Конвертированный газ на выходе из конвектора 17 имеет следующий состав (%): Н₂ – 61,7; CO₂ – 17,4; CO – 0,5; N₂ + Ar – 20,1; CH₄ – 0,3.

После охлаждения и дальнейшей утилизации теплоты конвертированный газ поступает на очистку.

Аппаратурное оформление процесса.

1. Конвектор метана I ступени. Состоит из двух камер: топочной (радиационной) и конвекционной. В топочной камере печи размещаются реакционные трубы 3, заполненные никелевым катализатором, и горелки 4, в которых сжигается природный газ.Полученные в горелках дымовые газы обогревают трубы с катализатором, затем теплота этих газов дополнительно используется в конвекционной камере, где размещены подогреватели парогазовой 10 и паровоздушной смеси 11, перегреватель пара высокого давления 12, подогреватель природного газа 9.

Конвектор метана II ступени. Представляет собой вертикальный аппарат, в верхней части которого расположена смесительная камера 11. В нижней конусной части аппарата выложен свод 6, на который укладываются шары из глинозема 5, а на них никелевый катализатор 9 в форме колец. Внутри аппарат футерован жаропрочным бетоном 10, снаружи он имеет водяную рубашку 4, не допускающую опасных перегревов корпуса при дефектах футеровки.

Рис.1.2. Схема трубчатой печи – конвектора метана I ступени:

1- топливная камера печи (реакционная зона), 2- конвекционная камера печи, 3- реакционные трубы с катализатором, 4- горелки, 5- газоподводящий коллектор, 6- газоотводящий коллектор, 7- выхлопная труба, 8- дымосос, 9- подогреватель природного газа, 10- подогреватель парогазовой смеси, 11- подогреватель воздуха, 12- перегреватель парового котла утилизатора.

Радиальный конвектор оксида углерода. В радиальных конвекторах катализатор располагают в корзинах, образованных коаксиально расположенными центральной трубой и обечайкой, рабочие поверхности которых перфорированы и покрыты сеткой со стороны катализатора. Между корпусом реактора и наружной обечайкой катализаторной корзины образуется кольцевой канал, по которому вводят сырье или отводят продукты реакции.

В радиальном конвекторе имеет место сложное движение потока одновременно в осевом направлении (по кольцевому каналу и центральной трубе) и радиальном (через слой катализатора).

Рис.1.3. Шахтный конвектор метана (конвектор метана II ступени). 1- термопары, 2- защитный слой, 3- корпус, 4- водяная рубашка, 5- шары из глинозема, 6- свод, 7- опора, 8- лестница, 9- катализатор, 10- футеровка, 11- смесительная камера, 12- верхняя площадка для обслуживания.

Рис.1.4.Радиальный конвектор оксида углерода. 1- основные слои катализатора, 2- запасные слои катализатора.

Глава 2.

Производство аммиака.

Аммиак – ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве.

Области применения: в производстве азотной кислоты, карбамида, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, красителей, полимерных материалов и т.д.

---

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции:

N₂ + 3H₂↔ 2NH₃ + Q (2.1.)

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (ΔН₂₉₈ = - 91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической. Изменении энтропии в данном случае тоже отрицательно ( ΔS⁰₂₉₈ =-198,13 кДж/моль^.К) и не благоприятствует протеканию реакции. При отрицательном значении ΔS⁰ повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции, так как при этом ΔG⁰ становится все более положительной величиной.

Поэтому, чем выше температура, тем менее термодинамически вероятным будет процесс.

Поскольку процесс синтеза аммиака является обратимым, экзотермическим и идет с уменьшением числа молей, для смещения равновесия вправо необходимо снижать температуру и увеличивать давление.

Синтез аммиака не идет в газовой фазе даже при очень высоких температурах из-за высокой энергии активации. Для ее снижения процесс необходимо проводить на поверхности катализатора.

Наибольшей каталитической активностью обладают Fe, Os, W, Pt, Ru. В промышленности нашли применения железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующим восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяют Al₂O₃ и K₂O для уменьшения роста кристаллов железа и для облегчения диффузии образовавшегося аммиака с поверхности катализатора соответственно.

Катализатор из активированного железа необратимо отравляется сернистыми соединениями и обратимо –кислородосодержащими соединениями. Поэтому перед синтезом свежая АВС подвергается тщательной очистке.

Таким образом, процесс является гетерогенно-каталитическим. Лимитирующая стадия – хемсорбция азота на поверхности катализатора.

N₂ + Z = ZN₂ (2.2.)

ZN₂ +3H₂ = 2NH₃ + Z (2.3.), где Z – свободный центр поверхности катализатора.

Так как синтез аммиака идет в кинетической области, то для увеличения скорости процесса необходимо увеличивать температуру.

Катализатор –активированное железо, работает в узком температурном интервале 420-500⁰С, что и будет определять температуру синтеза.

Выбор давления.

Осуществляются три режима работы:

1). Низкое 10-20 МПа

2. Среднее 28-35 МПа

3. Высокое 45 –100 МПа.

Установки низкого давления применяются редко, из-за их малой экономичности и сложности схемы.

Преимущества аппаратов высокого давления: увеличивается концентрация аммиака в газе, растет производительность установок, проще схема. Однако, наряду с позитивными моментами, существуют и недостатки: увеличивается концентрация инертных примесей, большой расход электроэнергии, уменьшается срок службы катализатора.

Большинство установок в промышленности работают при среднем давлении – 30 – 32 МПа.

Повышение давления оказывает положительное влияние как на выход, так и на скорость процесса, так как скорость прямой реакции зависит от давления в степени 1,5, а скорость обратной реакции – в степени 0,5.

---

Выбор соотношения исходных компонентов.

Так как процесс синтеза аммиака является обратимым несмещенным, то избыток компонента не сможет существенно сместить равновесие реакции. И с другой стороны, лимитирующая стадия – хемсорбция азота, поэтому для увеличения скорости процесса он должен быть выбран, как реагент, используемый в избытке. А это приведет к накоплению инертов и снижению давления в системе, что в свою очередь снизит выход и скорость процесса.

Таким образом, целесообразно поддерживать стехиометрическое соотношение исходных компонентов, т.е. N₂ :H₂=1:3

Для увеличения степени использования сырья процесс проводят по циркуляционной схеме вдали от положения равновесия с большими объемными скоростями. Повышение объемной скорости приводит к снижению выхода аммиака, но в целом ведет к увеличению интенсивности процесса.

Для предотвращения накопления инертов в циркуляционном газе проводят отдувку – часть циркуляционного газа выбрасывают в атмосферу с таким расчетом, чтобы количество инертов, поступающих со свежим газом, было равно количеству инертов, удаляемых из системы отдувкой.

Для разрешения противоречия между выходом и скоростью, процесс проводят по линии оптимальных температур. Для этого в колонне синтеза предусмотрена подача холодного байпасного газа после каждого слоя катализатора.

Технологическое оформление процесса синтеза аммиака.

В современных агрегатах синтеза аммиака большой единичной мощности процесс ведут на плавленых железных катализаторах при температурах 420-500⁰С, давлении 25-32 МПа, объемной скорости 15-20 тыс.ч^-1.

На рис. 2.1. представлена упрощенная технологическая схема синтеза аммиака.

Error: Reference source not found

2.1.Упрощенная технологическая схема синтеза аммиака:

1 –колонна синтеза, 2 –теплообменник, 3 –сепаратор, 4 –сборник жидкого аммиака, 5 –конденсационная колонна, 6 –испаритель, 7 –компрессор.

Газообразная азото-водородная смесь поступает в компрессор (7) и сжимается до 30 МПа. Затем поступает в колонну синтеза (1), где при температуре 450—500⁰С идет реакция (2.1.). Из колонны синтеза выходит смесь, содержащая: азот, водород и аммиак.

Дальнейшие действия необходимо направить на отделение образовавшегося аммиака от непрореагировавшей азото-водородной смеси. Это можно сделать, превратив аммиак в жидкость.

Поэтому смесь направляют в теплообменник (2), где она охлаждается.

В сепараторе (3) жидкий аммиак отделяется и поступает в сборник жидкого аммиака (4).

Газообразная смесь: H₂, N₂, NH₃ проходит конденсационную колонну (5) и поступает в испаритель жидкого аммиака (6). В межтрубном пространстве испарителя кипит автономный жидкий аммиак при температуре –5⁰С. Газообразная смесь в испарителе охлаждается, в результате чего весь газообразный аммиак превращается в жидкий. Для отделения жидкого аммиака от непрореагировавшего азота и водорода смесь возвращают в нижнюю часть конденсационной колонны (5), где расположено сепарационное устройство. Жидкий аммиак отделяется и стекает в сборник жидкого аммиака (4). Непрореагировавшая азото-водородная смесь идет на рециркуляцию.

---

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертов производится отдувка. Часть циркуляционного газа выбрасывается в атмосферу с таким расчетом, чтобы количество инертных примесей, поступающее со свежим газом, было равно количеству инертов, удаляемых из системы отдувкой.

На рис. (2.2) и (2.3.) представлены основные аппараты технологической схемы синтеза аммиака.

Оборудование агрегата.

Колонна синтеза. В агрегатах мощностью 1360 т/сут получили распространение аксиальные четырехполочные насадки с предварительным теплообменником и трехполочные с выносным теплообменником. На рис.2.2. показана четырехполочная колонна с аксиальными насадками.

Р ис.2.2. Четырехполочная колонна синтеза аммиака:

1 –люк для выгрузки катализатора, 2 –центральная труба, 3 –корпус катализаторной коробки, 4 –термопарный чехол, 5 –загрузочный люк, 6 –теплообменник, 7, 9, 11, 13 –ввод байпасного газа, 15 –корпус колонны.

Основной поток газа поступает в колонну снизу, проходит по кольцевой щели между корпусом колонны 15 и кожухом катализаторной коробки 3 и поступает в межтрубное пространство теплообменника 6. Здесь синтез газ нагревается конвертированным газом до 420-440⁰С и проходит последовательно четыре слоя катализатора 8, 10, 12, 14, между которыми подается холодный байпасный газ. После четвертого слоя катализатора газовая смесь при 500-515⁰С поднимается по центральной трубе 2, проходит по трубкам теплообменника 6, охлаждаясь при этом до 320-350⁰С, и выходит из колонны.

К онденсационная колонна. (Рис.2.3.). Представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоит из теплообменника и сепаратора, размещенного под теплообменником. Охлаждаемый газ идет по межтрубному пространству теплообменника, а газ после сепарации аммиака – по трубам.

Рис.2.3. Конденсационная колонна:

1 –корпус, 2- теплообменник, 3 –отбойник, 4 –сепарационное устройство.

Газ, охлажденный в испарителе, через нижний штуцер поступает в сепарационное устройство 4, в котором создается вращательное движение, при этом частицы жидкости отделяются от газового потока, собираются в нижней части аппарата и непрерывно выводятся. Газ поднимается вверх, проходит отбойник 3 и, проходя трубное пространство, отдает свой холод. Свежий газ, входящий через боковой штуцер в нижней части аппарата, барботирует через слой жидкого аммиака, освобождаясь от паров воды и СО₂

Перспективные направления развития производства аммиака.

1. Увеличение единичной мощности аппарата.

1. Создание энерготехнологических схем.

2. Синтез низкотемпературного катализатора.

Глава 3

Производство азотной кислоты

Азотная кислота является одной из важнейших минеральных кислот и по объему производства занимает второе место после серной кислоты. Она образует растворимые в воде соли (нитраты), обладает нитрующим и окисляющим действием по отношению органических соединений, в концентрированном виде пассивирует черные металлы. Все это обусловило широкое использование азотной кислоты в народном хозяйстве и оборонной технике.

---

Области применения: в производстве удобрений, нитролаков, пластических масс, лекарственных препаратов, красителей и т.д.

Сырье для производства азотной кислоты.

Сырьем для производства азотной кислоты служат аммиак, воздух и вода. Синтетический аммиак обычно загрязнен примесями: катализаторная пыль, смазочные масла (при сжатии поршневыми компрессорами). Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака. Тонкой очистке аммиачно-воздушная смесь подвергается в фильтре с поролитовыми трубками.

Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на территории завода или вблизи от него. Этот воздух загрязнен газообразными примесями и пылью. Поэтому он подвергается тщательной очистке воизбежании отравления катализатора окисления аммиака. Очистку проводят в скруббере, орошаемом водой, затем в двухступенчатом фильтре.

Вода, применяемая для технологических нужд, подвергается специальной подготовке: отстою от механических примесей, фильтрованию и химической очистке от растворенных в ней солей.

Производство азотной кислоты состоит из трех стадий: I-стадия – каталитическое окисление аммиака, II-стадия – окисление оксида азота (II) в оксид азота (IV), III-стадия – абсорбция диоксида азота.

I-стадия.-.каталитическое окисление аммиака.

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O +Q (3.1)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O +Q (3.2)

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O + 6H₂O +Q (3.3)

Кроме реакций (1-3) в контактном аппарате возможно протекание других побочных реакций, снижающих селективность процесса. Так, например, при повышении времени контактирования больше оптимального, возможна термическая диссоциация аммиака:

2NH₃ N₂ + 3H₂ – Q (3.4)

При повышении линейной скорости аммиачно-воздушной смеси, низкой температуре, отравлении катализатора происходит проскок аммиака, что приводит к образованию элементарного азота:

4NH₃ + 6NO = 5N₂ + 6H₂O +Q (3.5)

Таким образом, процесс окисления аммиака до оксида азота (II) является сложным, т.к. наряду с целевым получаются побочные продукты.

О равновесном состоянии основной реакции (1) можно судить по величине константы равновесия, которая при температуре 900⁰С равна 10⁵³. Известно, что для обратимых реакций константы равновесия имеют значения в пределах 10^-2 – 10². Наиболее вероятные побочные реакции 2-3 также имеют значения констант равновесия намного превышающие величину 10². Поэтому процесс окисления аммиака до оксида азота (II) – необратимый.

Энергетическая характеристика: процесс окисления аммиака до оксида азота (II) имеет отрицательный тепловой эффект, идет с выделением теплоты, т.е. является экзотермическим.

Выбор оптимальных условий проведения процесса.

1. Катализатор.

Реакция (11.1) в объеме не идет даже при высоких температурах из-за большой величины энергии активации. Для реализации этой реакции необходимы катализаторы, активно адсорбирующие кислород. В промышленности чаще всего применяют платиново-родиевые катализаторы. Окисление аммиака на этих катализаторах протекает очень быстро, время контактирования – 10^-4 сек, выход при этом составляет 98%.

---

Смотрите также файлы

• Экзаменационные билеты по ОХТ.docx

• ОХТ курсач.docx

• Контрольная работа.Микробиология.МИППС 8 вариант.docx

• Контрольная работа.Правоведение.МИППС. вариант 98.docx

• Контрольная работа.Физ-Хим основы ПОП.МИППС. В-98.docx