Métodos de obtención de amoniaco en el laboratorio y la industria. Producción de amoniaco a escala de laboratorio e industrial. Producción de amoniaco en la industria.
Municipal institución educativa
Escuela secundaria novosafonovskaya
Producción de amoniaco: una breve descripción de
Distrito de Prokopyevsky 2006
Introducción
1. Métodos para producir amoniaco
2. Proceso moderno de obtención de amoniaco
Lista de literatura usada
Introducción
La tarea económica general de toda empresa química es obtener sustancias químicas de alta calidad y en cantidad suficiente para que su implementación sea rentable. Relacionado con esto está el requisito de que todos los recursos se utilicen de la manera más eficiente posible. Sin embargo, esto solo se puede lograr si el proceso químico en sí es más efectivo. V industria química en lugar del término "reactivos", los términos "materias primas", "materias primas" o simplemente materias primas se utilizan con mucha más frecuencia, a veces "minerales". Para que cualquier proceso se justifique económicamente, es necesario lograr el rendimiento óptimo del producto objetivo a partir de las materias primas. El rendimiento óptimo no coincide necesariamente con el rendimiento teórico o incluso con el rendimiento máximo alcanzable. Obtener el rendimiento máximo alcanzable puede, por ejemplo, requerir un consumo excesivo de cualquier material de partida costoso, o un proceso demasiado largo, o crear condiciones extremas(temperaturas o presiones muy altas), plagado de peligros situaciones de emergencia etc., todo esto puede hacer que la producción máxima alcanzable no sea rentable desde el punto de vista económico.
El rendimiento real de cada proceso químico específico puede depender de varios factores, siendo los principales la temperatura, la presión, la presencia de un catalizador, la pureza de los materiales de partida y la eficiencia de recuperación del producto final. La producción industrial de sustancias implica un excelente conocimiento de las leyes teóricas del flujo. reacciones químicas(energética de reacciones químicas, cinética química y catálisis, equilibrio químico).
Todos los factores que se enumeran a continuación son importantes, especialmente cuando se trata de industrias de gran tonelaje, como, por ejemplo, la producción de amoníaco.
Los diseñadores de plantas químicas construyen plantas de amoníaco de alta resistencia. Por ejemplo, se han creado instalaciones que producen 1000-1200 toneladas de amoniaco por día. En la actualidad, se producen anualmente alrededor de 5 millones de toneladas de amoníaco en todo el mundo.
1. Métodos para obtener amoniaco
desulfurizador de proceso de cianamida de amoniaco
El primer proceso industrial utilizado para producir amoniaco fue el proceso de cianamida. Cuando se calentaron cal CaO y carbono, se obtuvo carburo de calcio CaC2. Luego, el carburo se calentó en una atmósfera de nitrógeno para obtener cianamida de calcio CaCN2; luego se obtuvo amoniaco por hidrólisis de cianamida:
CaCN2 (tv) + 3H2O = 2NH3 + CaCO3 (tv)
Este proceso requería mucha energía y era económicamente desventajoso.
En 1908, el químico alemán F. Haber descubrió que el amoníaco se puede obtener a partir del hidrógeno y el nitrógeno atmosférico en un catalizador de hierro. La primera planta para la producción de amoníaco con este método utilizó hidrógeno, que se obtuvo por electrólisis de agua. Posteriormente, se empezó a obtener hidrógeno a partir del agua mediante reducción con coque. Este método de producción de hidrógeno es mucho más económico. Después del descubrimiento de Haber, la producción de amoníaco comenzó a crecer rápidamente, esto no es sorprendente, ya que se necesitan grandes cantidades de amoníaco para obtener fertilizantes que contienen nitrógeno. Aproximadamente el 80% de todo el amoníaco producido en el mundo se utiliza para su fabricación. Junto con los fertilizantes que contienen nitrógeno, el nitrógeno se introduce en el suelo en forma soluble, que es necesaria para la mayoría de las plantas. El ≈20% restante del amoniaco producido se utiliza para obtener polímeros, explosivos, tintes y otros productos.
El proceso moderno para producir amoníaco se basa en su síntesis a partir de nitrógeno e hidrógeno utilizando un catalizador especial:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)
Dado que esta reacción es reversible, surge la pregunta: a qué temperaturas y presiones es más rentable lograr el máximo rendimiento.
¿producto? Dado que la reacción es exotérmica, según el principio de Le Chatelier, está claro que cuanto más baja sea la temperatura del proceso, más se desplazará el equilibrio hacia la formación de amoníaco, y se puede suponer que la temperatura debe reducirse tanto como sea posible. Pero en realidad todo es más complicado: a bajas temperaturas, la reacción prácticamente no se produce, por lo que hay que tomar una decisión de compromiso. Dado que el establecimiento de un estado de equilibrio óptimo de la reacción requiere baja temperatura, y para lograr una velocidad satisfactoria, una temperatura alta, en la práctica el proceso se lleva a cabo a una temperatura de aproximadamente 400 - 500 oC.
Pero incluso a una temperatura tan alta, se requiere la presencia de un catalizador especial para lograr una velocidad de reacción suficiente. Como catalizador se utiliza hierro esponjoso activado con óxidos de potasio y aluminio.
Puede verse en la ecuación de reacción que el número total de moles disminuye de 4 a 2. Según el principio de Le Chatelier, en este caso es ventajoso realizar el proceso aumentando la presión. Pero esta conclusión es solo cualitativa; en la práctica, necesita saber exactamente cuánto aumentará la producción de NH3 (en un 10% o solo en un 0,1%) con un aumento de la presión. La Tabla 1 muestra cuantitativamente el efecto de la temperatura y la presión sobre el rendimiento de amoniaco (porcentaje de amoniaco en la mezcla de equilibrio) durante la reacción.
Se puede ver en esta tabla que un aumento de temperatura a cualquier presión reduce significativamente el contenido de amoníaco en la mezcla de gases, sin embargo, a temperaturas por debajo de 500 ° C, la velocidad de reacción es muy baja, por lo tanto, en la práctica, el proceso suele ser realizado a una temperatura de 450 ° C.
tabla 1
En cuanto a la presión, aquí se utilizan presiones del orden de 300 - 100 atm, pero la mayoría de las veces la presión "media" es ≈ 250 atm. Aunque en estas condiciones solo alrededor del 20% de los materiales de partida se convierten en amoníaco, sin embargo, como resultado del uso de un esquema tecnológico circulante (la introducción de H2 y N2 sin reaccionar nuevamente en la reacción), el grado total de conversión de los materiales de partida para el amoniaco son muy altos.
2. Proceso moderno de obtención de amoniaco
El funcionamiento de una planta de amoniaco moderna es muy complejo. Esta afirmación parece sorprendente si se "concentra" sólo en la ecuación de reacción (1), de apariencia bastante simple, que es la base para la síntesis de amoníaco. Sin embargo, la declaración sobre la complejidad de la síntesis industrial de amoníaco no parecerá excesiva después del primer conocimiento del esquema de la planta de amoníaco que opera con gas natural (Fig.1). La primera etapa del proceso de síntesis de amoníaco incluye un desulfurador. El desulfurizador es un dispositivo técnico para eliminar el azufre del gas natural. Este es un paso absolutamente necesario, ya que el azufre es un veneno catalítico y "envenena" el catalizador de níquel en el siguiente paso de producción de hidrógeno.
La segunda etapa de la síntesis industrial de amoníaco implica la conversión de metano (producción industrial de hidrógeno). La conversión de metano es una reacción reversible que se desarrolla a 700 - 800 ° C y una presión de 30 - 40 atm usando un catalizador de níquel cuando se mezcla metano con vapor de agua:
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (2)
El hidrógeno formado por esta reacción, al parecer, ya puede usarse para la síntesis de amoníaco de acuerdo con la reacción (1); para esto, es necesario hacer correr aire que contenga nitrógeno en el reactor. Esto se hace en la etapa (3), pero en esta etapa tienen lugar otros procesos.
Se produce la combustión parcial de hidrógeno en oxígeno atmosférico:
2H2 + O2 = H2O (vapor)
Como resultado, en esta etapa se obtiene una mezcla de vapor de agua, monóxido de carbono (II) y nitrógeno. El vapor de agua, a su vez, se vuelve a reducir con la formación de hidrógeno, como en la segunda etapa según la segunda etapa, después los tres primeros En las etapas hay una mezcla de hidrógeno, nitrógeno y monóxido de carbono "no deseado" (II).
En la Fig. 1, la etapa (4) se designa como una reacción de "cambio", pero puede tener lugar en dos condiciones de temperatura y diferentes catalizadores. Oxidación
El CO, formado en las dos etapas anteriores, a CO2 se lleva a cabo exactamente según esta reacción:
CO + H2O (vapor) ↔ CO2 + H2 (3)
El proceso de "turno" se lleva a cabo secuencialmente en dos "rectores de turno". El primero de ellos utiliza el catalizador Fe3O4 y el proceso se lleva a cabo a una temperatura suficientemente alta del orden de 400 ° C. El segundo proceso utiliza un catalizador de cobre más eficiente y logra ejecutar el proceso a una temperatura más baja.
En el quinto grado, el monóxido de carbono (IV) se "elimina" de la mezcla de gases por absorción con una solución alcalina:
KOH + CO2 = K2CO3.
La reacción de "desplazamiento" (3) es reversible, y después de la 4ª etapa, aproximadamente 0,5% de CO permanece en la mezcla de gases. Esta cantidad de CO es suficiente para arruinar el catalizador de hierro en la etapa principal de la síntesis de amoníaco (1). En la sexta etapa, el monóxido de carbono (II) se elimina mediante la reacción de conversión con hidrógeno a metano en un catalizador especial de níquel a temperaturas de 300 - 400 ° C:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
La mezcla de gases, que ahora contiene ~ 75% de hidrógeno y 25% de nitrógeno, se comprime; su presión en este caso aumenta de 25 - 30 a 200 - 250 atm. De acuerdo con la ecuación de Cliperon-Mendeleev, tal compresión conduce a un aumento muy brusco de la temperatura de la mezcla. Inmediatamente después de la compresión, es necesario enfriar a 350 - 450 ° C. Es este proceso el que se describe con precisión mediante la reacción (1).
Lista de literatura usada
1.N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. Química. Teoría y tareas. - M.: ONIX siglo XXI "," Paz y Educación ", 2003.
Varios factores afectan la producción de la cantidad óptima de un producto químico, así como el logro de su máxima calidad. La producción de amoniaco depende de los parámetros de presión, temperatura, presencia de catalizador, sustancias utilizadas y método de extracción del material resultante. Estos parámetros deben estar debidamente equilibrados para lograr el mayor beneficio del proceso de producción.
Propiedades del amoniaco
A temperatura ambiente y humedad normal del aire, el amoníaco se encuentra en estado gaseoso y tiene un olor muy repulsivo. Está dotado de un efecto venenoso e irritante sobre las membranas mucosas del cuerpo. La producción y propiedades del amoniaco dependen de la participación del agua en el proceso, ya que esta sustancia es muy soluble en características normales del medio.
El amoníaco es un compuesto de hidrógeno y nitrógeno. Su fórmula química es NH 3.
Este químico actúa como un agente reductor activo, que libera nitrógeno libre como resultado de la combustión. El amoníaco presenta las características de las bases y los álcalis.
Reacción de una sustancia con agua.
Al disolver NH 3 en agua se obtiene agua amoniacal. Máximo a temperatura ordinaria, se pueden disolver 700 volúmenes de amoníaco en 1 volumen de un elemento acuoso. Esta sustancia se conoce como amoniaco y es muy utilizada en la industria de fertilizantes, en instalaciones tecnológicas.
El NH 3 obtenido disolviéndolo en agua está parcialmente ionizado por sus cualidades.
El amoniaco se utiliza en uno de los métodos de laboratorio para obtener este elemento.
Obtener una sustancia en un laboratorio
El primer método para producir amoníaco es llevarlo a ebullición, después de lo cual se seca el vapor resultante y se compuesto químico... También es posible obtener amoníaco en el laboratorio calentando cal apagada y cloruro de amonio sólido.
La reacción para obtener amoniaco es la siguiente:
2NH 4 Cl + Ca (OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O
Durante esta reacción, se forma un precipitado blanco. Esta es una sal de CaCl 2 y también se forman agua y el amoniaco deseado. Para realizar el secado de la sustancia requerida, se pasa a través de una mezcla de cal en combinación con sodio.
La obtención de amoniaco en un laboratorio no proporciona la tecnología más óptima para su producción en las cantidades requeridas. Durante muchos años, la gente ha estado buscando formas de extraer la sustancia a escala industrial.
Los orígenes del establecimiento de tecnologías de producción.
Durante 1775-1780, se llevaron a cabo experimentos sobre la unión de moléculas de nitrógeno libres de la atmósfera. El químico sueco K. Schelle encontró una reacción que parecía
Na 2 CO 3 + 4C + N 2 = 2NaCN + 3CO
Sobre esta base, en 1895, N. Caro y A. Frank desarrollaron un método para unir moléculas de nitrógeno libres:
CaC 2 + N 2 = CaCN 2 + C
Esta opción requería mucha energía y no era rentable económicamente, por lo que con el tiempo se abandonó.
Otro método bastante costoso fue el proceso de interacción de moléculas de nitrógeno y oxígeno descubierto por los químicos ingleses D. Priestley y G. Cavendish:
Crecimiento de la demanda de amoníaco
En 1870, esta sustancia química era considerada un producto no deseado por la industria del gas y era prácticamente inútil. Sin embargo, después de 30 años, se ha vuelto muy popular en la industria del coque de subproductos.
Al principio, la mayor demanda de amoníaco se reponía separándolo del carbón. Pero con un aumento en el consumo de la sustancia en 10 veces, se llevó a cabo la búsqueda de formas de su producción. trabajo practico... Se empezó a introducir la producción de amoniaco a partir de las reservas de nitrógeno atmosférico.
Se observó la necesidad de sustancias a base de nitrógeno en casi todos los sectores conocidos de la economía.
Encontrar formas de satisfacer la demanda industrial
La humanidad ha recorrido un largo camino hacia la implementación de la ecuación para la producción de materia:
N 2 + 3H 2 = 2NH 3
La producción de amoníaco en la industria se realizó por primera vez en 1913 mediante síntesis catalítica a partir de hidrógeno y nitrógeno. El método fue descubierto por F. Haber en 1908.
La tecnología abierta ha resuelto un problema de larga data para muchos científicos diferentes paises... Hasta este momento, no era posible unir nitrógeno en forma de NH 3. Este proceso químico se llama reacción de cianamida. Cuando aumentó la temperatura de la cal y el carbono, se obtuvo la sustancia CaC 2 (carburo de calcio). Al calentar nitrógeno y se consiguió obtener cianamida cálcica CaCN 2, a partir de la cual se produjo la liberación de amoniaco por hidrólisis.
Introducción de tecnologías para la producción de amoniaco.
La producción de NH 3 a escala mundial para consumo industrial se inició con la compra de una patente para las tecnologías de F. Haber por parte del representante de la Planta de Soda de Baden A. Mittasch. A principios de 1911, la síntesis de amoníaco en una pequeña planta se hizo regular. K. Bosch creó un gran aparato de contacto basado en los desarrollos de F. Haber. Fue el equipo original para la síntesis a escala de producción de amoníaco por síntesis. K. Bosch asumió todo el liderazgo en este tema.
El ahorro de costes energéticos implicó la participación de determinados catalizadores en las reacciones de síntesis.
Un grupo de científicos que trabaja para encontrar componentes adecuados propuso lo siguiente: un catalizador de hierro, al que se le añadieron óxidos de potasio y aluminio, y que todavía se considera uno de los mejores en la producción de amoniaco en la industria.
09/09/1913 inicia sus trabajos la primera planta del mundo, que utiliza la tecnología de síntesis catalítica. Las capacidades de producción se incrementaron gradualmente y, a fines de 1917, se producían 7 mil toneladas de amoníaco por mes. En el primer año de operación de la planta, esta cifra fue de solo 300 toneladas por mes.
Posteriormente, todos los demás países también comenzaron a utilizar la tecnología de síntesis con el uso de catalizadores, que en su esencia no difería mucho de la técnica de Haber-Bosch. El uso de procesos de alta presión y circulación tuvo lugar en cualquier proceso tecnológico.
Introducción a la síntesis en Rusia
En Rusia, la síntesis también se utilizó con el uso de catalizadores que aseguran la producción de amoníaco. La reacción se ve así:
En Rusia, la primera planta de síntesis de amoníaco comenzó a funcionar en 1928 en Chernorechensk, y luego se construyeron instalaciones de producción en muchas otras ciudades.
El trabajo práctico sobre la producción de amoníaco está ganando impulso constantemente. En el período de 1960 a 1970, la síntesis aumentó casi 7 veces.
En el país, las sustancias catalíticas mixtas se utilizan para la producción, recolección y reconocimiento exitosos de amoníaco. El estudio de su composición lo lleva a cabo un grupo de científicos dirigido por S. S. Lachinov. Fue este grupo el que encontró los materiales más eficaces para la tecnología de síntesis.
Además, se realizan constantemente estudios de la cinética del proceso. Los desarrollos científicos en esta área fueron realizados por M. I. Temkin, así como por sus colegas. En 1938, este científico, junto con su colega V.M. Pyzhev, hizo un descubrimiento importante, mejorando la producción de amoníaco. La ecuación de cinética de síntesis, compilada por estos químicos, se aplica ahora en todo el mundo.
Proceso de síntesis moderno
El proceso de producción de amoníaco asistido por catalizador que se utiliza en la producción actual es reversible. Por lo tanto, la cuestión del nivel óptimo de influencia de los indicadores en el logro del rendimiento máximo de productos es muy urgente.
El proceso tiene lugar a alta temperatura: 400-500 ˚С. Para asegurar la velocidad de reacción requerida, se usa un catalizador. La producción moderna de NH 3 implica el uso de alta presión, alrededor de 100-300 atm.
Junto con el uso de un sistema de circulación, se puede obtener una masa suficientemente grande de materiales iniciales convertidos en amoníaco.
Producción moderna
El sistema de operación de cualquier planta de amoníaco es bastante complejo y contiene varias etapas. La tecnología para obtener la sustancia deseada se lleva a cabo en 6 etapas. En el curso de la síntesis, se obtiene, recoge y reconoce amoniaco.
La etapa inicial consiste en extraer azufre del gas natural utilizando un desulfurador. Esta manipulación es necesaria debido al hecho de que el azufre es un veneno catalítico y mata al catalizador de níquel incluso en la etapa de recuperación de hidrógeno.
En la segunda etapa, tiene lugar la conversión de metano, que procede con el uso de alta temperatura y presión usando un catalizador de níquel.
En la tercera etapa, se produce la combustión parcial de hidrógeno en oxígeno atmosférico. El resultado es una mezcla de vapor de agua, monóxido de carbono y nitrógeno.
En la cuarta etapa, se produce una reacción de cambio, que tiene lugar bajo diferentes catalizadores y dos condiciones de temperatura diferentes. Inicialmente, se usa Fe 3 O 4 y el proceso se lleva a cabo a una temperatura de 400 С. En la segunda etapa se interviene un catalizador de cobre, que es más eficaz en su efecto, lo que permite realizar la producción a bajas temperaturas.
La siguiente quinta etapa consiste en eliminar el monóxido de carbono (VI) innecesario de la mezcla de gases mediante el uso de la tecnología de absorción con una solución alcalina.
En la etapa final, el monóxido de carbono (II) se elimina mediante la reacción de conversión de hidrógeno en metano a través de un catalizador de níquel y alta temperatura.
La mezcla de gases resultante contiene un 75% de hidrógeno y un 25% de nitrógeno. Se comprime a gran presión y luego se enfría.
Son estas manipulaciones las que describe la fórmula de liberación de amoníaco:
N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 kJ
Aunque este proceso no parece muy complicado, todas las acciones anteriores para su implementación indican la dificultad de obtener amoniaco a escala industrial.
La calidad del producto final se ve afectada por la ausencia de impurezas en la materia prima.
Habiendo recorrido un largo camino desde la experiencia de un pequeño laboratorio hasta la producción a gran escala, la producción de amoníaco es hoy una rama demandada e insustituible de la industria química. Este proceso se mejora constantemente, asegurando la calidad, la eficiencia y la cantidad requerida de producto para cada célula de la economía nacional.
Los compuestos de nitrógeno tienen valores excepcionales para diversas industrias y agricultura. Son consumidos por la producción de ácido nítrico, diversos fertilizantes minerales, materiales poliméricos, explosivos y combustibles para cohetes, tintes, productos farmacéuticos.
El nitrógeno es uno de los más comunes elementos químicos... Su clarke (% en peso) Para el planeta en su conjunto es 0.01, para la corteza terrestre es 0.04 y para la atmósfera - 75.5. Las formas de existencia del nitrógeno en la corteza terrestre son muy diversas. Se encuentra en minerales, carbón, petróleo y otros combustibles fósiles. El nitrógeno es de suma importancia para la vida en la Tierra, ya que es uno de los elementos que componen las estructuras de las proteínas. En la Fig. 8.1 muestra las formas de existencia del nitrógeno en la tierra y el contenido del elemento en ellas.
Figura 8.1 - Formas de existencia de nitrógeno en la litosfera
La principal fuente natural de nitrógeno es la atmósfera. La masa de nitrógeno que contiene es de 4 × 10 15 toneladas. Sin embargo, el nitrógeno molecular gaseoso es uno de los productos químicos más persistentes. La energía de enlace en una molécula de nitrógeno es de 940,5 kJ / mol. En condiciones naturales, solo una pequeña cantidad de nitrógeno atmosférico se convierte en una forma biológicamente asimilable como resultado de las descargas de rayos por la reacción.
o se fija directamente por especies de plantas restringidas como aminoácidos durante la fotosíntesis catalizada por enzimas
La mayoría de los organismos ( plantas superiores y animales) asimilan nitrógeno en forma de sus compuestos con un estado de oxidación de –3 y no pueden utilizar nitrógeno atmosférico. Lo mismo se aplica al uso de compuestos nitrogenados en la industria.
La tasa de transferencia del nitrógeno atmosférico a un estado en el que se puede asimilar o realizar es muy baja en los procesos naturales. En promedio, la mitad del nitrógeno necesario para la vida se devuelve a la atmósfera en 10 8 años. Al mismo tiempo, la organización de la agricultura cultural moderna está asociada con la remoción continua de nitrógeno asimilable de las áreas cultivadas, alcanzando 88 millones de toneladas por año, que es el 90% del nitrógeno requerido para la nutrición de las plantas. Por lo tanto, la primera prioridad es la reposición continua de las reservas de nitrógeno en el suelo en una forma asimilable por las plantas. Hasta finales del siglo XIX, los fertilizantes naturales servían como fuente de nitrógeno "ligado" y solo en pequeña medida sales naturales: nitratos de sodio y potasio, cuyas reservas en la naturaleza son muy limitadas. El aumento en la escala de la agricultura cultivada y las necesidades de la industria de una variedad de compuestos nitrogenados requirieron el desarrollo de métodos industriales para obtener estos compuestos, es decir, métodos de "unión" del nitrógeno atmosférico.
8.1.2. Métodos para la unión del nitrógeno atmosférico.
A principios del siglo XX, se desarrollaron casi simultáneamente tres métodos técnicos para la síntesis de compuestos a partir de nitrógeno molecular: arco, cianamida y amoniaco.
La intensidad energética comparativa de estos métodos de fijación de nitrógeno se muestra en la tabla. 8.1
Tabla 8.1 - Intensidad energética de los métodos de fijación de nitrógeno
| Método |
Consumo de energía para la producción de 1 tonelada de amoniaco, kJ |
| Arco | |
| Cianamida | |
| Amoníaco |
El más favorable desde el punto de vista energético es el método de fijación de amoníaco, que llevó a su aplicación industrial generalizada.
8.2. Obteniendo amoniaco. Información general
El amoníaco es el compuesto de nitrógeno más importante y prácticamente el único producido a escala industrial a partir del nitrógeno atmosférico. Por tanto, debe considerarse como un producto intermedio para la producción de todos los demás compuestos nitrogenados.
8.2.1. Propiedades tecnológicas del amoniaco
El amoniaco NH 3 es un gas incoloro con un olor acre con un punto de ebullición de 33,35 0 C y un punto de fusión de -77,75 0 C. Las temperaturas de ebullición y fusión anormalmente altas del amoniaco se explican por la asociación de sus moléculas debido a su alta polaridad. y la formación de enlaces de hidrógeno. El amoníaco es fácilmente soluble en agua (750 litros en un litro de agua), es soluble en solventes orgánicos hasta cierto punto.
Las soluciones acuosas de amoníaco contienen sus hidratos de la composición, que forman eutécticos, así como una pequeña cantidad de moléculas ionizadas como resultado de la reacción.
La constante de equilibrio de esta reacción es igual a, que corresponde al grado de disociación de 0,004. A temperaturas superiores a 1300 0 C, el amoniaco se disocia en nitrógeno e hidrógeno:
El amoníaco seco forma mezclas explosivas con el aire, cuyos límites explosivos dependen de la temperatura y a 18 0 С están limitados por el rango de contenido de amoníaco en la mezcla de gases de 0,155 a 0,270 vol. Comparte. Esta característica del sistema "amoniaco-aire" se tiene en cuenta en la producción de ácido nítrico por oxidación del amoniaco, en el que la materia prima es una mezcla de amoniaco-aire.
8.2.2. Áreas de uso del amoníaco
El amoníaco es un producto clave para la producción de numerosas sustancias que contienen nitrógeno que se utilizan en la industria, la agricultura y la vida cotidiana. Casi todos los compuestos nitrogenados se producen actualmente a base de amoníaco, que se utilizan como productos objetivo y productos intermedios de tecnología inorgánica y orgánica. En la Fig. 8.2 presenta las principales direcciones del uso del amoníaco en la industria y la agricultura.
Figura 8.2 - Uso de amoníaco
8.2.3. Materias primas para la producción de amoniaco
Mezcla de nitrógeno-hidrógeno (ABC)- materias primas en la producción de amoníaco de composición estequiométrica N 2: H 2 = 1: 3. Dado que los recursos de nitrógeno atmosférico son prácticamente inagotables, la base de la materia prima de la producción de amoníaco está determinada por el segundo componente de la mezcla: hidrógeno, que se puede obtener separando gas de horno de coque inverso, gasificación de combustible sólido, conversión de gas natural (Fig. 8.3).
Figura 8.3 - Materias primas para la producción de amoniaco
La estructura de la base de la materia prima para la producción de amoníaco ha cambiado y ahora más del 90% del amoníaco se produce a partir de gas natural. Mesa 8.2 muestra la dinámica de cambios en la estructura de los principales tipos de materias primas para la producción de amoníaco.
Cuadro 8.2 - Cambio en la base de materia prima para la producción de amoníaco
| Tipos de materias primas | Proporción de materias primas por años,% | Intensidad energética, toneladas conv. combustible | ||||
| 1960 | 1965 | 1970 | 1975 | 1980 | ||
| Combustible sólido | ||||||
| Gas de horno de coque | ||||||
| Gas natural | ||||||
La mezcla de nitrógeno-hidrógeno, independientemente del método de preparación, contiene impurezas de sustancias, algunas de las cuales son venenos catalíticos, que provocan intoxicaciones tanto reversibles (oxígeno, óxidos de carbono, vapor de agua) como irreversibles (diversos compuestos de azufre y fósforo) del Catalizador. Para eliminar estas sustancias, ABC se somete a una purificación preliminar, cuyos métodos y profundidad dependen de su naturaleza y contenido, es decir, del método de producción de ABC. Por lo general, el ABC, obtenido por conversión de gas natural, contiene monóxido de carbono (IV), metano, argón, trazas de oxígeno y hasta 0,4% vol. monóxido de carbono (II).
Para la limpieza de ABC en la industria se utilizan los métodos de absorción por absorbentes líquidos (método húmedo) y adsorción por absorbentes sólidos (método seco). Además, el proceso de limpieza se puede realizar en varias etapas de producción:
- fuente de gas antes de alimentarlo para su conversión;
- gas convertido para eliminar el monóxido de carbono (IV) del mismo;
- mezcla de nitrógeno-hidrógeno inmediatamente antes de la síntesis de amoníaco (purificación fina ABC).
La purificación fina de ABC se logra mediante quimisorción de impurezas con reactivos líquidos y finalmente mediante hidrogenación catalítica de las mismas o lavando ABC con nitrógeno líquido.
Para eliminar el monóxido de carbono (IV) y el sulfuro de hidrógeno, el ABC se lava en torres con empaquetadura con reactivos alcalinos que forman sales térmicas inestables con ellos: una solución acuosa de etanolamina o una solución caliente de carbonato de potasio activada mediante la adición de dietanolamina. En este caso, las reacciones proceden en consecuencia:
El monóxido de carbono (II) se elimina del ABC lavándolo con una solución de cobre y amoníaco de acetato de cobre.
Los absorbentes utilizados para la quimisorción forman compuestos inestables con los absorbidos por ABC. Por tanto, cuando se calientan sus soluciones y se reduce la presión, se desorben las impurezas disueltas, lo que facilita la regeneración del absorbente, devolverlo al proceso y asegurar la ciclicidad de la operación de absorción según el esquema.
donde P es la impureza absorbida de ABC; A - absorbente; PA es un compuesto de una impureza y un absorbente.
Más método efectivo La limpieza de ABC a partir de monóxido de carbono (II) se utiliza en instalaciones modernas para lavar ABC con nitrógeno líquido a –190 0 С, durante el cual, además del monóxido de carbono (II), se eliminan el metano y el argón.
Metanización o precatalización- un método para la purificación final de ABC mediante hidrogenación catalítica de impurezas. Este proceso se lleva a cabo en unidades especiales de metanización (Fig. 8.4) a una temperatura de 250–300 0 С y una presión de aproximadamente 30 MPa en un catalizador de níquel-aluminio (Ni + Al 2 O 3). En este caso, se producen reacciones exotérmicas de reducción de impurezas que contienen oxígeno a metano, que no es un veneno para el catalizador de hierro, y el agua se condensa cuando el gas purificado se enfría y se extrae de él:
Si se usa un catalizador de hierro en la precatalización, entonces en el proceso de hidrogenación también se forma una cierta cantidad de amoníaco, en este caso se llama precatalización. productor.
El ABC purificado suministrado a la síntesis contiene hasta 0,0025 fracción en volumen de argón, 0,0075 fracción en volumen de metano y no más de 0,00004 fracción en volumen de monóxido de carbono (II), que es el veneno catalítico más potente.
Figura 8.4 - Esquema de la instalación de metanización ABC:
- compresor;
- calentador;
- reactor de metanización;
- reactor de metanización;
- calentador de agua;
- condensador;
- separador de humedad
8.3. Concepto químico y de producción
La etapa principal de la síntesis de amoníaco a partir de una mezcla de nitrógeno e hidrógeno se describe mediante la ecuación
Dado que el método predominante para producir ABC es la conversión de metano con aire y vapor, el esquema químico para la producción de amoniaco incluye, además de esta reacción, varias reacciones de conversión de aire y vapor:
y la posterior conversión de monóxido de carbono (II) en monóxido de carbono (IV):
Después de eliminar el monóxido de carbono (IV) de la mezcla de gases y corregir su composición, se obtiene ABC con un contenido de nitrógeno e hidrógeno de 1: 3.
Así, la producción moderna de amoníaco consta de dos etapas: la preparación de ABC y su transformación en amoníaco, representando un esquema energético-tecnológico único, que combina las operaciones de obtención de ABC, su purificación y síntesis de amoníaco y aprovecha eficazmente los efectos térmicos. de todas las etapas del proceso, lo que permite reducir varias veces los costos de energía. En la Fig. 8.5 muestra un diagrama esquemático de la producción de amoníaco, que corresponde al esquema químico anterior.
Figura 8.5 - Diagrama esquemático de la producción de amoniaco:
- purificación de gas natural a partir de compuestos de azufre;
- reformado con vapor de metano;
- conversión de aire de metano;
- conversión de monóxido de carbono (II);
- limpieza por quimisorción ABC;
- metanización;
- síntesis de amoniaco;
- absorción de amoniaco;
- compresión de amoniaco.
8.4. Bases fisicoquímicas de la síntesis de amoniaco
8.4.1. Equilibrio y velocidad del proceso en el sistema.
Equilibrio en el sistema. La reacción de síntesis de amoníaco de ABC.- reacción catalítica reversible heterogénea, exotérmica, procede con una disminución de volumen sin la formación de subproductos y se describe mediante la ecuación
El efecto de calor de la reacción depende de la temperatura y la presión y es de 111,6 kJ a una temperatura de 500 0 C y una presión de 30 MPa.
La constante de equilibrio de la reacción tiene la forma
Mesa 8.3 muestra el contenido de amoníaco en una mezcla de gas en equilibrio para diferentes temperaturas a presiones promedio (30 MPa) y altas (100 MPa).
Tabla 8.3 - Contenido de amoniaco (vol. Fracciones) en la mezcla de gases
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Presión, MPa |
Temperatura, 0 С |
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La dependencia del contenido de amoníaco en la mezcla de gas de equilibrio de la temperatura y la presión se muestra en la Fig. 8.6.
Figura 8.6 - Dependencia del contenido de amoníaco en la mezcla de la temperatura (a) y la presión (b)
De la mesa. 8.3 y fig. 8.6 se deduce que un aumento de presión y una disminución de temperatura desplaza el equilibrio de la reacción de síntesis y aumenta el rendimiento de equilibrio de amoníaco. Sin embargo, un contenido de amoníaco de equilibrio en el gas lo suficientemente alto para fines prácticos se puede lograr solo a una temperatura no superior a 400 0 С, es decir, en condiciones en las que la velocidad del proceso y, en consecuencia, el tiempo para alcanzar el estado de equilibrio es muy bajo. . Por tanto, en condiciones reales, el contenido de amoniaco en la mezcla de gases será insignificante, lo que hace que el proceso de síntesis sea ineficaz y económicamente inconveniente.
Velocidad de proceso. Incluso a temperaturas relativamente altas, la energía de activación de las moléculas de nitrógeno es alta y el proceso de síntesis de amoniaco en una fase gaseosa homogénea es prácticamente irrealizable. Para reducir la energía de activación, se utilizan catalizadores para reducir significativamente la temperatura del proceso.
La reacción de síntesis de amoniaco es catalizada por metales que no han acumulado completamente los niveles electrónicos d y f. Estos incluyen hierro, rodio, tungsteno, renio, osmio, platino, uranio y algunos otros metales. Las masas de contacto a base de hierro se utilizan en la industria, por ejemplo, Catalizador GIAP composición
Es barato, bastante activo a una temperatura de 450–500 ° C y es menos sensible a los venenos catalíticos que otros catalizadores. Promotores en la composición de la masa de contacto, contribuyen a la creación de una superficie altamente desarrollada, evitan la recristalización del catalizador y aumentan su actividad.
La masa de contacto se prepara fusionando en atmósfera de nitrógeno una mezcla de óxidos de hierro Fe 3 O 4, aluminio Al 2 O 3, potasio K 2 O, calcio CaO y silicio SiO 2 o polvos metálicos - hierro y aluminio - con calcio y silicio. óxidos y carbonato de potasio, seguido de trituración de la masa al tamaño de granos de catalizador (5 mm) y su reducción con hidrógeno en la columna de síntesis de amoniaco. En este caso, ocurren reacciones.
Dado que los catalizadores de hierro tienen una actividad máxima a temperaturas no inferiores a 400-500 0 С, a las que es imposible garantizar un alto grado de conversión de ABC en amoníaco, la síntesis de amoníaco se lleva a cabo en condiciones lejos del equilibrio, y la tasa de La reacción directa tiene un efecto decisivo en la velocidad general del proceso.
La constante de velocidad depende de la temperatura, actividad y condición de los catalizadores. La dependencia de la temperatura de la constante se expresa mediante la ecuación de Arrhenius
en el que la energía de activación para las reacciones en un catalizador de hierro comercial es de 165 kJ / mol.
8.4.2. Modo óptimo del proceso de síntesis.
En 8.4.1 se demostró que la temperatura y la presión afectan el estado del sistema y la tasa de síntesis de amoníaco de manera opuesta, es decir, existe una contradicción entre la termodinámica y la cinética del proceso. Por tanto, el rendimiento de amoniaco y la productividad específica del catalizador dependen principalmente de estos parámetros, así como de la composición y velocidad espacial de la mezcla de gases, la actividad del catalizador y el diseño del reactor.
Aplicación de altas presiones aumenta la velocidad del proceso de síntesis aumentando la fuerza impulsora del proceso y disminuyendo la velocidad de la reacción inversa de disociación del amoníaco y promueve la separación del amoníaco formado de la mezcla de gases por condensación.
Condiciones óptimas de temperatura El proceso está determinado por las leyes generales del efecto de la temperatura sobre el rendimiento del producto de un proceso catalítico reversible exotérmico, que es la producción de amoníaco (Figura 8.7).
Figura 8.7 - Dependencia del contenido de amoníaco en el gas después de la síntesis de la temperatura y la velocidad espacial del gas (W3> W2> W1).
Para cada valor de la velocidad espacial de la mezcla de gases W, el contenido de amoníaco en ella aumenta con la temperatura hasta un cierto límite correspondiente a la velocidad máxima de proceso y el contenido de amoníaco en el gas. Evidentemente, esta temperatura corresponde a la mayor intensidad del catalizador.
El aumento de la velocidad espacial disminuye el rendimiento de amoníaco. Línea A que conecta los máximos de las curvas w NH3 = f (T) para diferentes significados velocidad espacial w, corresponde a la curva de temperaturas óptimas, la línea BB representa la curva de equilibrio.
Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad del espacio del gas, aumenta la intensidad del catalizador (Figura 8.8). Por lo tanto, un aumento en la velocidad espacial del gas hasta un cierto límite tiene un efecto positivo en el rendimiento de amoníaco.
Figura 8.8 - Dependencia de la intensidad del catalizador de la velocidad espacial en P1> P2
Un aumento adicional conduce a un aumento en el costo del transporte de gas, una violación de la autotermalidad y una disminución en la integridad de la liberación de amoníaco de la mezcla de gases. El límite superior de la velocidad espacial suele estar determinado por la naturaleza autotérmica del proceso de síntesis. En la práctica, en instalaciones de media presión, la velocidad espacial del gas se selecciona en horas. La composición de la mezcla de nitrógeno-hidrógeno de la intensidad del catalizador se elige lo más cercana posible a la estequiométrica, lo que asegura el grado máximo de conversión de los componentes en amoníaco.
Dado que el grado de conversión no supera los 0,14 - 0,20 dólares. un., luego el proceso de síntesis de amoníaco se construye de acuerdo con un esquema de circulación con la separación del amoníaco formado del ABC sin reaccionar y devolviendo el resto al reactor, como se muestra en la Fig. 8.9 Dado que la síntesis de amoníaco avanza con una disminución de volumen, las impurezas inertes (argón, metano) se acumulan en el ABC circulante, lo que conduce a una disminución en el rendimiento de amoníaco debido a una disminución en la concentración de nitrógeno e hidrógeno en él. Para eliminar esto, parte del ABC circulante se elimina periódicamente del ciclo del amoníaco en forma de gas de purga (extracción).
Figura 8.9 - Esquema de síntesis circulante
Figura 8.10 - dependencia del rendimiento de amoníaco del tiempo de contacto a diferentes temperaturas.
Para separar el amoniaco formado del ABC, se enfría a la temperatura de licuefacción del amoniaco. En este caso, parte del amoníaco permanece en el ABC. Su concentración depende de la temperatura y varía de 0,015 vol. compartir a –20 0 С hasta 0,073 vol. dolares a +20 0 С a una presión de aproximadamente 30 MPa. Cuando se utiliza enfriamiento con agua y amoníaco, esto proporciona un contenido de amoníaco residual en el ABC circulante de 0.03 - 0.05 vol. dolares
Un aumento en el tiempo de contacto no puede usarse para asegurar un estado de equilibrio en el sistema, ya que en la práctica, la síntesis de amoníaco se lleva a cabo en condiciones alejadas del equilibrio (ver arriba). Sin embargo, a temperaturas más altas, el equilibrio se alcanza más rápidamente. En la Fig. 8.10 muestra la dependencia del rendimiento de amoníaco del tiempo de contacto a diferentes temperaturas. De ello se deduce que a una temperatura T 2 más alta, el estado de equilibrio se puede alcanzar más rápidamente que a una temperatura T 1 más baja, aunque el rendimiento de amoniaco es menor.
8.5. Diagrama de flujo de producción de amoniaco
8.5.1. Elegir un esquema de producción
El parámetro determinante en la producción de amoniaco a partir de una mezcla de nitrógeno e hidrógeno es la presión de síntesis. Dependiendo de la presión aplicada, todos los sistemas de producción de amoniaco sintético se dividen en:
- sistemas de baja presión (10-15 MPa);
- sistemas de media presión (25-60 MPa);
- sistemas de alta presión (60-100 MPa).
Se descubrió mediante el método de modelado matemático que es económicamente más rentable llevar a cabo el proceso a presión media. En las etapas de compresión de gas, síntesis de amoníaco y su condensación de ABC, los costos de capital y energía con presión creciente se reducen a un cierto límite. La presión óptima es de 32 MPa. Un aumento adicional de la presión no conduce a un ahorro de costes significativo, pero complica el flujo del proceso de producción.
En un sistema de presión media, se proporciona una velocidad de proceso suficientemente alta, una fácil separación del amoníaco de una mezcla de gases y la posibilidad de producción simultánea de productos líquidos y gaseosos. Como resultado, las instalaciones de media presión son comunes en la práctica doméstica y mundial.
5.2. Diagrama de flujo de producción
En la Fig. 8.11 muestra el esquema tecnológico de la producción moderna de amoníaco, a una presión promedio, la productividad es de 1360 t / día. El modo de su funcionamiento se caracteriza por los siguientes parámetros:
Figura 8.11 - Esquema tecnológico de producción de amoniaco:
- columna de síntesis;
- condensador de agua;
- mezclador (inyector) de ABC fresco y gas de circulación;
- columna de condensación;
- separador de gas;
- evaporador de amoniaco liquido;
- intercambiador de calor remoto (caldera de calor residual);
- compresor de circulación de tuberías.
temperatura de contacto
- 450-550 0 С;
- presión 32 MPa;
- la velocidad volumétrica de la mezcla de gases es 4 x 10 4 nm 3 / m 3 x h;
- la composición de la mezcla de nitrógeno-hidrógeno es esteicométrica.
Una mezcla de ABC nuevo y gas circulante a presión se alimenta desde el mezclador 3 a la columna de condensación 4, donde parte del amoníaco se condensa del gas circulante, desde donde ingresa a la columna de síntesis 1. El gas sale de la columna que contiene hasta 0,2 vol. La fracción de amoniaco (w 2) se envía al enfriador de agua-condensador 2 y luego al separador de gas 5, donde se separa el amoniaco líquido. El gas restante después del compresor 8 se mezcla con ABC nuevo y se envía primero a la columna de condensación 4 y luego al evaporador de amoníaco líquido 6, donde la mayor parte del amoníaco también se condensa al enfriarse a –20 0 С. Luego, el gas circulante que contiene aproximadamente 0.03 vol. Fracción de amoníaco ingresa a la columna de síntesis 1. En el evaporador 6, simultáneamente con el enfriamiento del gas circulante y la condensación del amoníaco contenido en él, el amoníaco líquido se evapora para formar un gas comercial producto.
El aparato principal del esquema tecnológico es la columna de síntesis, que es el reactor RIV-N. La columna consta de un cuerpo y empaquetadura de varios dispositivos, incluida una caja de catalizador con una masa de contacto colocada en ella y un sistema de tubos de intercambio de calor. Para el proceso de síntesis de amoníaco, el régimen de temperatura óptimo es esencial. Para asegurar la máxima tasa de síntesis, el proceso debe iniciarse a una temperatura alta y, a medida que aumenta el grado de conversión, debe reducirse de acuerdo con la línea de temperaturas óptimas (LOTE), como se muestra en la Fig. 8.12a. El control de temperatura y la provisión del proceso autotérmico se proporcionan con la ayuda de intercambiadores de calor ubicados en la capa de la masa de contacto y adicionalmente alimentando una parte del ABC frío en la masa de contacto, sin pasar por el intercambiador de calor (Fig. 8.12).
Teniendo en cuenta el cambio de temperatura secuencial durante el paso de la mezcla de reacción y los productos de reacción a través de los intercambiadores de calor, la caja del catalizador y la caldera de calor residual, el régimen de temperatura de la operación de la columna de síntesis se puede representar mediante un gráfico (Figura 8.13).
Para proteger el cuerpo de la columna de la acción de las altas temperaturas que contribuyen a la difusión del hidrógeno en el acero y su destrucción, el ABC frío que ingresa a la columna, antes de pasar a la caja del catalizador, pasa primero a través del espacio anular entre el cuerpo y el tubo. envasado, lavando continuamente las paredes de la columna y enfriándolas.
Figura 8.12 - Cambio de temperatura en la caja del catalizador (a). Esquema de AVS entrando en la caja del catalizador (b).
Figura 8.13 - Gráfico de cambios de temperatura en la columna de síntesis
La industria produce dos grados (primero y segundo) de amoníaco líquido y su solución acuosa (agua amoniacal). Según GOST 6221–75, el amoníaco de primer grado debe contener al menos 99,9% y el de segundo grado al menos 99,6% de NH 3. El amoníaco de primer grado se utiliza como refrigerante en máquinas frigoríficas y fertilizante mineral, 2º grado: se utiliza en la producción de ácido nítrico.
8.6. Mejora de la producción de amoniaco
La producción industrial de amoníaco se está mejorando en las siguientes áreas principales:
- cooperación de la producción de amoníaco con la producción de síntesis orgánica básica basada en el uso de gas natural y gases de refinería;
- creación de grandes unidades (hasta 3000 t / día) de capacidad unitaria;
- el uso de columnas de síntesis con un lecho fluidizado de catalizador;
- desarrollo de nuevos catalizadores resistentes a venenos con baja temperatura de ignición (300 0 C), que permitan realizar el proceso de síntesis sin reducir el rendimiento de amoniaco a bajas presiones (10 MPa).
La industria del nitrógeno es una de las industrias líderes en la actualidad. El uso de amoniaco se ha extendido a la tecnología de refrigeración (R717, medicina o agricultura (fertilizantes).
Se presta especial atención a la producción de fertilizantes nitrogenados (y, por lo tanto, a sus bases, incluido el amoníaco, cuya demanda ha crecido un 20% en las dos últimas décadas).
Pero la producción de amoniaco se distingue, ante todo, por su alta intensidad energética. Toda la historia de esta producción es una lucha por reducir la energía utilizada (mecánica, térmica, eléctrica).
La síntesis de amoniaco revela la fórmula:
N2 + 3H2 = 2NH3 + Q
La reacción es exotérmica, reversible, con disminución de volumen. Dado que la reacción es exotérmica, bajar la temperatura desplazará el equilibrio hacia la formación de amoníaco, pero disminuirá significativamente. La producción de amoniaco debe tener lugar a altas temperaturas (la síntesis tiene lugar a 500 grados centígrados). Un aumento en t ° dará lugar a una presión de 15 a 100 MPa que le permite contrarrestar la influencia de la temperatura (baja presión - de 10 a 15 MPa, presión media - de 25 a 30 MPa, alta presión - más de 50 MPa). De estos, es preferible el medio.
Sirve como catalizador con adiciones de calcio, silicio, potasio, óxidos de aluminio.
Las impurezas nocivas (agua, sulfuro de hidrógeno) afectan negativamente la velocidad de la reacción, envenenando el catalizador, reduciendo así su actividad y reduciendo la vida útil. Esto significa que la mezcla de sulfuro de hidrógeno debe limpiarse a fondo. Pero incluso después de la purificación, solo una parte de esta mezcla se convierte en amoníaco. Por tanto, la parte restante que no ha reaccionado se envía de vuelta al reactor.
¿Cómo se produce el amoniaco?
Una mezcla ya preparada de tres partes de hidrógeno y un nitrógeno se alimenta a la tubería. Pasa a través de un turbocompresor, donde se comprime a la presión anterior, y se envía a la columna de síntesis con catalizador en estantes incorporados. El proceso, como descubrimos, es altamente exotérmico. El calor liberado calienta la mezcla de nitrógeno e hidrógeno. Aproximadamente el 25 por ciento del amoníaco y el nitrógeno sin reaccionar con hidrógeno se descargan de la columna. Toda la composición va al frigorífico, donde se enfría la mezcla. El amoníaco se vuelve líquido bajo presión. Ahora entra en funcionamiento el separador, cuya tarea es separar el amoniaco en un colector en la parte inferior y la mezcla sin reaccionar, que se devuelve a la columna. Gracias a esta circulación, se utiliza el 95 por ciento de la mezcla de nitrógeno e hidrógeno. El amoníaco líquido se transporta a través de una tubería de amoníaco a un almacén especial.
Todos los dispositivos utilizados en producción son lo más ajustados posible, lo que elimina las fugas. Solo se utiliza la energía de las reacciones exotérmicas que tienen lugar en el interior. Circuito cerrado, bajo desperdicio. Los costes se reducen gracias a un proceso continuo y automatizado.
La producción de amoniaco no puede dejar de afectar ambiente... Las emisiones de gases son inevitables, incluidos el amoníaco, los óxidos de carbono y nitrógeno y otras impurezas. Se libera calor de bajo grado. El agua se descarga después de lavar los sistemas de refrigeración y el propio reactor.
Por tanto, en la producción de amoniaco, es necesario incluir una limpieza catalítica con presencia de un gas reductor. Se puede reducir la cantidad de aguas residuales reemplazándolas por turbocompresores. El calor de bajo grado se puede utilizar agregando calor de alto grado. Sin embargo, esto aumentará la contaminación de los gases de combustión.
Un esquema de tecnología energética que incluye un ciclo de vapor-gas, que utiliza tanto el calor del vapor como los productos de combustión del combustible, aumentará simultáneamente la eficiencia de la producción y reducirá las emisiones.
El amoníaco es una sustancia que probablemente sea familiar para todos los adultos. Se trata del papel fisiológico que juega el amoníaco.
El rápido crecimiento de la producción de amoniaco se ve facilitado tradicionalmente por la disponibilidad relativa de las materias primas necesarias para su producción.
La fórmula química del amoníaco es bien conocida por todos desde la escuela: NH 3. Es obvio que se requieren nitrógeno e hidrógeno para obtenerlo.
El aire atmosférico común es una gran fuente de nitrógeno aquí. Este recurso es casi ilimitado. Por lo tanto, la base de la materia prima para la producción de amoníaco (y, en consecuencia, para toda la industria del nitrógeno) está limitada por el hidrógeno. O mejor dicho, el combustible necesario para obtenerlo.
Por regla general, se utiliza gas natural para estos fines. Esta circunstancia, por cierto, contribuyó en gran medida al desarrollo de la industria nacional del nitrógeno: Rusia es rica en gas.
Sin embargo, si alguien de los anteriores tiene la impresión de que la producción a gran escala de amoníaco es un proceso simple y asequible, entonces esto ciertamente es incorrecto. La creación de instalaciones de producción verdaderamente eficientes requirió serios esfuerzos científicos y soluciones tecnológicas.
Baste decir que el proceso de obtención de amoniaco en la práctica se lleva a cabo en presencia de un catalizador a una temperatura de unos 500 ° C y una presión de 350 atmósferas. Esto deja en claro cuán intensiva en energía es la producción respectiva. Pero la creación de tales condiciones le permite lograr la producción de la sustancia requerida a un nivel de aproximadamente el 30 por ciento.
En general, según los expertos, la historia del desarrollo de la producción de amoníaco a gran escala debe considerarse como una lucha constante por aumentar uso útil energía: eléctrica, térmica y mecánica. Pero este proceso dio excelentes resultados al final. Si en las primeras plantas industriales la eficiencia era sólo del 10 por ciento, entonces en las plantas modernas de alto rendimiento capaces de "producir" medio millón de toneladas de productos al año, esta cifra es cinco veces mayor.
El funcionamiento de una planta de amoniaco moderna es muy complejo. Esta afirmación parece sorprendente si se "centra" sólo en una ecuación de reacción bastante simple, que es la base para la síntesis de amoníaco. Sin embargo, la declaración sobre la complejidad de la síntesis industrial de amoníaco no parecerá excesiva después del primer conocimiento del esquema de la planta de amoníaco que opera con gas natural.
Primera etapa en el proceso de síntesis de amoníaco, incluye un desulfurador, un dispositivo técnico para eliminar el azufre del gas natural. Este es un paso absolutamente necesario, ya que el azufre es un veneno catalítico y "envenena" el catalizador de níquel en el siguiente paso de producción de hidrógeno.
Segunda etapa La síntesis industrial implica la conversión de metano (producción industrial de hidrógeno). La conversión de metano es una reacción reversible que se produce a 700 - 800 ° С y una presión de 30 - 40 atm usando un catalizador de níquel cuando se mezcla metano con vapor de agua: СН 4 + Н 2 О ↔ СО + 3Н 2
El hidrógeno formado por esta reacción, al parecer, ya se puede usar para la síntesis de amoníaco; para esto, es necesario hacer correr aire que contenga nitrógeno en el reactor. Esto se hace, pero en esta etapa tienen lugar otros procesos. Se produce la combustión parcial de hidrógeno en oxígeno atmosférico:
2H 2 + O 2 = H 2 O (vapor)
Como resultado, en esta etapa se obtiene una mezcla de vapor de agua, monóxido de carbono (II) y nitrógeno. El vapor de agua, a su vez, se reduce nuevamente para formar hidrógeno, como en la segunda etapa. Así, después de las tres primeras etapas, hay una mezcla de hidrógeno, nitrógeno y monóxido de carbono "no deseado" (II).
La oxidación del CO formado en las dos etapas previas a CO2 se lleva a cabo precisamente de acuerdo con esta reacción:
CO + H 2 O (vapor) ↔ CO 2 + H 2 (3)
El proceso de "turno" se lleva a cabo secuencialmente en dos "rectores de turno". En el primero de ellos se utiliza el catalizador Fe 3 O 4 y el proceso se lleva a cabo a una temperatura suficientemente alta del orden de 400 ° C. El segundo proceso utiliza un catalizador de cobre más eficiente y logra ejecutar el proceso a una temperatura más baja.
En el quinto grado, el monóxido de carbono (IV) se elimina de la mezcla de gases por absorción con una solución de aMDEA (metil dietanol amina activada).
Al principio, el dióxido de carbono se absorbe, luego se desorbe y se elimina del proceso.
Sin embargo, la calidad de la purificación de aMDEA no es suficiente para que la mezcla de nitrógeno e hidrógeno se utilice para la síntesis de amoníaco. La cantidad restante de CO es suficiente para arruinar el catalizador de hierro en la etapa principal de la síntesis de amoníaco (1). En la sexta etapa, el monóxido de carbono (II) se elimina mediante la reacción de conversión con hidrógeno a metano en un catalizador especial de níquel a temperaturas de 300 - 400 ºС:
CO + 3H 2 ↔ CH 4 + H 2 O
La mezcla de gases, que ahora contiene ~ 75% de hidrógeno y 25% de nitrógeno, se comprime; su presión en este caso aumenta de 25 - 30 a 200 - 250 atm. De acuerdo con la ecuación de Cliperon-Mendeleev, tal compresión conduce a un aumento muy brusco de la temperatura de la mezcla. Inmediatamente después de la compresión es necesario enfriar a 350 - 450 ºС.
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PRODUCCIÓN DE AMONÍACO
Para la vida normal de plantas y animales, el nitrógeno solo se necesita en forma asimilable. Sin embargo, debido a la alta inercia química del nitrógeno, sus recursos inagotables * son prácticamente inaccesibles para la naturaleza viva. Para resolver el problema de los alimentos, la humanidad convierte el nitrógeno en una forma asimilable, "uniéndolo" al compuesto más simple: el amoníaco, del cual se obtiene. Ácido nítrico y fertilizantes minerales.
La tasa de crecimiento de la producción de amoníaco aumenta constantemente. Al mismo tiempo, el crecimiento cuantitativo de la producción va acompañado de cambios cualitativos en la estructura de la base de producción. Se están ampliando las capacidades de las unidades individuales para la síntesis de amoníaco **, se están introduciendo nuevos catalizadores y sorbentes eficientes, se están desarrollando equipos avanzados y esquemas tecnológicos que aseguran un uso más completo de las materias primas y el combustible.
V últimos años Debido a una mejor utilización del calor, la producción de amoníaco se puede organizar de acuerdo con el principio energético-tecnológico, en el que el proceso es completamente autosuficiente en vapor y energía mecánica.
La producción de amoniaco consta de tres etapas: obtención de una mezcla de nitrógeno-hidrógeno, su purificación y la síntesis real de amoniaco.
Primera etapa - obteniendo una mezcla de nitrógeno-hidrógeno. Las materias primas para la producción de amoniaco son nitrógeno e hidrógeno. El aire emite nitrógeno: una mezcla de gases que contiene 78,05% de nitrógeno, 20,95% de oxígeno, 0,94% de argón en volumen y pequeñas cantidades de dióxido de carbono, neón, helio, criptón y xenón. Para hacer esto, el aire se convierte en un estado líquido mediante enfriamiento profundo y luego se separa en sus partes componentes por rectificación basada en la diferencia en los puntos de ebullición de los gases individuales.
El hidrógeno se obtiene de una de las siguientes formas: por electrólisis de agua o soluciones acuosas de cloruro de sodio; de gas de horno de coque por licuefacción secuencial de todos sus componentes, excepto hidrógeno; conversión de monóxido de carbono a partir de gas generador; conversión de metano o sus homólogos.
La producción de hidrógeno es el paso de producción más caro. Actualmente, la mayor parte del hidrógeno para la síntesis de amoníaco se obtiene de los tipos más baratos de materias primas: gases que contienen metano y sus homólogos. Estos incluyen gases asociados a la producción de petróleo, gas natural, gases de refinería. En presencia de vapor de agua y oxígeno, el metano se convierte en hidrógeno:
CH 4 + H 2 O CO + H 2 - Q
CH 4 + 0.5O 2 CO + 2H 2 + Q
y el monóxido de carbono resultante se convierte en CO 2 y H 2:
CO + H 2 0 C0 2 + H 2 + Q
La conversión de gas natural se lleva a cabo a presión atmosférica o elevada con o sin catalizadores (conversión catalítica) (conversión a alta temperatura). A menudo, el proceso en un catalizador de níquel se lleva a cabo de modo que la concentración residual de metano sea del 8 al 10%. A tal concentración de metano, su conversión adicional con aire (es decir, con una mezcla de nitrógeno y oxígeno en una proporción de 4: 1) permite obtener inmediatamente una mezcla de nitrógeno-hidrógeno con una proporción de N 2: H 2 = = 1: 3. Esto elimina la necesidad de construir unidades de separación de aire costosas y que consumen mucha energía y mejora significativamente el rendimiento técnico y económico del proceso.
Sin embargo, la mezcla resultante de nitrógeno, hidrógeno y nitrógeno-hidrógeno está contaminada con compuestos de azufre del gas natural, así como con óxidos y dióxidos de carbono formados durante la conversión.
Debido a la alta sensibilidad del catalizador de síntesis de amoníaco a estas impurezas, que reducen en gran medida su actividad y causan un envenenamiento irreversible (especialmente compuestos que contienen azufre), el gas se purifica completamente.
Segunda etapa - limpieza de gases. Para Eliminación de impurezas de compuestos de azufre como el disulfuro de carbono CS 2, el sulfuro de carbono COS y los mercaptanos R -SH, se hidrogenan en un catalizador de cobalto-molibdeno a una temperatura de 350-450 ° C para atrapar fácilmente el sulfuro de hidrógeno.
9H 2 + impurezas (CS 2 + COS + R - SH) 4H 2 S + 2CH 4 4+ H 2 O
El sulfuro de hidrógeno formado se elimina del gas utilizando varios absorbentes, por ejemplo, óxido de zinc: ZnO + H 2 S à ZnS + H 2 O
Después de tal purificación, el gas no contiene más de 1 mg / m 3 de sulfuro de hidrógeno.
La purificación de gas de СО 2 se realiza mediante absorbentes de líquido. Para sustituir el tratamiento de agua que consumía un gran número de agua y energía para su bombeo, se procedió a una depuración más eficiente utilizando soluciones acuosas de etanolaminas o soluciones de potasa caliente activadas por arsénico. Al enjuagar gas con el soluciones acuosas Las impurezas de CO 2 forman carbonatos y bicarbonatos. La regeneración de absorbedores con eliminación de CO 2 en el desorbedor se realiza: para etanolaminas - por calentamiento a 120 ° C, para soluciones de potasa - reduciendo la presión.
Las impurezas de CO se eliminan del gas por absorción con una solución de cobre-amoníaco de ácido acético o fórmico débil. La eficiencia de limpieza aumenta con un aumento de la presión a 30 MPa y una disminución de la temperatura a 25 - 0 ° C. Después de la limpieza, no queda más del 0,003% de CO en el gas. Cuando se limpia una mezcla de nitrógeno-hidrógeno obtenida del gas del horno de coque, el CO residual se elimina enjuagando con nitrógeno líquido. En este caso, parte del nitrógeno se evapora y pasa a la mezcla de nitrógeno-hidrógeno, proporcionando una relación de N 2: H 2 cercana a 1: 3. Diluyendo la mezcla con una cantidad adicional de nitrógeno, se lleva a la proporción exacta N 2: H 2 = 1: 3 requerida para la síntesis de amoníaco. En los casos en que las cantidades residuales de CO y CO 2 en el gas sean pequeñas (hasta un 1%), la eliminación de las impurezas se realiza mediante su hidrogenación (metanización) según las reacciones.
CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O; CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O
Temperatura de proceso 200 - 400 ° С, catalizador - níquel soportado sobre óxido de aluminio.
Tercera etapa - síntesis de amoniaco. Formación de amoniaco por reacción.
N 2 + 3H 2 2NH 3 + Q avanza lo suficientemente rápido solo en presencia de catalizadores que contienen óxidos de alúmina, potasio y calcio como activadores. El efecto de calor de la reacción aumenta al aumentar la temperatura y el rendimiento en equilibrio depende no solo de la temperatura, sino también de la presión.
La síntesis de amoniaco es un proceso exotérmico reversible.
De acuerdo con el principio de Le Chatelier, la eliminación de calor debería desplazar la reacción hacia la derecha. Para ello, se realiza el enfriamiento intermedio de la mezcla de gases con un contraflujo menos calentado después de cada contacto con el catalizador. Esto asegura que el proceso sea autotérmico. Sin embargo, a pesar de la eliminación del calor, la temperatura aumenta un poco durante el proceso. Por lo tanto, la columna de síntesis de amoníaco utiliza catalizadores que funcionan eficazmente en varios rangos de temperatura.
Las columnas modernas para la síntesis de amoníaco de gran capacidad unitaria tienen cuatro estantes con catalizadores. El primero (a lo largo del flujo de gas) contiene un catalizador de baja temperatura (350-550 ° C), el segundo tiene un catalizador de temperatura media (400-550 ° C); en el tercero y cuarto - alta temperatura (550 - 700 ° C).
Además de los factores enumerados anteriormente, el rendimiento real de amoníaco está influenciado por la actividad del catalizador, la composición de la mezcla de gases, las características de diseño del aparato (cuanto menor es la resistencia hidráulica en ellos, mayor es el rendimiento y menor costos de energía) y la duración del contacto del gas con el catalizador (o el recíproco, llamado gas de velocidad espacial). Con un aumento en la tasa volumétrica, la eliminación de amoníaco de 1 m 3 de la masa de contacto aumenta drásticamente. Pero al mismo tiempo, aumenta el volumen de la mezcla de nitrógeno e hidrógeno sin reaccionar. Para evitar pérdidas, esta mezcla debe bombearse repetidamente a través del catalizador en un ciclo cerrado. Esto aumenta el consumo de energía para el bombeo. Desde un punto de vista económico, dichos costes pueden minimizarse a unos valores óptimos de la velocidad espacial del gas (de 15.000 a 30.000 m 3 de la mezcla de gases a 1 m 3 del catalizador por hora).
Los indicadores técnicos y económicos de esta producción pueden mejorarse mediante la transición a tecnologías que ahorran energía, recursos y mano de obra. Esto se logra mediante el uso de unidades de gran capacidad unitaria, circuitos de bajo nivel de agua y sistemas de control de procesos. Se presta especial atención a la utilización del calor de los gases de combustión que salen del horno de calentamiento de metano, así como las corrientes de gas que salen del reactor de hidrogenación de azufre orgánico, convertidores de metano y monóxido de carbono, columnas de síntesis de amoniaco, metanizador, etc.
El calor de alto grado recuperado se utiliza para generar vapor a alta presión. La energía de este vapor en turbinas se convierte en energía mecánica para la compresión y movimiento de gases mediante compresores. Se utiliza calor de bajo grado para obtener vapor de proceso a baja presión, calentamiento de agua, producción de frío, etc. Un principio similar de ahorro de energía sustenta el proceso con vapor y energía mecánica. Para las regiones que experimentan escasez de combustible, esto le permite organizar la producción con un consumo mínimo de energía. La sustitución de la refrigeración por agua por refrigeración por aire reduce significativamente el consumo de agua. Estos principios se utilizan en esquemas modernos para la producción de amoníaco en unidades de gran capacidad unitaria (1500 t / día). Una de estas unidades proporciona un ahorro anual de costes operativos de 15 millones de rublos. e inversiones de capital hasta 25 millones de rublos. Este esquema incluye unidades para producir una mezcla de nitrógeno-hidrógeno, purificación de gas y síntesis de amoníaco.
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En la unidad de síntesis de amoniaco para la compresión de la mezcla de nitrógeno-hidrógeno a 30 MPa y su circulación, el calor recuperado se convierte en energía mecánica de compresión y movimiento (Fig. 7.6). Para ello, el vapor de agua a alta presión y temperatura obtenido en la caldera de calor residual se dirige a la turbina de vapor 7, en cuyo eje se instala un turbocompresor. 2.
El turbocompresor comprime la nueva mezcla de nitrógeno-hidrógeno y en la última etapa también se mezcla con la mezcla de retorno N 2 + 3H 2 que no ha reaccionado con el catalizador, que contiene hasta 2 - 3% de NH 3. Para capturar el amoníaco, el gas después del turbocompresor pasa a través de un enfriador de amoníaco. 3, donde se condensa y se separa fácilmente como líquido en un separador 4. Después del separador, una mezcla de nitrógeno e hidrógeno pasa a través de dos intercambiadores de calor 5 y 6, calienta hasta 425 ° C
y se envía a la columna de síntesis del estante 7. En comparación con el aparato de contacto tradicional con un tubo de intercambio de calor doble en las columnas radiales del estante, la resistencia hidráulica y, en consecuencia, las pérdidas de energía se reducen significativamente. En una columna de este tipo con un diámetro interior de hasta 2,1 m, una altura de hasta 25 my un espesor de pared de 10-30 cm de acero al cromo-molibdeno, hay cuatro estantes. Los estantes se cargan con catalizador en una cantidad creciente y con un rango cada vez mayor de temperaturas de funcionamiento desde el primero hasta el último.
Para mantener un régimen de temperatura predeterminado a lo largo de la altura de la columna, después de cada estante, el calor de la reacción exotérmica se retira a la caldera de calor residual. El control fino de la temperatura se logra introduciendo una cierta cantidad de una mezcla fría en la mezcla de gas caliente.
Aproximadamente el 15-20% de la mezcla de nitrógeno e hidrógeno del catalizador se convierte en amoniaco. Al salir de la columna de síntesis con una temperatura de 320 - 380 ° C, la mezcla emite calor secuencialmente al agua de alimentación de la caldera de calor residual en el calentador de agua. 8, y luego calienta el flujo de gas contrafrio en el intercambiador de calor "caliente" 6. Luego se enfría en el enfriador de aire 9 y el intercambiador de calor "frío" 5. A una presión de aproximadamente 30 MPa en una mezcla de gases de este tipo, el amoníaco se condensa ya a una temperatura de 25 a 40 ° C y después de la separación en un separador 10 enviado a la bóveda.
Mezcla de gas que contiene hasta un 2-3% de amoníaco no condensado y nitrógeno e hidrógeno sin reaccionar mediante un turbocompresor 2 volver al ciclo de producción.
El grado de conversión de la mezcla de nitrógeno-hidrógeno en amoniaco en la columna de síntesis oscila entre el 15 y el 20%. Pero gracias a su circulación múltiple en circuito cerrado, el rendimiento real de amoniaco en sistemas de media presión es del 91 al 95%. En comparación con los sistemas que operan a presiones bajas (10 MPa) y altas (100 MPa), en los sistemas de presión media, que son los más extendidos en la práctica mundial, los problemas de liberación de amoníaco se resuelven con éxito a una velocidad de proceso suficiente en el aparato de contacto. . Además del amoníaco líquido, también se obtiene amoníaco gaseoso, que generalmente se procesa inmediatamente en urea, nitrato de amonio y ácido nítrico.
Esquema tecnológico - producción - amoniaco
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Los esquemas tecnológicos de producción de amoníaco incluyen de 5 a 9 bloques tecnológicos principales, tales como purificación de materia prima, producción de mezcla de nitrógeno-hidrógeno, síntesis de amoníaco y otros.
Si el esquema tecnológico de producción de amoníaco incluye lavado de gas con nitrógeno líquido, es aconsejable realizar una conversión de gas natural a alta temperatura bajo presión hasta 30 am a una temperatura de aproximadamente 1350 C. En este caso, el gas seco convertido contiene alrededor del 96% (СО Н2) con una concentración de metano residual de alrededor del 1% y bajos caudales de gas natural y oxígeno.
Si el esquema tecnológico de producción de amoníaco incluye lavado de gas con nitrógeno líquido, es recomendable realizar la conversión de gas natural a alta temperatura bajo una presión de hasta 30 MPa a una temperatura ambiente de 1350 C. En este caso, el seco convertido El gas contiene aproximadamente 95 5% (СО Н2) con una concentración de metano residual de aproximadamente 1% y bajas tasas de flujo de gas natural y oxígeno.
Si el esquema tecnológico de producción de amoníaco no prevé el lavado con nitrógeno líquido, pero se dispone de purificación de cobre y amoníaco, es aconsejable utilizar aire enriquecido con oxígeno para la conversión de gas natural a alta temperatura. En este caso, la concentración residual de metano en el gas convertido no debe exceder aproximadamente el 0,5%; lograr esto está asociado con un aumento en la temperatura de reacción a 1400 C.
Si el esquema tecnológico de producción de amoníaco no prevé el lavado de gas con nitrógeno líquido, pero hay secciones para la conversión de monóxido de carbono y metanización a baja temperatura, es aconsejable utilizar aire enriquecido con oxígeno para la conversión de gas natural a alta temperatura. En este caso, la concentración residual de metano en el gas convertido no debe exceder aproximadamente el 05%, lo que está asociado con un aumento en la temperatura de reacción a 1400 C.
Dependiendo del esquema tecnológico de producción de amoníaco, el aceite disuelto y disperso en el gas comprimido tiene un efecto diferente en las siguientes etapas de producción de amoníaco. Si la planta tiene purificación de cobre-amoníaco a la misma presión que la síntesis, la corriente de gas que contiene aceite ingresa en primer lugar a los depuradores de purificación secundaria de cobre, donde contamina la solución, empeora las condiciones para la purificación de gas y la regeneración de cobre. solución de amoniaco, aumenta los factores de consumo. Existe evidencia de que la purificación de gas del aceite solo en la etapa de purificación de cobre-amoníaco da.
Dependiendo del esquema tecnológico de producción de amoníaco, la conversión de gas natural a alta temperatura se lleva a cabo en una mezcla con oxígeno técnico o con aire enriquecido con oxígeno.
En la Fig. 3 muestra un diagrama de flujo de proceso para la producción de amoníaco a partir de gas natural.
La unidad es la principal en el esquema tecnológico de producción de amoníaco y el correcto funcionamiento del régimen en ella determina en última instancia la composición requerida de la mezcla de nitrógeno-hidrógeno para la síntesis de amoníaco. El cumplimiento del régimen térmico contribuye al funcionamiento normal y estable del sistema de vaporización.
En los esquemas tecnológicos creados actualmente para la producción de amoníaco con una capacidad de más de 1000 t de MNZ en tierra desde una unidad, no existe ninguna disposición para separar la purificación del gas convertido del monóxido de carbono con soluciones de cobre-amoníaco o enjuagar con nitrógeno líquido.
15 muestra de forma simplificada un esquema tecnológico para la producción de amoníaco a partir de gas natural. Como puede ver, el circuito es complejo.
Entonces, en la actualidad, se están introduciendo esquemas tecnológicos para la producción de amoníaco con una capacidad de una unidad de 400 tnf. Y en el futuro, se dominarán equipos para la producción de amoníaco hasta 800 tnf.
La transición de la industria del nitrógeno consolidado al gas natural barato reduce significativamente el costo de las materias primas. Además, de esta forma se mejoran las condiciones de trabajo en las fábricas que producen amoniaco sintético. Esto también conduce a una simplificación del diagrama de flujo de producción de amoníaco.
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Institución educativa municipal
Escuela secundaria novosafonovskaya
Producción de amoníaco: una breve descripción
Distrito de Prokopyevsky 2006
Introducción
1. Métodos para producir amoniaco
2. Proceso moderno de obtención de amoniaco
Lista de literatura usada
Introducción
La tarea económica general de toda empresa química es obtener productos químicos de alta calidad y en cantidades suficientes para que sean rentables. Relacionado con esto está el requisito de que todos los recursos se utilicen de la manera más eficiente posible. Sin embargo, esto solo se puede lograr si el proceso químico en sí es más efectivo. En la industria química, en lugar del concepto de "reactivos", los términos "materias primas", "materias primas" o simplemente materias primas se utilizan con mucha más frecuencia, a veces - "mineral". Para que cualquier proceso se justifique económicamente, es necesario lograr el rendimiento óptimo del producto objetivo a partir de las materias primas. El rendimiento óptimo no coincide necesariamente con el rendimiento teórico o incluso con el rendimiento máximo alcanzable. Obtener el rendimiento máximo alcanzable puede, por ejemplo, requerir un consumo excesivo de cualquier material de partida costoso, o el proceso es demasiado largo, o se crean condiciones extremas (temperaturas o presiones muy altas), plagadas de emergencias peligrosas, etc., - todos esto puede hacer que el rendimiento máximo alcanzable no sea económicamente rentable.
El rendimiento real de cada proceso químico específico puede depender de varios factores, siendo los principales la temperatura, la presión, la presencia de un catalizador, la pureza de los materiales de partida y la eficiencia de recuperación del producto final. La producción industrial de sustancias implica un excelente conocimiento de las leyes teóricas del curso de las reacciones químicas (energética de las reacciones químicas, cinética química y catálisis, equilibrio químico).
Todos los factores que se enumeran a continuación son importantes, especialmente cuando se trata de industrias de gran tonelaje, como, por ejemplo, la producción de amoníaco.
Los diseñadores de plantas químicas construyen plantas de amoníaco de alta resistencia. Por ejemplo, se han creado instalaciones que producen 1000-1200 toneladas de amoniaco por día. En la actualidad, se producen anualmente alrededor de 5 millones de toneladas de amoníaco en todo el mundo.
1. Métodos para obtener amoniaco
desulfurizador de proceso de cianamida de amoniaco
El primer proceso industrial utilizado para producir amoniaco fue el proceso de cianamida. Cuando se calentaron cal CaO y carbono, se obtuvo carburo de calcio CaC2. Luego, el carburo se calentó en una atmósfera de nitrógeno para obtener cianamida de calcio CaCN2; luego se obtuvo amoniaco por hidrólisis de cianamida:
CaCN2 (tv) + 3H2O = 2NH3 + CaCO3 (tv)
Este proceso requería mucha energía y era económicamente desventajoso.
En 1908, el químico alemán F. Haber descubrió que el amoníaco se puede obtener a partir del hidrógeno y el nitrógeno atmosférico en un catalizador de hierro. La primera planta para la producción de amoníaco con este método utilizó hidrógeno, que se obtuvo por electrólisis de agua. Posteriormente, se empezó a obtener hidrógeno a partir del agua mediante reducción con coque. Este método de producción de hidrógeno es mucho más económico. Después del descubrimiento de Haber, la producción de amoníaco comenzó a crecer rápidamente, esto no es sorprendente, ya que se necesitan grandes cantidades de amoníaco para obtener fertilizantes que contienen nitrógeno. Aproximadamente el 80% de todo el amoníaco producido en el mundo se utiliza para su fabricación. Junto con los fertilizantes que contienen nitrógeno, el nitrógeno se introduce en el suelo en forma soluble, que es necesaria para la mayoría de las plantas. El ≈20% restante del amoniaco producido se utiliza para obtener polímeros, explosivos, tintes y otros productos.
El proceso moderno para producir amoníaco se basa en su síntesis a partir de nitrógeno e hidrógeno utilizando un catalizador especial:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ (1)
Dado que esta reacción es reversible, surge la pregunta: a qué temperaturas y presiones es más rentable lograr el máximo rendimiento.
¿producto? Dado que la reacción es exotérmica, según el principio de Le Chatelier, está claro que cuanto más baja sea la temperatura del proceso, más se desplazará el equilibrio hacia la formación de amoníaco, y se puede suponer que la temperatura debe reducirse tanto como sea posible. Pero en realidad todo es más complicado: a bajas temperaturas, la reacción prácticamente no se produce, por lo que hay que tomar una decisión de compromiso. Dado que se requiere una temperatura baja para establecer un estado de equilibrio óptimo de la reacción, y se requiere una temperatura alta para lograr una velocidad satisfactoria, en la práctica el proceso se lleva a cabo a una temperatura de aproximadamente 400-500 ° C.
Pero incluso a una temperatura tan alta, se requiere la presencia de un catalizador especial para lograr una velocidad de reacción suficiente. Como catalizador se utiliza hierro esponjoso activado con óxidos de potasio y aluminio.
Puede verse en la ecuación de reacción que el número total de moles disminuye de 4 a 2. Según el principio de Le Chatelier, en este caso es ventajoso realizar el proceso aumentando la presión. Pero esta conclusión es solo cualitativa; en la práctica, necesita saber exactamente cuánto aumentará la producción de NH3 (en un 10% o solo en un 0,1%) con un aumento de la presión. La Tabla 1 muestra cuantitativamente el efecto de la temperatura y la presión sobre el rendimiento de amoniaco (porcentaje de amoniaco en la mezcla de equilibrio) durante la reacción.
Se puede ver en esta tabla que un aumento de temperatura a cualquier presión reduce significativamente el contenido de amoníaco en la mezcla de gases, sin embargo, a temperaturas por debajo de 500 ° C, la velocidad de reacción es muy baja, por lo tanto, en la práctica, el proceso suele ser realizado a una temperatura de 450 ° C.
tabla 1
En cuanto a la presión, aquí se utilizan presiones del orden de 300 - 100 atm, pero la mayoría de las veces la presión "media" es ≈ 250 atm. Aunque en estas condiciones solo alrededor del 20% de los materiales de partida se convierten en amoníaco, sin embargo, como resultado del uso de un esquema tecnológico circulante (la introducción de H2 y N2 sin reaccionar nuevamente en la reacción), el grado total de conversión de los materiales de partida para el amoniaco son muy altos.
2. Proceso moderno de obtención de amoniaco
El funcionamiento de una planta de amoniaco moderna es muy complejo. Esta afirmación parece sorprendente si se "concentra" sólo en la ecuación de reacción (1), de apariencia bastante simple, que es la base para la síntesis de amoníaco. Sin embargo, la declaración sobre la complejidad de la síntesis industrial de amoníaco no parecerá excesiva después del primer conocimiento del esquema de la planta de amoníaco que opera con gas natural (Fig.1). La primera etapa del proceso de síntesis de amoníaco incluye un desulfurador. El desulfurizador es un dispositivo técnico para eliminar el azufre del gas natural. Este es un paso absolutamente necesario, ya que el azufre es un veneno catalítico y "envenena" el catalizador de níquel en el siguiente paso de producción de hidrógeno.
La segunda etapa de la síntesis industrial de amoníaco implica la conversión de metano (producción industrial de hidrógeno). La conversión de metano es una reacción reversible que se desarrolla a 700 - 800 ° C y una presión de 30 - 40 atm usando un catalizador de níquel cuando se mezcla metano con vapor de agua:
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (2)
El hidrógeno formado por esta reacción, al parecer, ya puede usarse para la síntesis de amoníaco de acuerdo con la reacción (1); para esto, es necesario hacer correr aire que contenga nitrógeno en el reactor. Esto se hace en la etapa (3), pero en esta etapa tienen lugar otros procesos.
Se produce la combustión parcial de hidrógeno en oxígeno atmosférico:
2H2 + O2 = H2O (vapor)
Como resultado, en esta etapa se obtiene una mezcla de vapor de agua, monóxido de carbono (II) y nitrógeno. El vapor de agua, a su vez, se reduce nuevamente con la formación de hidrógeno, ya que en la segunda etapa de la segunda etapa de la misma manera, luego de las tres primeras etapas hay una mezcla de hidrógeno, nitrógeno y monóxido de carbono "indeseable" (II ).
En la Fig. 1, la etapa (4) se designa como una reacción de "desplazamiento", pero puede tener lugar en dos condiciones de temperatura y diferentes catalizadores. Oxidación
El CO, formado en las dos etapas anteriores, a CO2 se lleva a cabo exactamente según esta reacción:
CO + H2O (vapor) ↔ CO2 + H2 (3)
El proceso de "turno" se lleva a cabo secuencialmente en dos "rectores de turno". El primero de ellos utiliza el catalizador Fe3O4 y el proceso se lleva a cabo a una temperatura suficientemente alta del orden de 400 ° C. El segundo proceso utiliza un catalizador de cobre más eficiente y logra ejecutar el proceso a una temperatura más baja.
En el quinto grado, el monóxido de carbono (IV) se "elimina" de la mezcla de gases por absorción con una solución alcalina:
KOH + CO2 = K2CO3.
La reacción de "desplazamiento" (3) es reversible, y después de la 4ª etapa, aproximadamente 0,5% de CO permanece en la mezcla de gases. Esta cantidad de CO es suficiente para arruinar el catalizador de hierro en la etapa principal de la síntesis de amoníaco (1). En la sexta etapa, el monóxido de carbono (II) se elimina mediante la reacción de conversión con hidrógeno a metano en un catalizador especial de níquel a temperaturas de 300 - 400 ° C:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
La mezcla de gases, que ahora contiene ~ 75% de hidrógeno y 25% de nitrógeno, se comprime; su presión en este caso aumenta de 25 - 30 a 200 - 250 atm.
De acuerdo con la ecuación de Cliperon-Mendeleev, tal compresión conduce a un aumento muy brusco de la temperatura de la mezcla.
Inmediatamente después de la compresión, es necesario enfriar a 350 - 450 ° C. Es este proceso el que se describe con precisión mediante la reacción (1).
Lista de literatura usada
1.N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. Química. Teoría y tareas. - M.: ONIX siglo XXI "," Paz y Educación ", 2003.
Que es el amoniaco
El amoníaco o nitruro de hidrógeno es uno de los compuestos nitrogenados. Es un gas incoloro con un olor característico acre. fórmula química NH3. Cuando está congelado o bajo presión, el amoníaco se vuelve líquido.
El amoníaco se usa ampliamente en la industria y también es un componente clave en la producción de fertilizantes nitrogenados.
Las plantas necesitan nitrógeno para correcto desarrollo y crecimiento. El uso de fertilizantes aumenta el contenido de nitrógeno del suelo, aumentando los rendimientos.
El uso de amoníaco en la agricultura.
El amoníaco se utiliza principalmente para producir muchos tipos de fertilizantes nitrogenados, como urea y nitrato (nitrato de amonio) y sulfato de amonio. La mayor parte del amoníaco del mundo se vende a consumidores agrícolas o industriales.
Uso generalizado en la industria.
El amoníaco es una de las sustancias más importantes de la industria química. Se utiliza para producir polímeros, textiles, explosivos, etanol. El amoniaco también se utiliza como disolvente y agente refrigerante. El amoníaco se utiliza en la producción de medicamentos y cosméticos.
Producción de amoniaco
El amoníaco se produce combinando nitrógeno e hidrógeno a temperaturas de 380 a 500 grados Celsius y una presión de 250 atm en presencia de un catalizador.
El carbón, el coque y el gas de los hornos de coque se pueden utilizar como materias primas para la producción de amoníaco, pero principalmente el amoníaco se produce a partir del gas natural. La producción de amoniaco requiere mucha energía y el consumo de gas natural es uno de los factores más importantes que determinan la rentabilidad.
Uso de amoniaco
Como fertilizante
El amoniaco anhidro se utiliza de forma independiente como fertilizante, que se obtiene licuando el amoniaco gaseoso a alta presión. Es un líquido con un 82,3% de contenido de nitrógeno, lo que lo convierte en el fertilizante nitrogenado más concentrado y rentable.
Muchos tipos de fertilizantes nitrogenados se producen a partir de amoníaco.
Los más importantes son la urea, el nitrato de amonio y el sulfato de amonio.
La urea (urea) está hecha de amoníaco y dióxido de carbono.
Viene en forma de gránulos y microgránulos y contiene un 46% de nitrógeno, lo que lo convierte en el fertilizante nitrogenado más concentrado.
Nitrato de amonio (NH 4 NO3): el fertilizante nitrogenado universal más extendido, que contiene un 35% de nitrógeno, se utiliza como fertilizante principal y como aderezo.
El sulfato de amonio contiene un 21% de nitrógeno y hasta un 24% de azufre, por lo que también es una fuente de nutrición con azufre. Bien absorbido, no lavado del suelo, utilizado para todos los cultivos agrícolas.
Uso industrial
El amoníaco es uno de los productos más importantes de la industria química. Las sustancias hechas de amoníaco sirven como base para la producción de propileno, fibras textiles, alambres, tuberías, contenedores, neumáticos, repuestos de automóviles y teléfonos. Los explosivos también se producen a partir del amoníaco.
El amoniaco líquido se utiliza como disolvente y refrigerante. El amoniaco también se utiliza como aditivo anticongelante para morteros secos.
Los derivados amínicos del amoníaco se utilizan en el campo médico. Estos son amoníaco, componentes de cosméticos y medicamentos.
El amoníaco acuoso se utiliza como fuente de nitrógeno en el proceso de producción de levadura. La demanda de etanol está creciendo en todo el mundo y la levadura es el único microorganismo que se utiliza para convertir el azúcar en etanol.
Almacenamiento y transporte
Cuando está congelado o bajo presión, el amoníaco se vuelve líquido y requiere equipo y tecnología especiales para su transporte y almacenamiento.
El amoníaco líquido se almacena en tanques interconectados equipados con válvulas de seguridad. Para aumentar la seguridad, los tanques se excavan, se instalan paletas y paredes adicionales.
Cuando se almacenan grandes volúmenes de gases de hidrocarburos, las instalaciones de almacenamiento de gas subterráneas son más eficientes. Se ha generalizado el almacenamiento de amoniaco en gasificadores isotérmicos.
El transporte de amoníaco se realiza en contenedores especiales de transporte por ferrocarril, transporte por agua y por carretera o por tuberías principales.
Consumidores principales
La principal demanda del producto proviene de China, cuyas empresas consumen alrededor del 30% del amoníaco producido en el mundo. Varios otros países y regiones muestran aproximadamente el mismo nivel de consumo de amoníaco: EE. UU. (10%), los países de la CEI y Europa Oriental(8-9% cada uno), India (8%).
Demanda de amoniaco
Según las previsiones de los expertos, en 2020 la producción de amoniaco ascenderá a unos 190 millones de toneladas anuales. Aproximadamente las tres cuartas partes del amoníaco producido en el mundo se utiliza para la producción de fertilizantes, aproximadamente el 50% se utiliza solo para la producción de urea.
Actualmente, la demanda de urea está creciendo en el mercado mundial, por lo que se prevé que la demanda de amoniaco, del cual se produce, en el período hasta 2020 crecerá a una tasa de al menos 2% anual.
El aumento proyectado de la demanda del producto crea oportunidades para plantas de urea de nueva construcción.