Синтез аммиака.

Аммиак—ключевой продукт различных азотосодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве. Аммиак NH₃ – основание, умеренно сильный восстановительный агент и эффективный комплексообразователь по отношению к катионам, обладающим вакантными связями.

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

Реакция обратимая, экзотермическая, при высоких температурах становится еще более экзотермической. Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается в сторону уменьшения выхода аммиака. Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. Согласно уравнению 4 моль исходных газообразных реагентов образуют 2 моль газообразного продукта. Основываясь на принципе Ле Шателье, можно сделать вывод, что в условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

Принцип Ле Шателье—Брауна: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

Итак, максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низких температурах. Однако даже при оптимальных условиях процесс синтеза в гомогенной газовой фазе практически неосуществим. Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора, причем катализаторами служат твердые вещества.

Гетерогенно-каталитический процесс синтеза аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями;

1. диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора;

2. хелюсорбция молекул реагентов (адсорбатов) на поверхности катализатора;

3. поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними;

4. десорбция продукта;

5. диффузия продукта реакции (аммиака) от поверхности катализатора в газовую фазу.

Высокую каталитическую активность в процессе синтеза аммиака проявляют металлы 6,7 и 8 групп периодической системы. Наибольшей активностью обладают Fe, Ru (рутений), Re (рений), Os (осмий). В промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующим восстановлением железа.

Катализаторы синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором. Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5*10 ^-5%. Кислород и кислородосодержащие соединения (H₂O; CO; CO₂), присутствующие в азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность катализатора обратимо.

Технологическое оформление процесса синтеза аммиака.

Агрегаты синтеза аммиака в зависимости от применяемого давления можно разделить на три группы: низкого давления (10,0  16,0 МПа); среднего давления (20  50 МПа); высокого давления (80  100 МПа).

В мировой азотной промышленности наибольшее распространение получили установки среднего давления. В России эксплуатируются системы, работающие под давлением 30 – 36 МПа. В современных агрегатах синтеза аммиака процесс ведут наплавленных железных катализаторах при температурах 420  500 С, давлении 25 32 МПа. Съем аммиака с 1 м ³ катализатора составляет 20  40 т/сутки.

Свежая азотоводородная смесь после очистки сжимается в центробежном компрессоре до нужного давления, и после охлаждения поступает в нижнюю часть конденсационной колонны для очистки от остаточных примесей СО₂, Н₂О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается от указанных примесей насыщается аммиаком до 3-5% и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в выносной теплообменник, где нагревается до 185195С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонну синтеза. Здесь он проходит снизу вверх по кольцевой щели между карнизом колонны и кожухом насадки и поступает во внутренний теплообменник, размещенный в горловине корпуса колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до температуры начала реакции 400 440С и затем последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15%. Пройдя через центральную трубу, при температуре  500С азотводородоаммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где, нагревая циркуляционный газ, охлаждается до 33С. Дальнейшее охлаждение газовой смеси осуществляется в подогревателе питательной воды и выносном теплообменнике до 65С за счет холодного циркулирующего газа и затем в аппаратах воздушного охлаждения до 40С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе, а затем смесь, содержащая 1012% NH ₃, идет на циркуляционное колесо компрессора, где сжимается до 32 МПа.

Циркуляционный газ при температуре 50 поступает в систему вторичной конденсации, включающую конденсационную колонну и испарители жидкого аммиака. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18С и в испарителях за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве до -5С. Из испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотводородной смеси с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в выносной теплообменник, а затем в колонну синтеза.

Жидкий аммиак из первичного сепаратора проходит магнитный фильтр, где из него выделяется катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны. Затем его дросселирует до добавления 4 МПа, и отводят в сборник жидкого аммиака. В результате дросселирования происходит выделение растворенных в аммиаке газов Н₂ , N₂ , C₂ , CH₄. Эти газы, называемые топковыми, содержат 1618 NH₃. Поэтому топковые газы направляют в испаритель с целью утилизации аммиака путем его конденсации при -25С. Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступает в сепаратор для отделения жидкого аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака.

Для поддержания в циркуляционном газе содержания постоянного содержания инертных газов, не превышающего 10, производится продувка газа после первичной конденсации. Продувочные газы содержат 8-9 аммиака NH₃. Который выделяется при температуре -25С в конденсационной колонне и испарителе продувочных газов. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используется как топливный газ.