Найважливіші хімічні виробництва
до списку лекцій
до списку предметів
Найважливіші хімічні виробництва.
Аналіз найважливіших хімічних виробництв, обґрунтування вибору умов і типів реакційних вузлів в них побудовані на основі положень теорії хімічних процесів і теорії реакторів. За характером які виникають продуктів розглядаються виробництва поділені на дві групи: неорганічні і органічні виробництва, причому об'єктами вивчення є великотоннажні виробництва.
Технологія зв'язаного азоту.
Під зв'язаним азотом розуміють азот, що знаходиться у вигляді сполук з іншими елементами - аміаку, азотної кислоти, карбаміду, амінів, амінокислот, білків і т.д.
Азот є одним з 4-х елементів, без яких неможливе існування живої матерії. Залучення азоту в геобіохіміческіе цикли здійснюється в природі шляхом його фіксації з атмосфери деякими грунтовими мікроорганізмами. Тим не менше кількість атмосферного азоту, фіксованої цими мікроорганізмами, не відповідають потребам сучасної цивілізації. У зв'язку з цим переклад атмосферного азоту в його сполуки в промислових масштабах є глобальною практичним завданням, рішення якої націлене на виробництво азотних добрив, що заповнюють дефіцит пов'язаного азоту в ґрунті.
В даний час домінуючим методом фіксації атмосферного азоту є процес з'єднання азоту з воднем з отриманням аміаку.
Теоретичні основи синтезу аміаку, обґрунтування вибору параметрів процесу.
Синтез аміаку протікає відповідно до стехиометрическим рівнянням
Ця реакція оборотна, екзотермічна і супроводжується зменшенням обсягу. Реакція протікає на каталізаторі - пористом залозі з додаванням стабілізуючих і промотуючих добавок (Al2 O 3. K 2 O. CaO. SiO 2 і ін.). Він активний і термічно стійкий в області температур 650 - 830 К. З'єднання сірки отруюють каталізатор необоротно, а кисень і деякі його сполуки, особливо СО - оборотно, але дуже швидко і навіть в мізерно малих концентраціях.
Температура є фактором швидкості процесу, однак зі зростанням температури рівновагу реакції зміщується в бік реагентів. Це обумовлює наявність оптимальної температури процесу, що забезпечує максимальну продуктивність. На практиці діапазон оптимальних температур становить 400-500 ° С в залежності від сукупності інших параметрів.
Тиск є одночасно і фактором швидкості і фактором зміщення рівноваги в бік продуктів реакції. Особливо важлива остання функція тиску, тому що завдяки підвищенню тиску компенсується негативний вплив температури як фактора зміщення рівноваги в бік вихідних реагентів. Високий тиск також сприяє конденсації аміаку на наступних стадіях. Зверху тиск обмежується збільшенням витрат на компримування і прискоренням зносу обладнання. Облік впливу всіх протиборчих факторів обумовлює вибір оптимального значення тиску. На практиці працюють при тисках 30 - 32 МПа.
Співвідношення реагентів вибирають виходячи з вимог стехиометрии і максимальної продуктивності, яка як раз відповідає стехиометрическому співвідношенню.
Об'ємна швидкість є фактором збільшення продуктивності реактора, тому що величина. визначальна продуктивність, зростає - зниження конверсії вихідної суміші в аміак перекривається зростанням об'ємної швидкості W. Оскільки з ростом об'ємної швидкості газового потоку зростає обсяг непрореагировавших газів, які необхідно повертати в цикл, то це призводить до збільшення енерговитрат на транспортування газів, їх нагрівання, охолодження, збільшення розмірів трубопроводів і реакційної апаратури. Іншим серйозним перешкодою до збільшення об'ємної швидкості є порушення автотермічності режиму через зниження тепловиділень. На практиці працюють з оптимальними значеннями W »40000 ч -1 якому відповідав би ступінь перетворення азоту 27 - 28%.
Високі об'ємні швидкості в поєднанні з дотриманням оптимального температурного режиму, застосування азото-водневої суміші високого ступеня чистоти і використанням досить активних контактних мас повинні забезпечити більшу продуктивність цехів синтезу аміаку при високих економічних показниках процесу.
Сировина для синтезу аміаку.
В якості вихідної суміші в процесі синтезу аміаку використовується азото-воднева суміш. Водень отримують конверсією метану
Обидві реакції протікають спільно, при цьому з метою значного зв'язування метану процес ведуть при високих температурах 1080-1100 К, що забезпечують практичне зміщення рівноваги (2) в праву сторону. Процес ведуть в трубчастих реакторі, через міжтрубний простір якого циркулюють гарячі топкові гази, що утворюються при горінні природного газу в факельних пальниках, розташованих у верхній частині реактора. З метою форсування процесу до освіти водню і зв'язування СО (контактна отрута) виходить з реактора газ надходить на 2-у сходинку конверсії в реактор адіабатичного типу. Тут для підтримки необхідної температури в реакційній зоні (1230 - 1280 К) в реактор подається повітря. Необхідна тепло акумулюється за рахунок часткового спалювання природного газу.
З іншого боку, остання реакція є джерелом утворення необхідних для реакції (2) і (3) водяної пари. Оскільки разом з повітрям в реактор подається азот, конвертор 2-го ступеня виконує одночасно функцію виділення азоту з повітря. Щоб сформувати Стехіометрична суміш Н2. N2 = 3. 1 повітря подається стільки, скільки вимагає стехіометрії процесу синтезу аміаку.
Конвертований газ містить СО2 (17 - 18 об.%) І СО (0,3 - 0,5 об.%). Перша домішка є баластом для синтезу аміаку. Багаторазовий рецикл азотоводородной суміші містить СО2 може привести до прогресуючого накопичення СО2 в Рециркулято. Це призведе до зниження швидкості реакції і зміщення рівноваги (1) в небажану ліву сторону. Друга домішка, СО, є катализаторную отрутою. У зв'язку з цим, водень, що надходить на синтез, підлягає очищенню від СО2 і СО. Від діоксиду вуглецю звільняються абсорбцією 19 - 21% розчином моноетаноламіна (NH 2 CH2 CH2 OH).
Абсорбцію ведуть при низьких температурах забезпечують зсув рівноваги (5) в сторону продукту карбонізації. Отриманий абсорбатамі піддають десорбції при більш високій температурі зміщуючи рівновагу (5) в ліву сторону. Утворений в результаті чистий СО2 є товарним продуктом і може використовуватися як реагент (синтез сечовини), хладоагент і розчинник для вилучення цінних компонентів з лікарських трав. Моноетаноламін після десорбції повертається на процес абсорбції.
СО вкрай важко отримати кількісно сорбційними методами. Тому очищений від СО2 водень піддають Метанізація, перетворюючи СО в нешкідливий для процесу метан. Газ після моноетаноламіна очищення підігрівають і направляють в реактор, що містить нікелевий каталізатор. На ньому гідруван СО і залишки СО2.
В якості основного реакційного апарату синтезу аміаку використовується багатополичний колона (рис. 1). Колона є циліндр висотою близько 30 м і діаметром приблизно 2,5 м, виконаний зі спеціальної сталі, здатної витримувати високі тиску, температури і агресивна дія азоту, водню і аміаку. Холодний газ подається в нижню частину колони і спрямовується вгору між корпусом колони (15) і корпусом катализаторной коробки (3). У верхній частині реактора холодний газ потрапляє в міжтрубний простір теплообмінника (6), в якому він нагрівається до 400 ° С за рахунок теплоти виходить з реактора по трубах теплообмінника газу синтезу. Підігріта азотно-воднева суміш проходить послідовно чотири шару каталізатора (8, 10, 12 і 14) і потрапляє в центральну трубу (2), по якій прямує до теплообмінника (6). При цьому газ охолоджується приблизно до 330 ° С.
У зв'язку з тим, що реакція синтезу аміаку екзотермічну газ на каталізаторних полицях сильно нагрівається. При цьому температура значно відхиляється від оптимальної. Для регулювання температурного режиму передбачена подача байпасного потоку холодної азото-водневої суміші через патрубки (7, 9, 11 і 13) в кожен шар каталізатора.
Холодний газ потім підігрівають в теплообміннику (3) і повертають в колону синтезу (1). Забезпечують циркуляцію потоку компресором (7). Перед ним в циркуляційний реакційний газ додають свіжу азото-водневу суміш.
При багаторазовій рециклізації азото-водневої суміші відбувається накопичення інертний (Ar і CH4) в рециркуляційно газі, тому на лінії рециркулюючого газу передбачена отдувка (висновок) частини газу з рецикла. Ці гази можна використовувати в якості палива або відновлювальних агентів для знешкодження викидів. містять оксиди азоту.
Основні напрямки в розвитку виробництва аміаку.
1. Кооперація азотної промисловості з промисловістю основного органічного синтезу на базі використання природного газу та газів нафтопереробки в якості сировини;
2. Укрупнення всього виробництва в цілому, і окремих його підсистем;
3. Розробка процесів на основі більш активних каталітичних систем і зниження за рахунок цього тиску в процесі;
4. Застосування колон синтезу з «киплячому шаром» каталізатора;
5. Подальше вдосконалення систем раціонального використання тепла.
Для останньої проблеми можна використовувати енерготехнологічна систему у виробництві аміаку. Стиснення спочатку природного газу на стадії конверсії до 4,5 МПа, а потім азото-водневої суміші до 30 - 32 МПа, її циркуляція в підсистемі синтезу здійснюється допомогою потужних турбокомпресорів. Крім того, в енергетичній системі є ще ряд ліній. Загальне споживання енергії становить 880 - 900 кВт × год / т (NH3). Ключовим є компресор азото-водневої суміші з частотою обертання близько 11000 об. / Хв, що споживає більше половини енергії всього виробництва аміаку. Застосування для приводу цього компресора електродвигуна практично неможливо. Тому для цієї мети використовується енергоносій - пар з високими параметрами: тиском до 10 МПа і температурою 720 - 740 К. Для приводу інших компресорів використовують також парові турбіни на енергоносіях з меншими параметрами. У виробництві аміаку використовується високопотенціальні технологічні потоки: конвертований газ і димові гази після конверсії метану. Але їх енергії і потенціалу недостатньо для утворення пари з високими параметрами. Необхідний додатковий високотемпературний джерело енергії. Їм є допоміжний котел з вогневим обігрівом, встановлений в газоході після трубчастої печі. Пар, що отримується в котлах, утилізаторах, в лініях технологічних потоків і в додатковому котлі, збирається в Парозбірники і звідти розподіляється на парові турбіни-приводи компресорів. Т.ч. виробництво аміаку стає автономним з енергетичного пару, але для його вироблення використовується свої вторинні енергетичні ресурси, споживаючи також додаткові кількості палива - природний газ.
до списку предметів
до списку лекцій