Производство синтетического аммиака (лекция 13)

Август 10, 2022

Главная
Химия
Производство синтетического аммиака (лекция 13)

Содержание

2. Физические свойства Аммиак – бесцветный газ с характерным запахом. При охлаждении до – 33,35 оС аммиак
3. Сухие аммиак и воздух образуют взрывоопасные смеси, предел взрываемости которых при 18 оС находится в диапазоне
4. Химические свойства С водой аммиак образует гидраты NH3, H2O и 2NH3·H2O. При растворении в воде устанавливаются
5. Основные химические продукты, получаемые на базе аммиака
6. Производители и объёмы производства аммиака в России
7. Физико-химические основы производства синтетического аммиака Равновесие синтеза аммиака Процесс синтеза аммиака описывается следующим уравнением: N2 +
8. Для расчета равновесной степени превращения зададимся следующими данными: состав исходной газовой смеси – чистые азот и
9. Константу равновесия реакции можно записать в следующем виде: Для определения равновесных концентраций компонентов в газовой смеси
10. Выразим концентрацию всех компонентов через. CNH3 получим: или Для упрощения решения этого уравнения извлечем корень квадратный
11. После упрощения этого уравнения получим квадратное уравнение с одним неизвестным: Для решения этого уравнения относительно CNH3
12. Коэффициенты β и I зависят от давления.
13. Зависимость равновесной концентрации аммиака в газовой смеси от температуры и давления
14. Зависимость выхода аммиака от давления (объёмная скорость 30 000 ч-1; t = 500оC; катализатор железный)
15. Зависимость равновесного выхода аммиака от температуры для различных давлений
16. Катализаторы синтеза аммиака В результате многолетних исследований было установлено, что каталитическими свойствами по отношению к реакции
17. Схема производства катализатора синтеза аммиака СА-1 1 — грохот; 2 — обкаточный барабан; З — элеватор;
18. Кинетика синтеза аммиака Механизм действия катализатора Cинтез аммиака состоит из нескольких стадий, включающих: диффузию азота и
19. Лимитирующей стадией катализа является активирующая адсорбция азота. Исходя из этого, М. И. Темкин и В. М.
20. Таким образом, в условиях, удаленных от состояния равновесия, кинетическое уравнение приобретает вид: Отсюда следует, что максимальная
21. Зависимость константы скорости от температуры
22. Для расчета концентрации аммиака на выходе из колонны синтеза предложено следующее уравнение: где K1 – константа
23. Зависимость содержания аммиака от температуры при разных объемных скоростях Из графика очевидно, что интервал оптимальных температур
24. Зависимость концентрации аммиака на выходе из колонны синтеза от объемной скорости и температуры Из этих данных
25. Производительность катализатора – это съём аммиака (кг) с 1м3 контактной массы в течение одного часа. Удельная
26. Зависимость производительности катализатора от объёмной скорости при различных давлениях (t = 500 оС)
27. На производительность катализатора оказывает влияние общее давление в системе. Значение эффективного давления зависит от содержания инертных
28. Выделение аммиака из прореагировавшей азотоводородной смеси Степень превращения азота и водорода в аммиак в зависимости от
29. Схема цикла синтеза аммиака
30. Зависимость давления насыщенных паров над жидким аммиаком от температуры характеризуется следующими цифрами: Остаточную концентрацию аммиака в
31. Содержание аммиака в газовой смеси после охлаждения рассчитывается по эмпирическому уравнению Ларсона и Блэка: где Р
32. Зависимость концентрации аммиака в газовой смеси от температуры и давления Допустимая концентрация аммиака в циркуляционной смеси
33. Продувочные газы Инерты или инертные газы синтеза аммиака – газы, которые не участвуют в реакции образования
34. Современные технологические схемы синтеза аммиака Классификация систем синтеза аммиака Одной их наиболее распространенных и удобных классификацией
35. Блок-схема синтеза аммиака 1 - очистка природного газа от сернистых соединений; 2- паровая конверсия метана; 3
36. Установка синтеза аммиака мощностью 600 т NH3/сутки 1 – компрессор; 2 – колонна синтеза; 3 -
37. Агрегат синтеза аммиака мощностью 1360 т NH3/сутки І - стадия сжатия (компремирования); ІІ - стадия синтеза;
38. Основное оборудование Колонна синтеза 1 – люк для выгрузки катализатора; 2 – центральная труба; 3 –
39. Конденсационная колонна 1 – крышка; 2 – корпус; 3 – теплообменник;4 – кольца Рашига; 5 -
41. Скачать презентацию

Слайд 2

Физические свойства
Аммиак – бесцветный газ с характерным запахом. При охлаждении до

– 33,35 оС аммиак сжижается в бесцветную, прозрачную жидкость, при – 77,75 оС затвердевает, образуя бесцветную кристаллическую массу.
Критическая температура аммиака 132,4 оС, критическое давление 11,1 МПа. Жидкий аммиак – легко летучее соединение, хорошо растворяет водород, азот, метан, аргон.
Аммиак – хорошо растворим в воде: при 20 оС и атмосферном давлении в 1 дм3 воды растворяется 760 дм3 газообразного аммиака; несколько хуже аммиак растворяется в органических жидкостях.

Слайд 3

Сухие аммиак и воздух образуют взрывоопасные смеси, предел взрываемости которых при

18 оС находится в диапазоне 15,5 – 27,0 % об. аммиака (см. рис.)

Слайд 4

Химические свойства
С водой аммиак образует гидраты NH3, H2O и 2NH3·H2O. При

растворении в воде устанавливаются следующие равновесия:
NH3 + H2O↔NH3·H2O↔ NH4OH↔ NH4+ + OH-
С кислотами аммиак образует соли:
NH3 + HNO3 = NH4NO3
К окислителям аммиак устойчив.
С кислородом воздуха очень медленно взаимодействует даже при повышенной температуре:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O,
но в присутствии катализатора протекает практически до конца следующая реакция:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O.
Разлагается аммиак при температуре 1300 оС по эндотермической реакции:
2NH3 = N2 + 3H2
C диоксидом углерода образует карбамид:
2NH3 + CO2 = NH2CONH2 + H2O

Слайд 5

Основные химические продукты, получаемые на базе аммиака

Слайд 6

Производители и объёмы производства аммиака в России

Слайд 7

Физико-химические основы производства синтетического аммиака Равновесие синтеза аммиака
Процесс синтеза аммиака описывается следующим

уравнением:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 89,02 кДж.
Реакция синтеза аммиака является обратимой экзотермической. Для смещения равновесия вправо реакцию необходимо осуществлять при низких температурах и при высоких давлениях.
Константа равновесия определяется уравнением:

Слайд 8

Для расчета равновесной степени превращения зададимся следующими данными: состав исходной газовой

смеси – чистые азот и водород; соотношение N2/H2 составляет 1/3; концентрация реагентов (% об): азота – 25, водорода – 75.
Тогда парциальные давления компонентов составят:

Слайд 9

Константу равновесия реакции можно записать в следующем виде:
Для определения равновесных концентраций

компонентов в газовой смеси воспользуемся дополнительными уравнениями:

Слайд 10

Выразим концентрацию всех компонентов через. CNH3 получим:
или
Для упрощения решения этого

уравнения извлечем корень квадратный из обеих частей. Получим:

Слайд 11

После упрощения этого уравнения получим квадратное уравнение с одним неизвестным:
Для решения

этого уравнения относительно CNH3 необходимо знать величину Kp. Найдем ее по формуле А.Т. Ларсона и Р.Л. Доджа:

Слайд 12

Коэффициенты β и I зависят от давления.

Слайд 13

Зависимость равновесной концентрации аммиака в газовой смеси от температуры и давления

Слайд 14

Зависимость выхода аммиака от давления (объёмная скорость 30 000 ч-1; t

= 500оC; катализатор железный)

Слайд 15

Зависимость равновесного выхода аммиака от температуры для различных давлений

Слайд 16

Катализаторы синтеза аммиака
В результате многолетних исследований было установлено, что каталитическими свойствами

по отношению к реакции синтеза аммиака обладают марганец (Mn), железо (Fe), родий (Ro), вольфрам (W), рений (Re), осмий (Os), платина (Pt), уран (U) и др. Наиболее высокую активность проявляют железо, рений, осмий и уран.
Таким образом из всех этих веществ наиболее дешевым и в то же время достаточно активным катализатором является пористое железо, полученное восстановлением магнетита водородом при температуре 300–400°С. В результате восстановления образуется железо кристаллической структуры, присущей Fe3O4, не содержащей атомов кислорода.
В состав катализатора для сохранения его активности вводят структурообразующие промоторы, например, Al2O3. Оксид алюминия обволакивает кристаллы железа тонкой оксидной пленкой и препятствует их росту. В состав катализатора для облегчения десорбции аммиака с его поверхности вводят модифицирующие промоторы – оксиды калия и кальция.

Слайд 17

Схема производства катализатора синтеза аммиака СА-1
1 — грохот; 2 — обкаточный

барабан; З — элеватор; 4 — индукционная печь; 5 — ручной питатель; 6 — комбинированная дробилка; 7 — окислительный тигель; 8 — охлаждающий противень; 9 — бункер; 10 — циклон; 11 — бункер катализаторной
мелочи; 12 — электродуговая печь; 13 — тара для готового катализатора

Слайд 18

Кинетика синтеза аммиака Механизм действия катализатора
Cинтез аммиака состоит из нескольких стадий, включающих:
диффузию

азота и водорода из объема газовой смеси к поверхности катализатора;
активированную адсорбцию азота поверхностью катализатора;
адсорбция водорода на адсорбированном азоте, обусловливающая химическое взаимодействие азота и водорода с образованием нитридов железа FexN;
взаимодействие водорода с нитридами железа с образованием промежуточных комплексов FexNH, FexNH2, FexNH3;
десорбция аммиака с поверхности катализатора;
диффузия газообразного аммиака в общий газовый объём.

Слайд 19

Лимитирующей стадией катализа является активирующая адсорбция азота.
Исходя из этого, М.

И. Темкин и В. М. Пыжов предложили следующее уравнение для описания кинетики синтеза:
где K1, K2 – константы скорости прямой и обратной реакции; PN2, PH2, PNH3 – парциальные давления компонентов; α – коэффициент, характеризующий степень покрытия поверхности катализатора азотом, для железного катализатора величина α составляет 0,5.

Слайд 20

Таким образом, в условиях, удаленных от состояния равновесия, кинетическое уравнение приобретает

вид:
Отсюда следует, что максимальная скорость реакции синтеза в начальный момент соответствует соотношению Н2/N2, равному 1,5, что подтверждает гипотезу о лимитирующей стадии процесса.

Слайд 21

Зависимость константы скорости от температуры

Слайд 22

Для расчета концентрации аммиака на выходе из колонны синтеза предложено следующее

уравнение:
где K1 – константа скорости прямой реакции; w1 – объемная скорость газовой смеси на выходе из слоя катализатора; х – содержание аммиака на выходе из слоя катализатора, мол. дол.; хр – равновесное содержание аммиака в газовой смеси, мол. дол.

Слайд 23

Зависимость содержания аммиака от температуры при разных объемных скоростях
Из графика очевидно,

что интервал оптимальных температур процесса синтеза составляет 450 – 500 оС.

Слайд 24

Зависимость концентрации аммиака на выходе из колонны синтеза от объемной скорости и

температуры

Из этих данных очевидно, что:
при увеличении объёмной скорости при постоянной температуре наблюдается снижение концентрации аммиака в газе;
в интервале представленных температур (450 – 500 оС) при определённой объёмной скорости содержание аммиака в газе увеличивается.

Слайд 25

Производительность катализатора – это съём аммиака (кг) с 1м3 контактной массы

в течение одного часа. Удельная производительность катализатора может быть рассчитана по формуле
где G – удельная производительность катализатора, кг/(м3∙ч); ω – объемная скорость газовой смеси на входе в колонну синтеза, м3/(м3∙ч); а1 – доля аммиака, образующегося в колонне синтеза; σ – уменьшение объема газовой смеси в результате синтеза.

Слайд 26

Зависимость производительности катализатора от объёмной скорости при различных давлениях (t =

500 оС)

Слайд 27

На производительность катализатора оказывает влияние общее давление в системе.
Значение эффективного

давления зависит от содержания инертных примесей в газе
Рэф = Р∙(1–i)2
где Р – общее давление синтеза, МПа; i – содержание инертных примесей в газе, об. доли.
Объём авс, которая должна быть выведена из цикла на 1 т получаемого аммиака, с учетом растворимости инертных газов в жидком аммиаке определяется по уравнению
Vпр =iсв∙Vсв –iр/iц,
где Vпр –объем продувочных газов, м3/т; iсв – концентрация инертных примесей в свежей азотоводородной смеси, доли единицы; Vсв – объем свежей авс, необходимой для производства 1 т аммиака, м3/т; iр – объем инертных газов, растворенных в аммиаке, м3/т; iц – концентрация инертных примесей в циркуляционном газе, доли единицы.

Слайд 28

Выделение аммиака из прореагировавшей азотоводородной смеси
Степень превращения азота и водорода в

аммиак в зависимости от давления синтеза составляет 20–40%, а концентрация аммиака в газовой смеси – 15–25%. В связи с этим в промышленных условиях синтез аммиака осуществляется по циркуляционной схеме, суть которой в том, что аммиак, образовавшийся в колонне синтеза, выделяют из газовой смеси, а непрореагировавшую авс смешивают со свежим газом, сжимают в компрессоре до исходного давления и возвращают в цикл синтеза.

Слайд 29

Схема цикла синтеза аммиака

Слайд 30

Зависимость давления насыщенных паров над жидким аммиаком от температуры характеризуется следующими

цифрами:
Остаточную концентрацию аммиака в газовой смеси при охлаждении можно рассчитать по уравнению
Таким образом, при Робщ, равном 30 МПа, расчетная концентрация аммиака при охлаждении газовой смеси до 313 К составит 5,15%, при температуре 293 К – 2,8%, при 273 К – 1,4%.

Слайд 31

Содержание аммиака в газовой смеси после охлаждения рассчитывается по эмпирическому уравнению

Ларсона и Блэка:
где Р – общее давление в системе, МПа; Т – температура конденсации, К.

Слайд 32

Зависимость концентрации аммиака в газовой смеси от температуры и давления
Допустимая концентрация

аммиака в циркуляционной смеси составляет 3–4%.

Слайд 33

Продувочные газы
Инерты или инертные газы синтеза аммиака – газы, которые не

участвуют в реакции образования аммиака, но присутствуют в авс, это аргон и метан и небольшие количества СО и СО2. Так как реакция синтеза аммиака идёт с уменьшением объёма и процесс организован по циклической схеме, то со временем содержание инертов в газе, поступающем в колонну синтеза, увеличивается. Поэтому необходимо периодически выводить их из системы в виде продувочных газов.

Слайд 34

Современные технологические схемы синтеза аммиака Классификация систем синтеза аммиака
Одной их наиболее распространенных

и удобных классификацией систем синтеза аммиака является классификация по давлению. Беря за основу этот технологический параметр, различают:
1. системы низкого давления (10—18 МН/м2);
2. системы среднего давления (28—35 МН/м2);
3. системы высокого давления (45—100 МН/м2).
В нашей стране работают и строятся преимущественно агрегаты среднего давления, эксплуатируется также несколько агрегатов под давлением 45 МПа. Что касается производительности, то в основном это агрегаты, выпускающие 1360 т NH3/сутки.

Слайд 35

Блок-схема синтеза аммиака
1 - очистка природного газа от сернистых соединений; 2-

паровая конверсия метана; 3 - воздушная конверсия метана; 4 - конверсия оксида углерода (II); 5 -хемосорбционная очистка авс; 6- метанирование; 7 - синтез аммиака; 8 - абсорбция аммиака; 9 - сжатие аммиака.

Слайд 36

Установка синтеза аммиака мощностью 600 т NH3/сутки
1 – компрессор; 2 –

колонна синтеза; 3 - котел-утилизатор, 4 – горячий теплообменник;5 – теплообменник; 6 - конденсатор-сепараторе; 7 - конденсационная колонна; 8 - сепарационная часть конденсационной колонны; 9 – аммиачный испаритель

Слайд 37

Агрегат синтеза аммиака мощностью 1360 т NH3/сутки
І - стадия сжатия (компремирования);

ІІ - стадия синтеза; ІІІ - стадия выделения продукционного аммиака.
С.С.Г. - свежий синтез-газ; Ц.С.Г. - циркуляционной синтез-газ; П.Г. - продувочные газы; NH3 Г. - продукционный аммиак; NH3 ох. - жидкий аммиак для охлаждения.
1 - колонна синтеза; 2 - регенерационные теплообменники; 3 - аммиачный холодильник;
4 - конденсационная колонна; 5 - воздушный холодильник; 6 - сепаратор жидкого ммиака; 7 - компрессор

Слайд 38

Основное оборудование Колонна синтеза
1 – люк для выгрузки катализатора; 2 –

центральная труба; 3 – корпус катализаторной коробки; 4 – термопарный чехол;5 – загрузочный люк; 6 – теплообменник; 7 – ввод байпасного газа на первую полку; 8 – 1 - ый катализаторный слой; 9 – ввод байпасного газа на вторую полку; 10 – 2 - ой катализаторный слой; 11 – ввод байпасного газа на третью полку; 12 – 3 - ий катализаторный слой; 13 – ввод байпасного газа на четвертую полку; 14 – 4 -ый катализаторный слой; 15 – корпус колонны

Слайд 39

Конденсационная колонна
1 – крышка; 2 – корпус;
3 – теплообменник;4 – кольца

Рашига;
5 - центральная труба;6 – днище

Производство синтетического аммиака (лекция 13)

Содержание

Физические свойстваАммиак – бесцветный газ с характерным запахом. При охлаждении до

Сухие аммиак и воздух образуют взрывоопасные смеси, предел взрываемости которых при

Химические свойстваС водой аммиак образует гидраты NH3, H2O и 2NH3·H2O. При

Основные химические продукты, получаемые на базе аммиака

Производители и объёмы производства аммиака в России

Физико-химические основы производства синтетического аммиака Равновесие синтеза аммиакаПроцесс синтеза аммиака описывается следующим

Для расчета равновесной степени превращения зададимся следующими данными: состав исходной газовой

Константу равновесия реакции можно записать в следующем виде:Для определения равновесных концентраций

Выразим концентрацию всех компонентов через. CNH3 получим: илиДля упрощения решения этого

После упрощения этого уравнения получим квадратное уравнение с одним неизвестным:Для решения

Коэффициенты β и I зависят от давления.

Зависимость равновесной концентрации аммиака в газовой смеси от температуры и давления

Зависимость выхода аммиака от давления (объёмная скорость 30 000 ч-1; t

Зависимость равновесного выхода аммиака от температуры для различных давлений

Катализаторы синтеза аммиакаВ результате многолетних исследований было установлено, что каталитическими свойствами

Схема производства катализатора синтеза аммиака СА-11 — грохот; 2 — обкаточный

Кинетика синтеза аммиака Механизм действия катализатораCинтез аммиака состоит из нескольких стадий, включающих:диффузию

Лимитирующей стадией катализа является активирующая адсорбция азота. Исходя из этого, М.