низких температурах и при высоких давлениях — тогда равновесие будет смещено вправо. Однако скорость реакции при низких температурах ничтожно мала, а при высоких увеличивается скорость обратной реакции. Проведение реакции при очень высоких давлениях требует создания специального, выдерживающего высокое давление оборудования, а значит, и больших капиталовложений. Кроме того, равновесие реакции даже при 700°C устанавливается слишком медленно для практического её использования. Выход аммиака (в объёмных процентах) в процессе Габера при различных температурах и давлении имеет следующие значения:

	100 ат	300 ат	1000 ат	1500 ат	2000 ат	3500 ат
400 °C	25,12	47,00	79,82	88,54	93,07	97,73
450 °C	16,43	35,82	69,69	84,07	89,83	97,18
500 °C	10,61	26,44	57,47	Нет данных
550 °C	6,82	19,13	41,16

Применение катализатора (пористое железо с примесями Al2O3 и K2O) позволило ускорить достижение равновесного состояния. Интересно, что при поиске катализатора на эту роль пробовали более 20 тысяч различных веществ.

Учитывая все вышеприведённые факторы, процесс получения проводят при следующих условиях:

• температура 500 °C;
• давление 350 атмосфер;
• катализатор.

Выход аммиака при таких условиях составляет около 30%. В промышленных условиях использован принцип циркуляции — аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза. Это оказывается более экономичным, чем достижение более высокого выхода реакции за счёт повышения давления. Для его получения в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония:

NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + NaCl + H₂O

Обычно лабораторным способом аммиак получают слабым нагреванием смеси хлорида аммония с гашеной известью.

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O

Для осушения аммиака его пропускают через смесь извести с едким натром. Очень сухой можно получить, растворяя в нём металлический натрий и впоследствии перегоняя. Это лучше делать в системе, изготовленной из металла под вакуумом. Система должна выдерживать высокое давление (при комнатной температуре давление насыщенных паров около 10 атмосфер). На промышленном производстве обычно для сушки используют абсорбционные колонны.

Видео как делают:

Производство аммиака не должно обходить стороной технический прогресс. В основном это касается энергосбережения. В ходе разработки современных технологий большое значение отводится программному обеспечению, необходимому для моделирования химических и технологических процессов.

способы промышленного и лабораторного производства газа, формулы

Автор na5club На чтение 4 мин. Опубликовано 02.04.2020

Получение аммиака происходит различными методами. Этот процесс осуществляется как в лаборатории, так и на промышленном производстве. Легковесный газ с резким запахом состоит из азота и водорода. Чаще всего он используется для изготовления удобрений, полимеров и некоторых кислот.

История получения

Аммиак известен с давних времен. По сведениям ученых, свое название он получил в честь бога Амона, которого почитали в Древнем Египте. Образовывался газ в результате разложения мочевины в жарком климате. Резкий запах соединения египтяне связывали с культом божества.

В чистой форме аммиак h3+N2=Nh4+Q получил известный ученый Джозеф Луи Пристли. В своей лаборатории он нагревал хлорид аммония с гашеной известью. Такая схема до сих пор используется, если нужно получить на выходе небольшое количество газа. Полученный аммиак Пристли собирал надо ртутью. Раствор в водной основе имеет признаки щелочи.

В 1784 году французский химик Бертолле разложил аммиак на элементный состав. Спустя 3 года было утверждено официальное название «нашатырь». Оно сохраняется до сих пор в ряде западноевропейских языков.

Промышленный метод

Получение аммиака в промышленности происходит на основе азота, который соединяют с водородом. Последний берут из воды, азот набирают в воздухе. Метод разработал Фриц Габер. Сейчас процесс получения аммиака в производстве носит имя этого ученого.

Реакция 3h3+N2=2Nh4+Q происходит при понижении объема и выходе тепла. Поскольку она обратима, то необходимо соблюдать некоторые условия. Высокое давление и небольшие температуры способствуют повышению объема полученного аммиака, при этом происходит замедление процессов. Благодаря сохранившимся описаниям первых опытов удалось обеспечить необходимые параметры для создания реакций:

1. Температура должна достичь 500 °C.
2. Давление — 350 атмосфер.
3. В качестве катализатора выступает оксид железа (магнетит). К нему добавляют части оксида серебра, кальция и других веществ.

Газ, который удалось сделать в таких условиях, имеет 30% аммиака. Чтобы избежать обратной реакции, вещество требуется охладить, тогда оно превратится в жидкость. В то же время не до конца израсходованные газы будут возвращены в синтез. Тогда можно собрать аммиак в большом количестве с возможностью максимального использования полученного сырья.

Лабораторный способ

Лабораторный способ получения вещества обеспечивается благодаря действию щелочи на твердые соли аммония. Для этого используют формулу 2Nh5Cl+CaOh3=2Nh4+2h3O+c=CaCl2. Собирание проводят в перевернутую пробирку из-за воздуха, так как он легче по плотности. Распознавание происходит следующими методами:

• по запаху;
• лакмусовая бумажка окрасится в синий цвет;
• от поднесенной стеклянной палочки, смоченной в HCl, будет идти дым белого цвета.

Полностью осушить газ можно смесью извести и едкого натрия. Через нее пропустят получившуюся реакцию. С аналогичной целью жидкий аммиак перемешивается с металлическим натрием, после чего подвергается дистилляции. Благодаря этому будет легче распознать газ.

Химические свойства

Газ представляет собой довольно реакционное вещество. В таком виде Nh4 окисляется. Продукт окисления будет зависеть как от силы окислителя, так и от условий проведения реакции. Например, 8Nh4+3Cl2=N2+6Nh5Cl или 2Nh4+2Na=2NaNh3+h3.

Водный раствор обычно называют нашатырным спиртом. При этом его не относят к соответствующей группе, так как это неорганическое соединение. У химиков такой продукт называют гидроксидом аммония.

Также Nh4 относится к лигандам в комплексных соединениях. Его молекулы образовывают донорные связи как с водородом, так и с частью переходных металлов в виде меди или кобальта. Это приведет к появлению растворимых химикатов. Они применяются в качестве реактивов для качественного анализа.

Nh4 можно получить различными методами, которые описываются соответствующими уравнениями. В промышленных масштабах газ получают смешиванием азота и водорода. Благодаря своим свойствам его можно применять как на производстве, так и в лабораториях и рабочих условиях.

Примесь кислорода помогла электросинтезу аммиака

Simonov et al. / The Journal of Physical Chemistry C, 2021

Химики исследовали влияние кислорода на реакцию электрохимического получения аммиака. Они выяснили, что реакция протекает с большим выходом по току при небольшой примеси кислорода и объяснили это изменениями в приэлектродном слое. Добавка кислорода позволила повысить выход по току до рекордных 78 процентов, пишут ученые в Science.

Аммиак — исходное вещество для получения удобрений и источник активной формы азота для всей химической промышленности. Около 182 миллионов тонн аммиака в год получают с помощью процесса Габера — Боша: реакции азота с водородом на гетерогенном катализаторе. Водород для этого процесса получают риформингом метана, в результате которого образуется ~1,4 процента от всего выделяемого в атмосферу углекислого газа. Так, перед учеными стоит задача поиска менее энергозатратных и экологичных способов синтеза аммиака.

Первый реактор для промышленного синтеза аммиака по методу Габера-Боша

BASF Corporate History / Wikimedia Commons

Одним из таких способов стал электрохимический синтез. Например, один из наиболее перспективных методов — электрохимическое восстановление азота на поверхности металлического лития. Считается, что этот процесс протекает в три стадии: сначала происходит восстановление ионов лития до металла, затем молекулы азота адсорбируются на нем, диссоциируя на атомы, а сами атомы затем принимают электроны и протоны из среды с образованием аммиака. Последнее время исследования этого превращения страдают от трудностей в проведении эксперимента. Многие ученые публиковали статьи с хорошими результатами, ошибочно полученными из-за примесей в исходных реагентах.

Химики и физики под руководством Йенса Норскова (Jens K. Nørskov) и Иба Чоркендорфа (Ib Chorkendorff) из Датского технического университета решили исследовать влияние примеси кислорода на реакцию электрохимического восстановления аммиака. Они провели несколько экспериментов с разным содержанием кислорода в исходном азоте, при этом химики дополнительно очистили азот, зная о сильном влиянии даже малых количеств примесей.

В качестве электролита и источника лития ученые использовали раствор перхлората лития LiClO₄ в тетрагидрофуране. Рабочий электрод представлял собой молибденовую фольгу площадью 1,8 квадратного сантиметра. Химики определили площадь по току в конце каждого эксперимента и обнаружили уже знакомую картину: эффективность процесса падала при значительной примеси кислорода. Но, к удивлению ученых, выход по току значительно возрос при содержании кислорода около одного процента по объему.

Зависимость выхода по току от мольной доли кислорода в смеси

Chorkendorff et al. / Science, 2021

Авторы статьи отмечают, что этот экспериментальный факт оказался контринтуитивным: известно, что при добавке кислорода начинает протекать реакция его восстановления, которая мешает процессу синтеза и уменьшает выход по току. Тем не менее, эффективность синтеза действительно возросла, и химики выдвинули гипотезу о том, что из-за кислорода изменяется поверхность электрода, что, в свою очередь, влияет на скорость диффузии ионов. В частности, полученные результаты авторы объяснили уменьшенной скоростью диффузии ионов лития: они медленно подходят к электроду, образуя тонкий слой металла, но не конкурируют за электроны с адсорбированными атомами азота.

Рассчитанная зависимость выхода по току от скоростей диффузии различных ионов. Стрелкой показано замедление диффузии ионов лития и увеличение выхода по току в присутствии кислорода

Chorkendorff et al. / Science, 2021

Чтобы изучить изменения в приэлектродном слое, химики провели эксперименты по рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Оказалось, что при добавке 0,8 процента кислорода в спектре появляется интенсивный пик нитрида лития Li₃N — прямого предшественника аммиака. Этот результат подтвердил гипотезу о том, что именно при небольшой примеси кислорода поверхность рабочего электрода сильно изменяется.

В результате ученым удалось повысить выход по току электрохимического синтеза аммиака до рекордных 78 процентов при добавке одного мольного процента кислорода. Энергоэффективность процесса составила 11,7 процента. Также ученым удалось пролить свет на возможную роль кислорода в реакции и избавить химиков от необходимости очищать азот от малейших примесей кислорода перед электролизом (это необходимо, например, в процессе Габера — Боша).

Несмотря на развитие других методов, надежный и проверенный процесс Габера — Боша тоже стараются улучшать. Например, недавно мы рассказывали о разработке нового катализатора для этого процесса.

Михаил Бойм

Как получают водород в промышленности: способы выделения

Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.

Способы выделения водорода из соединений

Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:

• паровая конверсия метана и его гомологов;
• газификация кокса;
• электролитическое разложение воды.

Особенности работы оборудования для получения водорода

Метановый конвертор

Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.

Восстановление водорода происходит в два этапа.

• После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.
• В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.

Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.

Установка газификации кокса

Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода.Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.

Электролизеры

При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.

Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.

Промышленная техника

KSB – один из ведущих мировых производителей промышленных насосов и трубопроводной арматуры

Компания KSB, основанная в 1871 году во Франкентале (Германия), уже более 150 лет является одним из ведущих производителей и поставщиков насосов и трубопроводной арматуры. KSB — это глобальное предприятие со штатом более 15 000 человек по всему миру, представленное собственными производственными площадками, литейными заводами, дочерними предприятиями, торговыми компаниями и сервисными центрами более чем в 100 странах мира на 5 континентах. Мы разрабатываем и производим насосы для широкого спектра областей применения с учетом индивидуальных требований заказчиков. 

Являясь экспертом в области производства насосов, KSB предлагает широкий ассортимент продукции, в том числе для инженерного обеспечения зданий и сооружений, технологических процессов промышленных предприятий, водопроводно-канализационного хозяйства, энергетики и горнодобывающей промышленности. Благодаря инновационным исследованиям и разработкам оборудование KSB отвечает высоким требованиям заказчиков. Воспользуйтесь преимуществами многолетнего опыта и технических знаний всемирно признанного производителя насосов.

Оборудование KSB – лучшее решение для Вашей системы

Насосное оборудование и трубопроводная арматура KSB находят свое применение в широком спектре областей и обладают высокой энергоэффективностью. Инновационные технологии, многократные испытания на испытательных стендах, многолетние наработки и опыт эксплутации на объектах делают оборудование KSB неотъемлемой частью любых систем. Например, консольный насос Etanorm — самый востребованный стандартный водяной насос, объем продаж которого составил более 1,5 миллиона единиц по всему миру. Запасные части и сервисные услуги KSB гарантируют эксплуатационную надежность и долговечность насосного оборудования и трубопроводной арматуры . Формула успеха KSB —  технологическое превосходство, прочность и надежность проточных частей, материалов и систем автоматизации.

Компетентный сервис KSB

Распределение производственных мощностей обеспечивает близость KSB к потребителю и гарантирует первоклассный сервис. Профессиональная квалификация, подготовка и сертификация специалистов, а также наработанный опыт позволяют проводить диагностику, гарантийное и послегарантийное обслуживание и ремонт насосного оборудования, трубопроводной арматуры и комплексных систем. Специалисты сервисной службы KSB выполняют шефмонтаж, пусконаладку, ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание на месте эксплуатации. Они также проводят технические консультации и обучение персонала служб эксплуатации и сервиса на объектах. KSB гарантирует быструю поставку запасных частей. Это и есть лучший сервис непосредственно от производителя.

Аммиак составит конкуренцию природному газу / / Независимая газета

Химические способы хранения должны решить проблему создания безуглеродного мира

В мире только начали появляться экспериментальные предприятия по производству зеленого аммиака (на фото завод в Оксфорде). Фото с сайта www.seh.ox.ac.uk

Для большинства стран характерны сильные сезонные перепады спроса на энергию в зависимости от климатических и географических условий. В более холодных регионах самое активное потребление происходит зимой в сегменте отопления, а в более теплых – летом в сегменте кондиционирования. Например, в Великобритании, по данным Energy Research Partnership, в холодный период на отопление приходится около 25% энергетического спроса. При этом обычно пиковый сезонный спрос покрывается за счет углеводородов, которые государства успели накопить в своих хранилищах. В первую очередь речь идет о природном газе.

Эксперты Оксфордского института энергетических исследований отмечают, что по сценарию низкоуглеродного будущего углеводороды необходимо будет заменить зеленой электроэнергией, альтернативами с нулевыми выбросами при отсутствии экономических мощностей для захвата CO2 в процессе сгорания топлива. Но проблема в том, что поставки возобновляемой энергии невозможно стабильно наращивать или уменьшать в соответствии с изменением спроса.

В связи с этим встает вопрос долгосрочного хранения энергии. К поиску новых решений в этом направлении также подталкивают и возможные перебои с ее подачей. Особенно к этому чувствительны возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Ведь зачастую пиковый спрос совпадает с погодными условиями, которые снижают эффективность солнечных панелей и ветрогенераторов. К этому могут приводить обильные снегопады, высокое давление, песчаные бури и просто негативное воздействие температуры окружающей среды. Кроме того, изменение климата может вызвать увеличение периодов слабой ветрогенерации.

Еще одно препятствие на пути распространения зеленой энергии заключается в том, что наиболее дешевые и чистые с экологической точки зрения источники далеко не всегда находятся поблизости от центров спроса. Доставка такой энергии может быть связана с рядом технических трудностей и стоить достаточно дорого, а поэтому получается нерентабельной. Найти эффективный способ связать объект генерации с потребителями – задача не менее важная, чем декарбонизация в целом, считают в Оксфорде. Решить ее можно за счет хранения больших объемов энергии в транспортабельной форме. По мнению экспертов, несмотря на разнообразие способов хранения, будущее отрасли связано прежде всего с электрохимическим и химическим.

Основные технологии

Всего же выделяют четыре типа технологий хранения: электрический, электрохимический, механический и химический.

Электрический представляют сверхпроводники и суперконденсаторы. Сверхпроводники характеризуются высокой эффективностью, но относительно малым объемом хранения, низкой удельной электроемкостью, а также интенсивными ежедневными потерями энергии. Все это ограничивает возможности по их широкомасштабному внедрению в энергосистему. Более того, учитывая требуемые объемы, затраты будут неподъемными. Суперконденсаторы – не менее эффективный, но более экономичный вариант. Однако на данном этапе развития технологии они отлично подходят только для краткосрочного хранения энергии в небольших объемах.

Электрохимический включает четыре варианта: свинцово-кислые, литий-ионные, высокотемпературные и проточные редокс-аккумуляторы. Среди них литий-ионные обладают самой высокой эффективностью преобразования энергии и объемом хранения. Вслед за снижающейся ценой и повышающейся производительностью в будущем они могут упрочить свое доминирующее положение и открыть для себя новые рынки, полагают эксперты. Тем не менее в пользу распространения ванадиевых проточных батарей говорит то, что запасы ванадия в земной коре значительно превышают запасы лития. И все же обе технологии чрезвычайно дорогие, а объем энергии, который они могут хранить и транспортировать на большие расстояния, не сравнится с углеводородами. Другие два варианта совсем не подходят для широкого применения, их возможности в разы меньше.

Под механическим типом подразумеваются такие технологии, как маховиковый накопитель энергии, пневматический аккумулятор и гидроаккумуляция. Они имеют больше шансов на масштабное применение в экономике на базе углеродной нейтральности, так как стоимость их установки значительно ниже, чем у сверхпроводников и суперконденсаторов. Но, несмотря на высокую энергоемкость (80–200 Вт-ч/л) и эффективность преобразования энергии, маховиковые накопители, например, более-менее схожи с электрическими вариантами хранения по низкому объему (около 0,0001 ГВт-ч) и огромным ежедневным потерям (5–15% в час) хранимой энергии. Технологии пневматических батарей и гидроаккумуляции, в свою очередь, могут удачно сочетаться друг с другом и обеспечивать надежное долгосрочное хранение. Кстати, в масштабах энергосистемы гидроаккумуляция является наиболее распространенным решением. Вот только для транспортировки энергии эти технологии не годятся.

Химический тип в Оксфорде видят наиболее перспективным кандидатом для масштабного долгосрочного хранения энергии с возможностью транспортировки. И помимо популярного сегодня природного газа энергию можно также успешно хранить в форме водорода и аммиака. Применение последних будет расти по мере декарбонизации, считают ученые, так как традиционное голубое топливо не полностью соответствует текущим экологическим целям прогрессивных стран.

Преимущества и недостатки

У водорода и аммиака приблизительно одинаковые энергоемкость и стоимость, а вот удельная энергия на единицу объема у аммиака более чем на 50% выше. И это делает его более экономически привлекательным. Также аммиак проще и безопаснее (не столь легковоспламеняющийся) в обращении. Давление его насыщенных паров значительно более низкое (10 бар при 25 градусах Цельсия), и это снижает требования к контейнерам для перевозки. А благодаря точке кипения в 33,36 градуса Цельсия (у водорода – –252,9 градуса Цельсия) его легче сжижать и при транспортировке тратится меньше энергии. Кроме того, резкий запах аммиака полезен для быстрого обнаружения утечек.

Эксперты подчеркивают, что внедрить аммиак в энергосистему можно максимально быстро. Объясняется это тем, что вещество сейчас широко используется и производится в больших объемах, поэтому необходимая для его содержания и передачи инфраструктура, а также законодательное и техническое регулирование уже существуют. Да и способы его транспортировки весьма разнообразны: трубопроводы, железная дорога, грузовой автотранспорт, баржи и корабли. Так что масштабное инвестирование не понадобится.

При условии производства с нулевыми выбросами парниковых газов этот ресурс может стать важным элементом декарбонизированной экономики будущего. Хотя в данный момент аммиак чаще всего получают путем парового риформинга, при котором в качестве основного топлива используется природный газ или уголь. Чтобы производство без выбросов стало более популярным, оно еще должно доказать свою экономическую эффективность.

Но у этого чудо-вещества есть и серьезные недостатки. Если для транспортировки более низкий уровень воспламеняемости – это плюс, то для использования напрямую в системе сжигания топлива – минус. Еще одну проблему при таком применении аммиака составляют выбросы оксидов азота. Чтобы их избежать, требуются более совершенные технологии, а это дополнительные затраты.

Также до сих пор не налажено стабильное производство зеленого аммиака. Пилотные проекты на основе электролиза в Великобритании и Японии только недавно начали работу. О строительстве демонстрационных заводов заявили в Австралии, Дании, Марокко и Нидерландах. До промышленных масштабов пока далеко.

Плюс ко всему аммиак токсичен, а значит, на всех этапах от производства до потребления необходим строгий контроль за его хранением. Его утечка может создать серьезную угрозу здоровью людей и условия для загрязнения водоемов водорослями, так как он быстро растворяется в воде. Еще смесь аммиака и воздуха при сильном нагревании может взорваться, что требует постоянного контроля за температурным режимом.

Для обеспечения особых условий безопасности, проведения тренингов по обращению с аммиаком, просветительской работы среди населения, а также установки жесткого контроля, без сомнения, понадобятся немалые финансовые вложения, предупреждают эксперты.

Производственный процесс

По данным Геологической службы США, с 2000 года мировое производство аммиака активно растет. Он востребован на внутренних и внешних рынках, так как выступает важным азотосодержащим компонентом в создании удобрений. На эти цели идет около 80% всего аммиака. При этом от удобрений на базе аммиака зависит около половины мирового урожая. С ростом населения планеты эти показатели будут только расти.

Также аммиак широко применяется в химической промышленности и смежных отраслях в качестве прекурсора для азотсодержащих веществ (в том числе взрывчатых, таких как нитрат аммония). В текстильной промышленности с его помощью смягчают хлопок и выпускают синтетические ткани, а фармацевтике – изготавливают антибактериальные препараты.

Из-за столь высокой востребованности для экспериментов в сфере энергетики сырья практически не остается. Между тем при определенных условиях у него есть потенциал не только в системах сжигания топлива. С развитием технологических процессов он может стать привлекательным источником энергии для транспорта и даже альтернативой флотскому мазуту. Однако суда придется под него приспосабливать, так как аммиак занимает значительно больше места, чем мазут, хоть и меньше, чем водород.

Еще один необычный вариант – аммиак как средство хранения водорода (его там 17,5%). Транспортировать его в таком виде должно быть проще и дешевле.

Сегодня весь процесс выработки аммиака сосредоточен в одном месте, как правило, каждый завод проводит все три стадии производства. И топливо на всех этапах одно, в большинстве случаев это природный газ. Получение аммиака таким традиционным способом (путем парового риформинга, воздушной сепарации и методом Габера–Боша) стало причиной 1,44% мировых выбросов парниковых газов. Поэтому перевод этого сегмента на технологии, не связанные с углеводородами, и которые не выделяют СО2 в атмосферу, эксперты считают одним из средств более быстрого построения зеленой экономики.

Переключение с углеводородов на электричество, вырабатываемое атомными или ВИЭ-электростанциями, не повысит эффективность метода Габера–Боша, но сократит выбросы приблизительно на треть. Но если перевести на электричество и предшествующие стадии, вместе с позитивной для экологии переменой повысится эффективность. В частности, замена парового риформинга на электролиз позволит получать более чистый водород, что поможет избежать неактивации катализаторов.

Ключевыми элементами озеленения производства аммиака оксфордские ученые называют электричество, капитальные вложения, а также эксплуатацию и техническое обслуживание.

Причем доля электричества здесь серьезно перевешивает. Для крупных установок от него зависит около 80% конечной стоимости, а для малых – около 70%. На данном этапе, если взять максимально низкие цены на электричество, производство зеленого аммиака на крупном предприятии будет менее выгодным, чем традиционное на таком же крупном или среднем заводе.

Но малые форматы становятся все более и более жизнеспособными по мере переориентации отрасли на устойчивые технологии и возобновляемые источники энергии. В регионах, где климатические условия позволяют устанавливать ультранизкие тарифы на зеленую электроэнергию (от солнечной или ветрогенерации), небольшие заводы могут посоревноваться в экономической эффективности с предприятиями такого же масштаба, использующими традиционные методы производства. Пока что таких мест немного, отмечают эксперты, но с развитием технологии эта практика может распространиться по всему миру. К снижению затрат и стоимости конечного продукта также может привести децентрализация производства аммиака – разведение разных стадий на отдельные более мелкие предприятия.

Свою лепту в популяризацию подобных проектов может внести увеличение мирового спроса на аммиак и инициативы правительств, направленные на декарбонизацию. Это могут быть ограничения по объему выбросов парниковых газов, углеродные налоги, субсидии, налоговые послабления для инвесторов и многое другое. В конце концов распространение зеленого аммиака может стать решающим фактором в деле сокращения эмиссий СО2 и перехода мировой экономики к углеродной нейтральности. 

Статья подготовлена на основе материалов Оксфордского института энергетических исследований.

Аммиак

Производство аммиака имеет решающее значение для мирового сельского хозяйства, поскольку из него производятся все азотсодержащие удобрения.

 

Использование аммиака

Производство удобрений является наиболее важным применением аммиака. К ним относятся мочевина, соли аммония (фосфаты аммония, нитрат аммония, известково-аммиачная селитра) и растворы аммиака.

Рисунок 1 Использование аммиака.

Все большее количество аммиака, хотя и небольшое по сравнению с другими видами применения, используется в виде концентрированного раствора для борьбы с выбросами оксидов азота на электростанциях.

Годовое производство аммиака

Аммиак занимает второе место после серной кислоты как химическое вещество с наибольшим тоннажем. Его все чаще производят в странах с дешевыми источниками природного газа и угля (на Китай и Россию приходится из них 40%). Крупнейшие заводы производят около 3000 тонн в день, и есть планы по строительству заводов, производящих 4000-5000 тонн в день, что означает, что весь мировой объем производства может быть обеспечен 100 такими установками. Текущее производство:

Мир	146 миллионов тонн
Китай	48 миллионов тонн
Россия	12 миллионов тонн
Индия	11 миллионов тонн
У.С.	9 миллионов тонн
Индонезия	5 миллионов тонн
Тринидад и Тобаго	5 миллионов тонн
Украина	4 миллиона тонн

Данные из:
Геологическая служба США, сводки по минеральным товарам, 2016 г.

Увеличение тоннажа производимого аммиака идет в ногу с увеличением населения мира и повышением уровня жизни.Ожидается, что к 2018 году потребность в аммиаке увеличится почти до 200 млн тонн ¹ .
1. Международная ассоциация производителей удобрений, 2014 г.

Производство аммиака

Производство аммиака из азота и водорода осуществляется в две основные стадии:

а) производство водорода

б) синтез аммиака (процесс Габера)

Производство водорода включает несколько различных процессов. На рис. 2 показана их последовательность и расположение на заводе по производству аммиака (этапы 1–5).Также показан конвертер, используемый для получения аммиака из водорода (шаг 6). Что происходит на каждом из этих шагов, описано ниже рисунка.

Рисунок 2. Завод по производству аммиака в Западной Австралии: 1 Установки десульфурации 2 Установка первичного риформинга 3 Высокотемпературные и низкотемпературные реакторы конверсии 4 Абсорбер диоксида углерода 5 Отпарная колонна диоксида углерода (извлечение чистого растворителя, этаноламина) 6 Конвертер аммиака 7 Хранение аммиака в виде жидкости 8 корабль на экспорт С любезного разрешения Yara International ASA.

 

(a) Производство водорода

Водород производится из различных видов сырья, в основном из природного газа, угля или нафты. Способы получения водорода из этого сырья рассматриваются отдельно.

Водород из природного газа (метан)

Это включает два этапа:

и) производство синтез-газа (смеси монооксида углерода и водорода (паровой риформинг))

ii) удаление монооксида углерода и получение смеси водорода и азота (реакция сдвига)

(i) Производство синтез-газа

Каким бы способом ни был получен метан, он будет содержать некоторые органические соединения серы и сероводород, оба из которых должны быть удалены.В противном случае они отравят катализатор, необходимый при производстве синтез-газа. В установке десульфурации органические соединения серы часто сначала превращают в сероводород перед реакцией с оксидом цинка. Сырье смешивают с водородом и пропускают через катализатор из смешанных оксидов кобальта и молибдена на инертном носителе (специально обработанный оксид алюминия) при ок. 700 К.

Затем газы пропускают над оксидом цинка при ca 700 K и удаляют сероводород:

Первичный паровой риформинг превращает метан и пар в синтез-газ, смесь монооксида углерода и водорода:

Высокие температуры и низкие давления способствуют образованию продуктов (принцип Ле Шателье).На практике реагенты пропускают через катализатор из никеля, тонкодисперсный на поверхности носителя из оксида кальция/оксида алюминия, содержащегося в вертикальных трубках из никелевого сплава. Трубки, до 350 параллельно, нагреваются в печи выше 1000 К и под давлением ca 30 атм. Это пример трубчатого реактора.

Вторичный паровой риформинг включает реакцию кислорода воздуха с некоторым количеством присутствующего водорода, и полученную смесь пропускают через никелевый катализатор.Пар и тепло, получаемые при сгорании, преобразуют большую часть остаточного метана. Среди ключевых реакций:

Газ, выходящий из этой чистой экзотермической стадии, имеет температуру ca 1200 K и охлаждается в теплообменниках. Пар, образующийся из воды, используемой для охлаждения газов, используется для работы турбин и, таким образом, компрессоров, а также для предварительного нагрева реагентов.

В некоторых современных конструкциях отработанное тепло установки вторичного риформинга используется непосредственно для обеспечения теплом установки первичного риформинга.
На этой стадии газ содержит водород, азот, монооксид и диоксид углерода и около 0,25% метана. Поскольку воздух содержит 1% аргона, он также накапливается в синтез-газе.

(ii) Реакция сдвига

Этот процесс превращает монооксид углерода в диоксид углерода, при этом образуется больше водорода.

Проходит в два этапа. В первом, реакции высокотемпературной конверсии , газ смешивают с водяным паром и пропускают через катализатор на основе оксида железа/хрома (III) при приблизительно 700 К в реакторе с неподвижным слоем.Это снижает концентрацию угарного газа с 11%:

На второй стадии, низкотемпературная реакция конверсии , смесь газов пропускают над медно-цинковым катализатором при приблизительно 500 K. Концентрация монооксида углерода дополнительно снижается до 0,2%.

Реакцию проводят в две стадии по нескольким причинам. Реакция экзотермическая. Однако при высокой температуре концентрация монооксида углерода на выходе все еще довольно высока из-за регулирования равновесия.Медный катализатор, используемый на низкотемпературной стадии, очень чувствителен к высоким температурам и не может эффективно работать на высокотемпературной стадии. Таким образом, основную часть реакции проводят при высокой температуре, чтобы восстановить большую часть тепла. Затем газ удаляют при низкой температуре, когда равновесие гораздо более благоприятное, на очень активном, но нестабильном медном катализаторе.

Газовая смесь теперь содержит около 18% диоксида углерода, который удаляется путем очистки газа раствором основания с использованием одного из нескольких доступных методов.Одним из предпочтительных является органическое основание (в поглотителе углекислого газа ), раствор этаноламина, часто 2,2′-(метилимино)бис-этанол (N-метилдиэтаноламин).

Углекислый газ высвобождается при нагревании раствора в десорбере углекислого газа ). Большая часть его сжижается и продается, например, для газированных напитков, в качестве охлаждающей жидкости для атомных электростанций и для стимулирования роста растений в теплицах.

Последние следы оксидов углерода удаляются пропусканием газов над никелевым катализатором при 600 К:

Этот процесс известен как метанирование.Получается газ типичного состава: 74% водорода, 25% азота, 1% метана вместе с небольшим количеством аргона.

Водород из нафты

Если в качестве сырья используется нафта, необходима дополнительная стадия риформинга. Нафту нагревают до образования пара, смешивают с паром и пропускают через трубы, нагревают до 750 К и наполняют катализатором, состоящим из никеля, нанесенного на смесь оксидов алюминия и магния. Основным продуктом является метан вместе с оксидами углерода, который затем перерабатывается паровой конверсией, как если бы это был природный газ, с последующей реакцией конверсии.

Водород из угля

Если используется уголь, то его сначала тонко измельчают и нагревают в атмосфере кислорода и пара. Часть угля очень быстро сгорает в кислороде (менее 0,1 с), вызывая повышение температуры в топке, а остальная часть угля вступает в реакцию с паром:

Выбрасываемый газ содержит около 55 % монооксида углерода, 30 % водорода, 10 % диоксида углерода и небольшое количество метана и других углеводородов. Эту смесь обрабатывают реакцией сдвига.

Основные проблемы использования угля включают большое количество двуокиси и триоксида серы, образующихся при сжигании угля, а также значительное количество других примесей, таких как мышьяк и бром, которые очень вредны для атмосферы и являются сильными ядами для катализаторы в процессе. Также существует огромная проблема с утилизацией золы.

Водород из биомассы

Синтез-газ можно производить из биомассы. Процесс изложен в блоке по биопереработке.

(b) Производство аммиака (процесс Габера)

В основе процесса лежит реакция между водородом и азотом в реакторе с неподвижным слоем. Газы в стехиометрических пропорциях нагревают и пропускают под давлением над катализатором (рис. 3).

 

 

Рис. 3 Схема, иллюстрирующая обычный реактор синтеза (конвертер).

Доля аммиака в равновесной смеси увеличивается с повышением давления и понижением температуры (принцип Ле Шателье).Количественные данные приведены в таблице 1. Для получения приемлемого выхода и подходящей скорости используют высокое давление, умеренные температуры и катализатор.

Давление / банкомат	Процент аммиака, присутствующие при равновесии в диапазоне температур
	1	373 K	473 K	573 K	673 K	773 K	973 K	973 K	973 K	973 К
10	—	50.7	14,7	3,9	1,2	0,2
25	91,7	63,6	27,4	8,7	2,9	—
50	94,5	74,0	39,5	15,3	5,6	1,1
100	96.7	81,7	52,5	25,2	10,6	2,2
200	98,4	89,0	66,7	38,8	18,3	—
400	99,4	94,6	79,7	55,4	31,9	—
1000	—	98.3	92,6	79,8	57,5 ​​	12,9

 Таблица 1 Объемное процентное содержание аммиака в равновесной смеси для реакции
между азотом и водородом в диапазоне температур и давлений.

 

В зависимости от конструкции реактора используется широкий диапазон условий. Используемые температуры варьируются от 600 до 700 К, а давление — от 100 до 200 атмосфер.Проводится большая работа по повышению эффективности катализатора, чтобы можно было использовать давление до 50 атмосфер.

Поскольку реакция является экзотермической, добавляют холодные реагенты (азот и водород) для снижения температуры реакторов (рис. 3).

Аммиак обычно хранится на месте (шаг 7) и перекачивается в другую часть предприятия, где он превращается в удобрение (мочевину или соль аммония). Однако иногда его перевозят морем (рис. 4) или автомобильным транспортом для использования на другом заводе.

 

Рисунок 4 На заводе в Западной Австралии аммиак транспортируется по трубопроводу в ближайшую гавань (Рисунок 2, шаг 8) и перевозится на корабле. Этот перевозит около 40 000 тонн сжиженного аммиака. С любезного разрешения Yara International ASA.

 

Исходным катализатором, который использовал Габер, был Fe ₃ O ₄ , который восстанавливался реагентом водородом до железа.Была проделана большая работа по улучшению катализатора, и было обнаружено, что небольшое количество гидроксида калия эффективно в качестве промотора.

В последнее время исследования были сосредоточены на поиске еще более эффективных катализаторов, позволяющих проводить процесс при более низких давлениях и температурах. Перспективен рутений на поверхности графита.

Рисунок 5 Производство аммиака.

Постскриптум

Процесс Габера настолько важен для нашей жизни, что за почти 90-летний период он фигурировал в трех Нобелевских премиях по химии, все немецким ученым, что является выдающимся достижением.

Первый был подарен в 1918 году Фрицу Габеру, химику, разработавшему этот процесс в лаборатории. Второй был Карл Бош, чьи блестящие инженерные навыки сделали процесс жизнеспособным в массовом масштабе, но который ждал своей награды до 1931 года.

В 2007 году Герхард Эртль был удостоен премии за работу по катализу газообразных реакций на твердых телах. Среди широкого круга изученных им реакций он получил доказательства адсорбции молекул азота и молекул водорода на поверхности железа и того, что эти адсорбированные молекулы диссоциируют на атомы.Затем эти атомы поэтапно объединяются, образуя молекулу аммиака. Следует помнить, что условия, используемые в этих исследованиях (менее 10 ^-10 атм), сильно отличаются от условий, используемых в промышленности, ca 150 атм.

Резюме

Весь процесс производства аммиака из метана показан на рисунке 5. Если исходным сырьем является уголь или нафта, необходимы дополнительные процессы. Нафта превращается в метан и оксиды углерода перед подачей в установку первичного риформинга, а оттуда в реакцию конверсии.Уголь также превращается в водород и оксиды углерода, и эта смесь затем подвергается реакции конверсии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дата последнего изменения: 18 октября 2016 г.

Университет Райса | arpa-e.energy.gov

• Системы Bigwood — Глобально-оптимальный поток мощности (G-OPF)
• Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт) – катализ, усиленный акустическими волнами.
• Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт) – Наномеханика электроосажденного лития
• Citrine Informatics — машинное обучение для твердых ионных проводников
• Колорадская горная школа – открытие термоэлектрических материалов
• Колорадская горная школа – Мембранный реактор синтеза аммиака
• Колумбийский университет – совместное производство топлива в процессе биовыщелачивания меди
• Колумбийский университет — встроенный адаптер питания
• Колумбийский университет – Вычисления с помощью кремниевой фотоники
• Корнельский университет – Вторичные литий-металлические батареи
• Cree Fayetteville — алмазные конденсаторы для силовой электроники
• Институт газовых технологий (ГТИ) — Мягкое окисление метана
• GeneSiC Semiconductor — новые транзисторы на основе нитрида галлия
• Университет Джорджа Вашингтона (GWU) – перенос печатных виртуальных носителей
• Корпорация Технологических Исследований Джорджии — полые волокна для разделения
• Grid Logic — наноструктурированные порошки ядра/оболочки для магнитов
• Гарвардский университет – Технология безтранзисторного источника питания
• Гарвардский университет – Разработка морских глубин для микробного этано- и пропаногенеза
• Hi Fidelity Genetics — фенотипирование корней растений
• Inventev — Генератор электроэнергии на основе трансмиссии
• Университет штата Айова (ISU) – Каталитический автотермический пиролиз
• Университет Джонса Хопкинса – Углеродное волокно из метана
• Университет Джонса Хопкинса – Адсорбционное сжатие химических реакций
• Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (LBNL) – ТОТЭ на металлической опоре для транспортных средств
• Нью-Йоркский университет (NYU) – Динамика сетки от City Light
• Северо-восточный университет – материалы для магнитокалорических приложений
• Северо-восточный университет – Преобразователь мощности для фотоэлектрических систем
• Университет штата Орегон (OSU) – Программа сравнительного анализа домашних генераторов
• Otherlab — визуализация данных об энергопотреблении
• Исследовательский центр Пало-Альто (PARC) – Термоэлектрические генераторы большой площади
• Princeton Optronics — разработка нового типа системы лазерного зажигания
• Принстонский университет — Акустический анализ для тестирования аккумуляторов
• Университет Пердью – Легкие металлические конструкции с биоактивацией
• Qromis — надежный GaN-переключатель с самозажимом
• Ricardo – Снижение входных барьеров в отношении капитальных затрат в автомобильной отрасли
• Университет Райса – Биологическое производство аммиака
• Saint-Gobain Ceramics & Plastics – Высокотемпературная керамика для производства солнечного топлива
• Sandia National Laboratories — преобразование энергии с помощью фотопроводящих переключателей
• Sandia National Laboratories – повышающие преобразователи с высоким коэффициентом усиления
• Signetron — Аудит мобильных зданий
• Космические орбитальные службы — низкотемпературная конверсия метана посредством ударных катализаторов из обычных сплавов
• Стэнфордский университет – CO2 для синтеза товарных полимеров
• Tandem PV — разблокировать перовскитовые фотоэлектрические элементы.
• Tetramer Technologies — АЭМ с повышенной стабильностью при высоких температурах
• Техасский технический университет – твердотельные нейтронные детекторы
• Исследовательский центр United Technologies (UTRC) – Проектирование сверхэффективных тепложидкостных компонентов.
• Исследовательский центр United Technologies (UTRC) – Высокопроизводительные транспортные окислительно-восстановительные ячейки с воздушным потоком
• Калифорнийский университет в Сан-Диего (UC San Diego) – Производство крупногабаритных деталей LOCH
• Калифорнийский университет в Сан-Диего (UC San Diego) – Новые электролиты
• Университет Колорадо, Боулдер (CU-Boulder) – Емкостная беспроводная система питания
• Университет Мэриленда (UMD) – Электрохимическое сжатие аммиака
• Университет Мэриленда (UMD) – Токосъемники для водных батарей
• Университет Мэриленда (UMD) – Теплообменники нового поколения с воздушным охлаждением
• Университет Мэриленда (UMD) – Высокопроизводительные углеродные проволоки
• Мичиганский университет – Настольный рост высококачественных тонкопленочных фотогальванических элементов
• Университет штата Небраска, Линкольн (UNL) – Электромагнитный индукционный преобразователь мощности
• Университет Теннесси, Ноксвилл (Юта) – Реверсивные воздушные батареи
• Вашингтонский университет (UW) – термоядерная плазма со стабильной намагниченной мишенью
• Государственный университет штата Юта (УрГУ) – технико-экономический анализ электрических дорог.

Синтез аммиака при низком давлении

Реферат

Аммиак можно синтезировать при низком давлении с использованием селективного абсорбента аммиака.Процесс может осуществляться за счет энергии ветра, доступной в районах, где требуется аммиак для синтетических удобрений. Такую энергию ветра часто называют «бесполезной», потому что она доступна только вдали от населенных пунктов, где ее можно использовать напрямую.

В предлагаемом процессе низкого давления азот производится из воздуха с использованием абсорбции при переменном давлении, а водород производится путем электролиза воды. Хотя эти газы могут реагировать примерно при 400 ° C в присутствии промотированного обычного катализатора, конверсия часто ограничивается обратной реакцией, что делает эту реакцию возможной только при высоких давлениях.Это ограничение может быть снято абсорбцией амминоподобным хлоридом кальция или магния. Такие галогениды щелочных металлов могут эффективно удалять аммиак, подавляя тем самым равновесные ограничения реакции. В предлагаемом процессе синтеза аммиака с усиленной абсорбцией скорость реакции может регулироваться не химической кинетикой или скоростью абсорбции, а скоростью рециркуляции непрореагировавших газов. Результаты выгодно отличаются от аммиака, полученного в обычном мелкосерийном процессе Габера-Боша.

Ключевые слова: Биоинженерия, Выпуск 126, Синтез аммиака, низкое давление, Габер-Бош, энергия ветра, малые масштабы, устойчивый процесс, бесхозная энергия, распределенное производство.

Введение

Аммиак является ключевым промышленным химическим веществом. Он производится с помощью процесса Габера-Боша, известного как одно из самых важных нововведений 20 900 58 900 60 века1,2. Синтез аммиака осуществляется в присутствии гетерогенного катализатора при повышенных температурах (> 375 °С) и давлениях (> 100 бар)3.Такие высокие требования к температуре и давлению делают синтез аммиака очень энергоемким и капиталоемким. Ежегодно производится около 150 миллионов тонн аммиака4, что составляет 1-3% мирового потребления энергии, 5% потребления природного газа и до 3% выбросов изменяющих климат газов5,6,7.

Аммиак имеет два основных потенциальных применения. Во-первых, аммиак является синтетическим азотным удобрением1. Без этого удобрения половина нынешнего населения не имела бы доступа к достаточному количеству продовольствия.Во-вторых, аммиак может служить переносчиком энергии либо в качестве углеродно-нейтрального жидкого топлива, либо в качестве косвенного носителя водорода8,9,10,11. Как правило, возобновляемые ресурсы ( например, ветер) имеются в малонаселенных сельских районах, где их можно использовать; этот тип изолированной энергии ветра и солнца называется «мель». В этом сценарии электрическая и тепловая энергия от возобновляемого источника энергии преобразуется в энергоемкий жидкий аммиак с нулевым содержанием углерода. Полученный жидкий аммиак затем может быть доставлен в городские центры, где он может быть непосредственно использован в топливных элементах на основе аммиака12 и двигателях внутреннего сгорания13 или может быть разложен на водород, а затем использован в водородных топливных элементах или водородных станциях.В результате мы можем перенести ветер американских прерий в многолюдные городские районы США

В основном из-за использования удобрений производство аммиака является основной отраслью. При комнатной температуре реакция синтеза аммиака является экзотермической и, следовательно, по крайней мере, в принципе, самопроизвольной14, однако проведение реакции в условиях окружающей среды чрезвычайно затруднено из-за сильной азот-азотной связи15. Чтобы преодолеть это, Фриц Габер, как известно, использовал высокие температуры для достижения быстрой кинетики, но эти высокие температуры означали, что обратная реакция подавляла производство.Чтобы уменьшить ингибирование этой обратной реакции, Габер использовал высокое давление для улучшения конверсии. Он провел масштабную реакцию в орудийном стволе, который до сих пор украшает завод BASF в Людвигсхафене.

Необходимость использовать как высокую температуру, так и давление, в то время как реакция могла бы протекать в гораздо более скромных условиях, разочаровывала химиков более века2. Даже после того, как процесс был коммерциализирован, Карл Бош и огромная группа сотрудников BASF просмотрели всю таблицу Менделеева в поисках лучших катализаторов.Хотя Bosch не добился больших успехов, поиски все еще продолжаются. Еще в прошлом году была инициирована новая исследовательская программа, направленная на поиск нового катализатора16,17. Подробная химия синтеза аммиака в настоящее время хорошо изучена14, и если поиск нового катализатора увенчается успехом, усилия, безусловно, окупятся. Однако, на наш взгляд, прошлые неудачи снижают шансы на успех в будущем.

В следующем тексте описывается маломасштабный процесс синтеза аммиака и объясняется мотивация исследования альтернативного процесса.

Мелкомасштабный процесс:

Аммиак, вырабатываемый ветром Мы совершенствуем процесс Габера-Боша для синтеза аммиака, ищем гораздо меньший, более простой процесс, который может работать локально, но производит незначительное количество углекислого газа. Возможность местного производства аммиака с помощью ветра уже была продемонстрирована на экспериментальной установке, расположенной в Моррисе, штат Миннесота, и показанной на рис. 1 . Миннесоты.На хребте необычайно устойчивый, сильный ветер, перекатывающий по прерии. В результате это Мекка для ветровой электроэнергии.

С помощью этого электричества мы уже производим аммиак из ветра, используя эту установку, которая в сорок тысяч раз меньше, чем существующие коммерческие операции по ископаемому топливу. Некоторое количество электроэнергии, вырабатываемой ветром, используется для получения азота из воздуха путем адсорбции при переменном давлении — установленного метода разделения воздуха, используемого, например, для пациентов с эмфиземой, которым нужен воздух, обогащенный кислородом.Однако больше электроэнергии используется для производства водорода путем электролиза воды. Эти газы объединяются над обычным катализатором в процессе, схематично показанном на рис. 2 . После реакции газы разделяют охлаждением для конденсации жидкого аммиака. Непрореагировавшие газы, а также несконденсированный аммиак возвращаются в цикл.

Подробная информация об экспериментальной установке На нашей экспериментальной установке, экспериментальной установке по производству возобновляемого водорода и аммиака Университета Миннесоты, электроэнергия обеспечивается совместным расположением 1.Ветрогенератор мощностью 65 МВт. Пилотная установка использует примерно 10% вырабатываемой электроэнергии, а оставшаяся мощность используется в кампусе Миннесотского университета в Моррисе.

В системе производства водорода используются электролизер, бустерный компрессор и термический охладитель. Эта система производит 0,54 кг газообразного водорода в час, который хранится при давлении 2400 фунтов на квадратный дюйм, используя 24 кВтч электроэнергии. Вода из собственной скважины очищается с помощью системы обратного осмоса и деионизации. Далее вода подается в электролизер со скоростью до 15 л/ч.Азот вырабатывается с помощью генератора азота, предварительного воздушного компрессора, осушителя воздуха и дожимного компрессора. Газообразный азот хранится при давлении 2400 фунтов на квадратный дюйм с использованием примерно 6 кВтч электроэнергии.

Синтез аммиака использует специальную установку. Он включает в себя компрессор, реактор, холодильный контур охлаждения и электронагреватель мощностью 20 кВт. Блок использует около 28 кВтч электроэнергии для производства 2,7 кг аммиака в час, который затем хранится при давлении 150 фунтов на квадратный дюйм. Процесс производства аммиака контролируется встроенными системами ПЛК и ЧМИ.Произведенный водород и азот хранятся на площадке в 18 резервуарах для хранения азота и 54 резервуарах для хранения водорода. Аммиак также хранится на месте в сосуде на 3100 галлонов.

Ветрогенерация стоит дорого Электричество для этого процесса производится из ветра, поэтому топливо для производства аммиака бесплатное, без использования ископаемого топлива. Однако в капитальных затратах на эту пилотную установку преобладают инвестиции в производство водорода и синтез аммиака. На сегодняшний день операции показывают, что стоимость мелкомасштабного производства аммиака примерно вдвое превышает стоимость обычного аммиака на основе ископаемого топлива.Хотя мы продолжаем оптимизировать наш процесс, мы считаем, что аммиак, производимый небольшими ветровыми установками, не будет конкурентоспособным при текущих ценах на природный газ. Капитальные затраты на массу произведенного аммиака могут быть снижены за счет более крупного традиционного процесса или альтернативного процесса, подобного описанному далее в этой статье.

Процесс абсорбции:

Абсорбция увеличивает производство Катализатор, используемый для синтеза аммиака, практически не изменился за последнее столетие19.В связи с этим в данном исследовании мы использовали другой подход. Мы применяем текущий катализатор и рабочую температуру, но поглощаем аммиак при умеренном давлении, как только он образуется. Мы перерабатываем любой непрореагировавший водород и азот. Процесс схематически подобен рис. 3 , подобен обычному процессу, но с абсорбером с насадкой вместо конденсатора.

Кинетика начальной реакции не меняется Эксперименты с этой системой при низкой конверсии показывают начальную скорость реакции, которая согласуется со многими более ранними исследованиями этой системы3,14,15,20,21,22,23, как показано на рис. Рисунок 4 .На левой панели показаны начальные скорости, которые сильно зависят от температуры. Хотя эти скорости также меняются в зависимости от давления, изменения меньше, как показано на правой панели. В нашем новом процессе мы используем тот же катализатор и аналогичные рабочие условия, но ищем способы улучшить производство аммиака за счет использования абсорбции при более низком давлении. Таким образом, мы надеемся снизить капитальные затраты на синтез аммиака.

Абсорбция повышает конверсию В нашей работе мы заменили конденсатор в малом процессе насадочным слоем, представляющим собой цилиндрический сосуд, заполненный мелкими частицами абсорбента.Мы выделили абсорбенты, изготовленные в основном из хлорида магния и хлорида кальция11,24. Такие аммиачные абсорбенты обладают двумя эффектами. Во-первых, они снижают концентрацию аммиака в рециркулируемых газах почти до нуля. Во-вторых, они эффективно сокращают время разделения практически до нуля. Эта стратегия продуктивна25,26,27. Например, на рис. 5 мы показываем, что скорость образования аммиака, пропорциональная падению общего давления в системе, при абсорбции намного больше, чем без нее.В частности, реакция при 90 бар, показанная красными кружками, является менее полной, чем реакция с абсорбентом, показанная синими треугольниками27. Это верно даже несмотря на то, что реакция без абсорбента протекает при давлении, почти в два раза превышающем давление реакции с абсорбцией. В более ранних экспериментах (здесь не показаны) мы также показали, что окончательная конверсия процесса составляет около 20% без абсорбента, но более 95% с абсорбентом.

Скорость реакции гораздо меньше зависит от температуры с абсорбцией, чем без нее.Это показано на рис. Изменение температуры реакции на 60 °С мало влияет на скорость реакции. Это контрастирует с начальными скоростями в Рисунок 4 , который показывает изменение скорости реакции почти на порядок величины. Результаты для Рисунок 4 и Рисунок 6 отличаются, потому что эффект обратной реакции был уменьшен, поэтому химическая кинетика больше не является единственным этапом, определяющим общую скорость.

Репрезентативные результаты

Экспериментальный завод в Моррисе, штат Миннесота, продемонстрировал возможность использования ветра для местного производства аммиака18, как показано на рис. Ветер вырабатывает электричество, которое используется для производства азота и водорода за счет поглощения воздуха при колебаниях давления и электролиза воды соответственно. В реакторе используется обычный катализатор для объединения газообразных азота и водорода с получением аммиака. Затем аммиак отделяют с помощью конденсатора.

Описанный здесь метод включает процесс повторного использования любого непрореагировавшего водорода и азота.Общая процедура подобна той, что продемонстрирована в традиционном процессе, за исключением того, что конденсатор заменяется абсорбером с насадочным слоем. Абсорбенты в основном изготавливаются из хлорида магния и хлорида кальция. Начальные скорости реакции, продемонстрированные этой системой при низкой конверсии, согласуются со многими более ранними исследованиями, как показано в . Общее падение давления в системе пропорционально производительности по аммиаку. Эта скорость намного выше с абсорбцией, чем без нее, как показано на рис.Также при абсорбции скорость реакции значительно меньше зависит от температуры (). При абсорбции изменение температуры на 60 °С мало влияет на скорость реакции, тогда как начальные скорости реакции () демонстрируют изменение почти на порядок.

При используемых здесь температурах и давлениях чистые аммины нестабильны. При заданном расходе количество аммиака, поглощаемого слоем, уменьшается после его многократного использования (). Стабилизация абсорбента может улучшить его емкость. Как показано в , эта стабильность в течение многих циклов может быть достигнута за счет улавливания небольших кристаллов хлорида магния в трещинах оксида алюминия.В настоящее время изучаются дополнительные усовершенствования абсорбента.

При абсорбции химическая кинетика и кинетика абсорбции менее способны ограничивать образование аммиака, как показано на рис. Перехват при бесконечном расходе насоса включает сопротивления реакции и поглощения. Когда эта обратная связь мала, значения химической реакции велики. Более высокие потоки насоса соответствуют увеличению скорости; при бесконечном расходе насоса скорость можно экстраполировать до конечного предела.

Рис. 1.Малый завод. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рис. 2. Схематический чертеж малогабаритного завода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рис. 3. Абсорбирующий процесс. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рис. 4. Начальные скорости реакции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рис. 5.Преобразование без и с разделением абсорбцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рис. 6. Реакция с абсорбцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7. Существующие абсорберы ограничены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рис. 8. Микрофотографии абсорбентов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рис. 9. Реакция в сравнении с рециркуляционным потоком . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2 9069 5 5

Диапазон пиковых температур (°C)	Макс. Скорость повышения температуры (°C/ч)	Время в шагах нагрева (ч)	Время (ч)
40	8	8
9 340-370	15-20	2
9 10
370-400	10 мая	15
0-5	28	43
9 430-470	5
9 8	9 51
	Удерживайте температуру входа в 450 (° C) на 4 часа

Таблица 1.Температурные рампы, используемые для активации катализатора.

	14.07.2014	02.09.2014	17.09.2014	29.10.2014	09.01.2015
Реактор Т	569	575	563	565	557
Давление p	112	72	124	117	128
Конденсатор Т	404	365	425	413	420
Реакция	9	3	17	14	30
Конденсат	0.019	0,012	0,021	0,02	0,022
Переработка	0,004	0,005	0,004	0,003	0,003

920249 Типовая производительность установки из таблицы. 90–250 Время реакции, конденсации и рецикла показывает, что химическая кинетика имеет самое большое время и, следовательно, самую низкую скорость. Единицы: T (°C), p (бар)

Обсуждение

Критические стадии реакции-абсорбции Экспериментальный аппарат:

Убедитесь в отсутствии примесей в азотно-водородной системе.Абсорбирующие материалы будут меняться после каждого цикла. В большинстве случаев при высокой температуре и в присутствии аммиака абсорбирующие материалы сплавляются и образуют большой прочный бетон. В соответствии с термодинамическими свойствами каждого комплекса галогенида металла и амина следует использовать соответствующие температуры для абсорбции и десорбции. Перед каждым испытанием необходимо проверить перепад давления в системе (абсорбере, реакторе, трубопроводе, клапанах, фитингах, и т. д. ), чтобы убедиться, что контур рециркуляции, абсорбер или реактор не создают больших перепадов давления в системе. система.

Ограничения: Лучшие из известных сегодня абсорбентов нестабильны:

Аммиачные абсорбенты, используемые для отделения аммиака, имеют большую потенциальную емкость, до шести молей аммиака на моль кальция. Это поглощение контролируется диффузией в твердом теле и, следовательно, происходит намного медленнее, чем диффузия в окружающих газах. Абсорбция при высоких температурах и давлениях, как в реакторе синтеза, имеет меньшую мощность, но все же обычно больше, чем количество, собранное поверхностной адсорбцией.

Однако сами абсорбенты, особенно хлорид магния, нестабильны28. В результате кривые проскока в экспериментах с уплотненным слоем не воспроизводятся, как показано на рис. 7 . На этом рисунке показаны кривые проскока смеси аммиака и азота, протекающей через уплотненный слой частиц хлорида магния. Как и ожидалось, слой действительно поглощает аммиак, но количество, поглощаемое при заданном расходе, падает по мере многократного использования слоя. В то же время твердые частицы в слое превращаются из сыпучего порошка в единую бетонную массу.Это слияние значительно замедляет кинетику поглощения. Чтобы преодолеть это, мы сделали уплотненный слой оксида алюминия, поддерживающий маленькие кристаллы хлорида магния. Такой слой показывает стабильные кривые прорыва, очевидно, стабилизированные небольшими кристаллами хлорида, захваченными в трещинах глинозема, как показано на рис. 8 28. Дальнейшее усовершенствование абсорбента остается в центре активных исследований.

Значение метода: Рециркуляция непрореагировавшего газа Теперь контроль:

Шаг контроля теперь, в основном, скорость рециркуляции непрореагировавших газов, как показано на Рисунок 9 .На этом рисунке показана обратная зависимость изменения давления от обратной величины расхода насоса. Изменение давления, конечно, является той же мерой реакции, которую мы использовали в рис. 5 и рис. 6 : малые значения этой обратной величины соответствуют большим значениям химической реакции. Обратная величина расхода насоса, показанная на оси x, представляет собой просто удобный способ исследовать, что происходит, когда поток насоса приближается к бесконечности. Как видно, скорость увеличивается при более высоких расходах насоса и экстраполируется до конечного предела при бесконечном расходе насоса.Этот предел близок к максимально возможной скорости реакции, то есть к скорости прямой реакции без ограничений обратной реакции или разделения. Наклон этой линии измеряет эффект рециркуляции непрореагировавших газов.

Приведенные выше результаты подтверждают жизнеспособность процесса реакционной абсорбции для увеличения производства аммиака при значительно более низких давлениях. Например, в одном наборе измерений мы получили конверсию более 80% при относительно высоких скоростях синтеза аммиака.Это говорит о том, что высокая производительность при таком низком давлении, как 25 бар, возможна при эффективном удалении аммиака из системы. Абсорбция отделяет синтезированный аммиак от реакционной среды и вызывает обратную реакцию.

Данные для текущей экспериментальной установки и для наших исследований поглощения показывают, что скорость реакции для молей аммиака, синтезированного за время, равна концентрации аммиака в системе при равновесии минус истинная концентрация аммиака, деленная на три характерных времени.Первое из этих времен — время реакции, второе — время разделения, а третье — время рецикла. Примеры этого времени показаны в Таблице 1 , где стадия абсорбции осуществляется путем частичной концентрации аммиака. В настоящее время время реакции самое большое, поэтому производительность существующей пилотной установки регулируется скоростью химической реакции. Мы можем увеличить скорость реакции, увеличив температуру. Мы делаем это, и завод работает хорошо.

Будущие применения и направления:

Данные как для пилотного процесса, так и для процесса абсорбции также могут быть проанализированы с точки зрения разности концентраций, разделенной на три характеристических времени. Более конкретно,

, где C и C * и C * — это концентрации азота, на самом деле присутствующие и присутствующие при равновесии, соответственно, и τ _RXN , τ ₅ и τ _Recycle время реакции, разделения и повторного использования соответственно.В малом растении и в наших измерениях начальной скорости время реакции самое большое, т. е. самое медленное. Он контролирует общую скорость. Поэтому мы пытаемся запустить пилотную установку при более высоких температурах.

Однако в нашем процессе абсорбции равновесная концентрация C* близка к нулю из-за абсорбции. Кроме того, время реакции и абсорбции в ненасыщенном слое несколько меньше, чем время рецикла. Таким образом, график обратной зависимости скорости реакции от обратной величины рециркуляционного потока должен давать прямую линию, примерно такую ​​же, как на рис. 9 .Наклон этой линии должен соответствовать рециркуляционному потоку, а точка пересечения будет представлять любые вклады химических скоростей и скоростей абсорбции. Наши предварительные данные подтверждают это предсказание и предлагают способы дальнейшего улучшения нашего синтеза.

Хотя эти результаты являются предварительными, они все же позволяют строить предположения о разработке небольшого эффективного процесса производства аммиака при пониженном давлении. Очевидно, это зависит от эффективного абсорбента. В экспериментах до настоящего времени мы не фокусировались на скорости поглощения абсорбента и, следовательно, на его физической геометрии.Мы обнаружили, что эта геометрия не всегда стабильна в реакторных условиях и, следовательно, представляет собой основную область для дальнейшего развития. Мы также не беспокоились о необходимом количестве абсорбента: чтобы получить больше абсорбента, мы просто использовали больше абсорбента. Кроме того, мы не беспокоились о сроке службы абсорбента; мы заметили, что абсорбирующие свойства часто ухудшаются по мере использования, как за счет образования мелких частиц, так и за счет уменьшения площади поверхности. Все эти вопросы, связанные как с абсорбентом, так и с конструкцией абсорбера, должны быть решены, чтобы еще больше прояснить потенциал этого процесса.Однако на данный момент прогноз благоприятный.

Техника позволит удешевить производство удобрений | Новости Массачусетского технологического института

Большая часть удобрений в мире производится на крупных производственных предприятиях, которым требуется огромное количество энергии для создания высоких температур и давлений, необходимых для объединения азота и водорода в аммиак.

Инженеры-химики Массачусетского технологического института работают над созданием альтернативы меньшего масштаба, которую, по их мнению, можно будет использовать для местного производства удобрений для фермеров в отдаленных сельских районах, таких как страны Африки к югу от Сахары.Удобрения часто трудно достать в таких районах из-за затрат на их транспортировку с крупных производственных предприятий.

В качестве шага к такому мелкосерийному производству исследовательская группа разработала способ объединения водорода и азота с использованием электрического тока для создания литиевого катализатора, в котором происходит реакция.

«В будущем, если мы представим, как мы хотим, чтобы это когда-нибудь использовалось, мы хотим устройство, которое может дышать воздухом, всасывать воду, иметь подключенную к нему солнечную панель и иметь возможность производить аммиак.Это может быть использовано фермером или небольшим сообществом фермеров», — говорит Картиш Мантирам, доцент кафедры химического машиностроения Массачусетского технологического института и старший автор исследования.

Аспирант Никифар Лазовский является ведущим автором статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature Catalysis . Среди других авторов — аспиранты Минджу Чанг и Киндл Уильямс, а также студент Михал Гала.

Меньшая шкала

Уже более 100 лет удобрения производятся с использованием процесса Габера-Боша, который объединяет атмосферный азот с газообразным водородом с образованием аммиака.Газообразный водород, используемый для этого процесса, обычно получают из метана, полученного из природного газа или другого ископаемого топлива. Азот очень нереактивен, поэтому требуются высокие температуры (500 градусов по Цельсию) и давление (200 атмосфер), чтобы заставить его реагировать с водородом с образованием аммиака.

Используя этот процесс, производственные предприятия могут производить тысячи тонн аммиака в день, но они дороги в эксплуатации и выделяют много углекислого газа. Среди всех химических веществ, производимых в больших объемах, аммиак вносит наибольший вклад в выбросы парниковых газов.

Команда Массачусетского технологического института приступила к разработке альтернативного метода производства, который мог бы сократить эти выбросы с дополнительным преимуществом децентрализованного производства. Во многих частях мира отсутствует инфраструктура для распределения удобрений, что делает приобретение удобрений в этих регионах дорогим.

«Идеальной характеристикой метода производства аммиака следующего поколения было бы то, что он распределяется. Другими словами, вы можете производить этот аммиак близко к тому месту, где он вам нужен», — говорит Мантирам.«И в идеале это также устранило бы след CO ₂ , который в противном случае существовал бы».

В то время как в процессе Габера-Боша для принудительной реакции азота и водорода используется экстремальная температура и давление, команда Массачусетского технологического института решила попробовать использовать электричество для достижения того же эффекта. Предыдущие исследования показали, что приложение электрического напряжения может сместить равновесие реакции так, что оно будет способствовать образованию аммиака. Однако сделать это недорогим и устойчивым способом было сложно, говорят исследователи.

Большинство предыдущих попыток провести эту реакцию при нормальных температурах и давлениях использовали литиевый катализатор для разрыва прочной тройной связи в молекулах газообразного азота. Полученный продукт, нитрид лития, может затем реагировать с атомами водорода из органического растворителя с образованием аммиака. Однако обычно используемый растворитель, тетрагидрофуран или ТГФ, дорог и расходуется в ходе реакции, поэтому его необходимо постоянно заменять.

Команда Массачусетского технологического института придумала способ использования газообразного водорода вместо ТГФ в качестве источника атомов водорода.Они разработали сетчатый электрод, который позволяет газообразному азоту диффундировать через него и взаимодействовать с водородом, растворенным в этаноле, на поверхности электрода.

Эта сетчатая конструкция из нержавеющей стали покрыта литиевым катализатором, полученным путем осаждения ионов лития из раствора. Газообразный азот диффундирует через сетку и превращается в аммиак в результате ряда стадий реакции, опосредованных литием. Эта установка позволяет водороду и азоту реагировать с относительно высокой скоростью, несмотря на то, что они обычно плохо растворяются в каких-либо жидкостях, что затрудняет их реакцию с высокой скоростью.

«Эта ткань из нержавеющей стали является способом очень эффективного контакта газообразного азота с нашим катализатором, а также имеет необходимые электрические и ионные соединения», — говорит Лазовски.

Расщепление воды

В большинстве своих экспериментов по производству аммиака исследователи использовали газообразные азот и водород, поступающие из газового баллона. Однако они также показали, что могут использовать воду в качестве источника водорода, сначала проводя электролиз воды, а затем направляя этот водород в свой электрохимический реактор.

В целом система достаточно мала, чтобы разместиться на лабораторном столе, но ее можно увеличить для производства большего количества аммиака путем соединения множества модулей вместе, говорит Лазовский. Еще одной ключевой задачей будет повышение энергоэффективности реакции, которая сейчас составляет всего около 2 процентов по сравнению с 50-80 процентами для реакции Габера-Боша.

«У нас есть общая реакция, которая, наконец, выглядит благоприятной, что является большим шагом вперед», — говорит он. «Но мы знаем, что все еще существует проблема потери энергии, которую необходимо решить.Это будет одной из главных вещей, которые мы хотим решить в будущей работе, которую мы предпримем».

Помимо использования в качестве метода производства небольших партий удобрений, этот подход также может быть использован для хранения энергии, говорит Мантирам. Эта идея, которую в настоящее время преследуют некоторые ученые, требует использования электричества, вырабатываемого ветром или солнечной энергией, для производства аммиака. Тогда аммиак мог бы служить жидким топливом, которое было бы относительно легко хранить и транспортировать.

«Аммиак — это очень важная молекула, которая может носить много разных шляп, и один и тот же метод производства аммиака можно использовать в самых разных областях», — говорит Мантирам.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом и посевным фондом энергетической инициативы Массачусетского технологического института. Предыдущее исследование, которое легло в основу настоящей работы, было поддержано Лабораторией водных и пищевых систем Абдула Латифа Джамиля Массачусетского технологического института (J-WAFS).

Синтез аммиака: процесс и реакция — видео и расшифровка урока

Процесс Габера

Процесс Габера — это промышленный процесс, в котором для синтеза аммиака используются газообразный азот и газообразный водород.Уравнение, представляющее процесс Габера, имеет вид:

Получение водорода

Итак, как в процессе получается водород?

1. Электролиз воды

Вы помните, что при пропускании электрического тока через воду с использованием инертных электродов образуется водород на катоде и кислород на аноде.

2h3 O + Электроэнергия —> 2h3 + O2.

Приятно отметить, что этот метод получения водорода для процесса Габера использовался для производства аммиака в 20 веке.

2. Реакция метана и пара

Со временем химики нашли сравнительно более дешевый и эффективный способ получения водорода. Метод включает использование источника метана, такого как природный газ, который вступает в реакцию с высокотемпературным паром при температуре 700-1000°С и давлении 3-25 бар. Наряду с водородом образуется монооксид углерода и относительно небольшое количество диоксида углерода.

Ch5 + h3 O + тепло —> CO + 3h3 (+ небольшое количество CO2)

Затем монооксид углерода и пар реагируют с использованием никеля в качестве катализатора с образованием диоксида углерода и большего количества водорода.

CO + h3 O —> CO2 + h3

Наконец, двуокись углерода и другие примеси удаляются из газового потока с помощью метода, известного как адсорбция при переменном давлении. Это оставляет практически чистый водород позади.

Получение азота

Итак, как в процессе получается азот?

1. Фракционная перегонка жидкого воздуха

Азот можно получить путем фракционной перегонки окружающего нас воздуха. Воздух сжимается до 200°С.Следовые газы, двуокись углерода и вода удаляются путем фильтрации. Кислород и азот сжижаются при -183°С и -196°С соответственно. Эта сжиженная смесь, состоящая из кислорода и азота, затем разделяется фракционной перегонкой. Поскольку жидкий азот кипит при более низкой температуре, чем кислород, он будет подниматься вверх по ректификационной колонне, а жидкий кислород остается внизу. Однако этот способ получения азота слишком дорог.

2. Реакция метана и воздуха

Напомним, что воздух примерно на 78% состоит из азота, а почти все остальное – из кислорода.Если мы сжигаем метан на воздухе, кислород реагирует с метаном с образованием углекислого газа и воды. Вы можете понять, что азот, присутствующий в воздухе, остается непрореагировавшим. Если мы удалим углекислый газ и воду, мы получим азот.

Производство азота и водорода

Теперь, когда азот и водород получены, их можно подвергнуть реакции для получения аммиака. Эти газы затем сжимаются и подаются в реактор, где одна молекула газообразного азота реагирует с тремя молекулами газообразного водорода над тонкоизмельченным железом в качестве катализатора с образованием двух молекул аммиака.Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ходе реакции.

Процесс Габера представляет собой обратимую экзотермическую равновесную реакцию. Любая экзотермическая реакция высвобождает энергию в окружающую среду. При производстве каждой молекулы аммиака в процессе Габера выделяется 46 кДж тепловой энергии.

Необходимые условия

В процессе Габера используется принцип Ле Шателье для максимизации содержания аммиака с учетом эксплуатационных и производственных затрат. Принцип Ле Шателье утверждает, что если воздействовать на реакцию, находящуюся в равновесии, положение равновесия сместится таким образом, чтобы противодействовать возмущению.

Давление

Принцип Ле Шателье говорит нам, что увеличение давления благоприятствует стороне с меньшим количеством родинок. Поэтому имеет смысл проводить реакцию при очень высоком давлении, но мы также должны помнить, что строительство и эксплуатация установки, способной выдерживать такое высокое давление, обходится дорого.Поэтому используется компромиссное давление около 150-200 атмосфер.

Температура

Теперь давайте рассмотрим наилучшую температуру, необходимую для процесса, чтобы максимизировать выход аммиака. Поскольку прямая реакция является экзотермической (помните, что на каждый моль образующегося аммиака выделяется 46 кДж тепла), целесообразно проводить реакцию при более низкой температуре. Однако компромиссная температура около 450-500°С гарантирует, что реакция протекает с достаточным выходом.Эта температура не слишком низкая и не слишком высокая. Если использовать более низкую температуру, скорость реакции будет медленной, и потребуется много времени, чтобы реакция достигла равновесия.

Выход аммиака по способу Габера при указанных условиях давления и температуры составляет около 15-20%. Любой неиспользованный азот и водород возвращаются обратно в реактор.

Производство аммиака из азота и водорода

Краткий обзор урока

Аммиак получают в промышленных масштабах с помощью процесса Габера , химического метода, в котором для синтеза аммиака используются газообразный азот и газообразный водород.Одна молекула газообразного азота реагирует с тремя молекулами газообразного водорода над тонкоизмельченным железом в качестве катализатора с образованием двух молекул аммиака.

Газообразный азот можно получить из воздуха путем фракционной перегонки жидкого воздуха. В качестве альтернативы, если кислород, содержащийся в воздухе, реагирует с природным газом, азот, который остается непрореагировавшим, может быть отделен. С другой стороны, водород можно получить либо электролизом воды, либо реакцией природного газа с паром.

И водород, и азот реагируют при температуре 450-500°С и давлении 150-200 атмосфер с образованием около 15-20% аммиака.

Масштабирование производства аммиака для обеспечения продовольствием в мире

Джонни Вуд

Азот является ключевым питательным веществом в сельском хозяйстве, поэтому большое количество аммиака необходимо во всем мире.

Шаттерсток

В мире огромный и быстро растущий аппетит: в настоящее время нужно накормить более 7,6 миллиардов ртов, и, по данным Организации Объединенных Наций, к 2050 году ожидается еще 2 миллиарда. Такие темпы роста могут создать нагрузку на глобальные запасы продовольствия, в результате чего в некоторых регионах останется слишком мало для слишком многих.

Сельское хозяйство опирается на ряд инноваций для повышения урожайности — подумайте о генетически модифицированных культурах и сельском хозяйстве, управляемом искусственным интеллектом. Но для многих частей мира более широкий доступ к удобрениям является ключом к продовольствию сообществ.

Растения поглощают больше азота, чем любой другой элемент, что делает его, возможно, самым важным питательным веществом в сельском хозяйстве. В отчете ООН прогнозируется, что общий мировой спрос на азот для удобрений увеличится на 6% с 2017 по 2022 год.

Поскольку эта тенденция сохранится или даже ускорится, поддержание адекватного снабжения зависит от химического соединения, в котором азот содержится в высокой концентрации: аммиака.Его производство будет иметь жизненно важное значение для обеспечения достаточного количества удобрений, чтобы прокормить растущее население планеты.

Ожидается, что крупнейший в мире завод по производству аммиака, который в настоящее время строится в часе езды к югу от Хьюстона, сыграет важную роль.

Чтобы увеличить производительность удобрений, производители аммиака изучают все более крупные заводы.

Шаттерсток

Аммиак для накипи

Завод по производству аммиака на побережье Мексиканского залива (GCA) в Техас-Сити, штат Техас, будет использовать традиционный паровой риформинг метана для производства аммиака.Когда операции начнутся в 2023 году, он сможет производить 1,3 миллиона тонн аммиака в год, что добавит к ежегодным мировым поставкам около 180 миллионов тонн.

Для работы в таком масштабе потребуются одни из самых больших в мире линий компрессоров аммиака. Примерно в 40 милях от площадки инженеры Mitsubishi Heavy Industries Compressor International Corporation (MCO-I) работают над поставкой для проекта GCA многоступенчатых центробежных компрессоров для синтез-газа и аммиака по стандарту API617.Как и в случае с остальной частью завода, эти компрессоры обеспечивают экономию за счет масштаба, что повышает эффективность производства и снижает себестоимость единицы аммиака.

«Это будет одна из крупнейших линий компрессоров синтез-газа в отрасли производства удобрений, возможно, самая крупная, так что это большое достижение, но также и сложный проект», — говорит Клейтон Юрика, директор по новому бизнес-оборудованию в MCO-I.

Поскольку глобальный спрос на аммиак продолжает расти, производители оценивают все более крупные заводы, чтобы максимизировать экономию за счет масштаба, говорит Манабу Сага, бывший президент MCO-I.По всему миру строится ряд крупных централизованных заводов, что способствует прогнозируемому ежегодному росту рынка чуть более чем на 2% в период с 2021 по 2026 год. Компрессоры MCO поставляются на строящиеся крупномасштабные проекты по производству аммиака в таких странах, как Китай. , России и Индии.

Доступ к аммиаку должен быть равным для сообществ по всему миру.

Шаттерсток

Китай является крупнейшим в мире производителем и потребителем аммиака. В 2019 году в Китае было произведено более 48 миллионов тонн, что почти в четыре раза больше, чем в России, его ближайшем конкуренте, которая произвела около 12 миллионов тонн.5 миллионов тонн, за ней следует Индия с примерно 11 миллионами.

Для сравнения, в США было произведено менее 9,8 млн тонн аммиака, что может помочь решить такие проекты, как завод по производству аммиака на побережье Мексиканского залива, что снизит зависимость США от импорта аммиака.

Дебаты о централизации

Несмотря на то, что работа в масштабе сокращает разрыв между спросом и предложением, увеличение объемов производства сделало аммиак вторым наиболее производимым химическим веществом в мире, при этом на глобальное производство приходится 2% мирового использования ископаемого топлива.Ежегодно в этом секторе вырабатывается более 420 миллионов тонн CO ₂ , что создает сложное противоречие между производством удобрений, необходимых для того, чтобы накормить мир, и сокращением выбросов углерода.

Некоторые заводы изучают такие решения, как улавливание и хранение углерода для сокращения выбросов, в то время как Mitsubishi Heavy Industries (MHI) Group инвестирует в производство зеленого аммиака с использованием водорода, полученного из возобновляемой электроэнергии, как в США, так и в Австралии.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖИМОЕ

Будущее декарбонизации энергетики с помощью водорода

3 ключа к техническому скаутингу по мере того, как энергетический переход набирает скорость

Совет молодым инженерам: неудача — хороший учитель

Несмотря на усилия по сокращению выбросов при производстве аммиака, нет единого мнения в отношении крупных централизованных заводов.Инженер-химик из Массачусетского технологического института Картиш Мантирам утверждает, что доступ к аммиаку, необходимому для производства удобрений, не является универсальным: поскольку строить большие централизованные заводы по производству аммиака более рентабельно, строится меньше небольших заводов, которые можно рассредоточить по регионам.

«Большая часть нашего неравенства в доступе к еде в мире восходит к тому факту, что производство аммиака централизовано», — говорит Мантирам.

Юрика из

MCO-I говорит, что это не тот случай, когда нужно выбирать между большими или меньшими заводами.Мир нуждается в обоих, чтобы удовлетворить свои потребности в удобрениях. «Во всем мире есть очаги спроса, где транспортировка или логистика сложны, — говорит он, — поэтому строительство малых и средних заводов по производству аммиака для удовлетворения местного спроса имеет экономический смысл».

Об авторе

Джонни Вуд — журналист с более чем 15-летним стажем работы в разных уголках мира — Азии, Европе и Ближнем Востоке. Помимо того, что он является опытным автором статей, он редактировал несколько престижных журналов о стиле жизни и корпоративных изданий.

Энергопотребление в течение жизненного цикла и выбросы парниковых газов при производстве аммиака из возобновляемых ресурсов и промышленных побочных продуктов

Традиционно аммиак получают из природного газа с помощью паровой конверсии метана (SMR), реакции конверсии водяного газа и процесса Габера-Боша. В процессе используется ископаемый природный газ, что приводит к 2,6 метрическим тоннам выбросов парниковых газов (ПГ) в течение жизненного цикла на метрическую тонну произведенного аммиака. Поскольку аммиак является вторым наиболее производимым химическим веществом в мире, его производство составляет примерно 2% мирового потребления ископаемой энергии и ежегодно генерирует более 420 миллионов тонн CO ₂ .Для снижения углеродоемкости представляет интерес синтез аммиака с использованием возобновляемых источников энергии или с использованием побочных продуктов промышленных процессов. Мы проводим анализ жизненного цикла традиционных и альтернативных способов производства аммиака, отслеживая потребление энергии и выбросы на всех этапах преобразования, от первичных материалов и энергетических ресурсов до ворот завода по производству аммиака. Из всех альтернативных способов получения N ₂ путем криогенной перегонки и H ₂ путем низкотемпературного электролиза с использованием возобновляемого обычный путь SMR.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова? .