Азотная промышленность сегодня — одна из ведущих отраслей. Применение аммиака распространилось на холодильную технику (R717, холодильный агент), медицину (раствор аммиака или спирт нашатырный), сельское хозяйство (удобрения).
Первостепенное внимание уделяется именно производству азотных удобрений (а значит — и их основам, в том числе аммиаку, спрос на который вырос за последние два десятилетия на 20%).
Но производство аммиака отличается, в первую очередь, высокой энергоемкостью. Вся история этого производства — борьба за понижение используемых энергий (механической, тепловой, электрической).
Синтез аммиака раскрывает формула:
N2 + 3H2 = 2NH3 + Q
Реакция экзотермическая, обратимая, с уменьшением объема. Поскольку реакция экзотермическая, понижение температуры сместит равновесие к образованию аммиака, однако скорость реакции значительно снизится. Производство аммиака должно идти при высоких температурах (синтез проходит при 500 градусах Цельсия). Повышение t° приведет к обратной реакции. Давление от 15 до 100 Мпа позволяет противодействовать влиянию температуры (низкое давление — от 10 до 15 Мпа, среднее давление — от 25 до 30 Мпа, высокое давление — свыше 50 МПа). Из них предпочтительнее среднее.
Катализатором служит железо губчатое с добавками кальция, кремния, калия, оксидов алюминия.
Вредные примеси (оксид углерода, вода, сероводород) отрицательно сказываются на скорости течения реакции, отравляя катализатор, снижая тем самым его активность и уменьшая сроки службы. Это означает, что сероводородная смесь должна обязательно пройти тщательную очистку. Но даже после очистки в аммиак превращается лишь часть этой смеси. Поэтому оставшуюся непрореагировавшую долю вновь отправляют в реактор.
Как происходит производство аммиака?
В трубопровод подают уже подготовленную смесь из трех частей водорода и одной азота. Она проходит через турбокомпрессор, где сжимается до указанного выше давления, и направляется в колонну синтеза с катализатором на встроенных полках. Процесс, как мы выяснили, сильно экзотермический. Выделяющимся теплом нагревается азотоводородная смесь. Из колонны выходит около 25 процентов аммиака и непрореагировавшие азот с водородом. Весь состав поступает в холодильник, где смесь охлаждается. Аммиак под давлением становится жидким. Теперь в работу вступает сепаратор, задача которого — отделить аммиак в сборник в нижней части и непрореагировавшую смесь, которая возвращается циркуляционным насосом обратно в колонну. Благодаря такой циркуляции азотоводородная смесь используется на 95 процентов. Жидкий аммиак по аммиакопроводу поступает на специальный склад.
Все аппараты, использующиеся в производстве, максимально герметичны, что исключает утечку. Используется лишь энергия происходящих внутри экзотермических реакций. Схема замкнутая, малоотходная. Затраты снижены благодаря непрерывному и автоматизированному процессу.
Производство аммиака не может не влиять на окружающую среду. Неизбежны газовые выбросы, включающие в себя аммиак, оксиды углерода и азота и прочие примеси. Выделяется низкопотенциальная теплота. Сбрасывается вода после промывки систем охлаждения и самого реактора.
Поэтому в производство аммиака необходимо включать каталитическую очистку с наличием газа-восстановителя. Снижения количества сточных вод можно добиться заменой поршневых компрессоров на турбокомпрессоры. Низкопотенциальная теплота может быть утилизирована вводом теплоты высокопотенциальной. Однако это увеличит загрязненность дымовыми газами.
Энерготехнологическая схема, включающая парогазовый цикл, где используются как тепло пара, так и продукты сгорания топлива, одновременно и повысит эффективность производства, и уменьшит выбросы.
