Стадии получения аммиака из азота и водорода. Катализаторы синтеза аммиака. Выбор оптимальных условий процесса

Лекция №2

 Стадии получения аммиака из азота и водорода. Катализаторы синтеза аммиака. Выбор оптимальных условий процесса.

План лекции:

1. Конверсионный метод получения азото-водородной смеси для синтеза аммиака
2. Конверсия оксида углерода (СО)
3. Основные стадии получения аммиака
4. Контактные яды

Сущность конверсионного метода получения азото-водородной смеси для синтеза аммиака из углеводородистых газов состоит в разложении при высокой температуре метана и его гомологов на водород и оксид углерода(II)          с помощью окислителей — водяного пара и кислорода

СН₄+ Н₂О→СО+ЗН₂ -Q       (1)

Для сохранения заданной степени конверсии при повышении давления необходимо повысить температуру процесса или увеличить содержание водяного пара в газовой смеси по сравнению со стехиометрическим его количеством.

При получении газа для синтеза аммиака конверсию метана проводят смесью водяного пара и воздуха обогащенного кислородом.

СН₄+ О₂→СО+Н₂ + Н₂О +Q      (2)

H₂+0,5O₂→H₂O+Q           (3)

Рекомендуемые материалы

CH₄+H₂О→CO+3H₂-Q      (4)

СО+Н₂О→Н₂+ CO₂+Q     (5)

Реакции проводят в гомогенной среде при Т=1400-1500°С при этом достигается большая скорость процесса и высокая степень конверсии углеводородов.

Применяется никелевые катализаторы на носителе - глиноземе (А1₂О₃) (таблетированные, экструдированные, кольца Рашига). Срок службы катализатора 3 года.

Никелевые катализаторы наиболее чувствительны к действию сернистых соединений.

XNi+H₂S→Ni_xS+ H₂

Отравленный серой катализатор удается полностью регенерировать в определенных температурных условиях при подаче в реактор чистого газа.

Конверсия оксида углерода (СО)

Проведение процесса по реакции

СО+Н₂О→ Н₂+ CO₂+Q

при повышенном давлении оказывается экономически целесообразным, поскольку увеличивается скорость реакции, уменьшаются размеры аппарата, полезно используется энергия ранее сжатого природного газа.

В процессе используется железохромовый катализатор. Для данного катализатора ядами являются сернистые соединения.

Fe₃O₄ +H₂S→FeS+ H₂O

FeO+H₂S→FeS+ H₂O

Органические сернистые соединения в присутствии железохромового катализатора взаимодействуют с водяным паром с образованием H₂S , а также отравляющее действие на Fe-Cr катализатор оказывают соединения фосфора, бора, кремния, хлора. Срок службы катализатора - два года.

Синтез аммиака.

При н.у. p(NH₃)=0,771 кг/м³, в результате охлаждения до - 33,4 °С аммиак сжижается и при -78 °С затвердевает в виде кристаллов кубической формы. ρ(МН₃) жид.=0,68114 т/м³

N₂+3H₂→2NH₃+Q

Основные стадии получения аммиака:

1.       смешение свежей азотоводородной смеси (ABC) с циркуляционным газом.

2.       очистка полученной газовой смеси от углекислых солей аммония и капелек смазочных масел.

3.       синтез аммиака.

4.       отделение жидкого аммиака в сепараторе.

5.       охлаждение газовой смеси, конденсация аммиака и его сжижение. Константа скорости разложения аммиака на катализаторе может быть

найдена по повышению концентрации или давления аммиака за определенное время.

В промышленности для синтеза аммиака используют исключительно железные катализаторы, получаемые при сплавлении   Fe₃O₄ с активаторами (А1₂О₃, CaO, MgO, K₂O).

Катализатор типа СА-1 по ОСТ 6-03-78-80 является трижды промотированным катализатором (А1₂О₃, СаО, К₂О). Т=400-550°С, Р=60МПа, срок службы 2-4 года.

Катализатор СА-2 предназначен для работы при высоких температурах, в колоннах синтеза аммиака 475°С, в колоннах продуцирующего предкатализа 600°С.

Восстановление катализатора можно проводить различными восстановителями: водородом, оксидом углерода и их смесями.

FeO+H₂→Fe+ H₂O

Различают два вида контактных ядов

1. вызывают необратимое отравление катализаторов, активность которых не восстанавливается при обработке чистым газом, серой, селеном, мышьяком, фосфором.

2. яды действующие обратимо, активность катализаторов можно восстановить при переходе на работу с чистым газом (азотоводородная смесь содержащая различное количество кислорода, паров воды, оксидов углерода и других примесей).

Системы синтеза аммиака классифицируются по давлению на три группы:

1) низкого давления (10-16 МПа)

2) среднего давления (28-35 МПа)

3) высокого давления (45-100 МПа).

Обратите внимание на лекцию "Гостеприимство и гостиничное хозяйство в XX веке".

Контрольные вопросы:

1. Сущность конверсионного метода получения азото-водородной смеси для синтеза аммиака

2. Объяснить процесс конверсии оксида углерода (СО)

3. Охарактеризовать основные стадии получения аммиака

4. Что такое контактные яды.