Производство газов для синтеза аммиака

Для синтеза аммиака нужны два газа — водород и азот. Методы их получения делят на три группы:

электрохимические — электролиз воды;
химические — конверсия природного газа;
физические — разделение газовых смесей (воздуха, коксового газа) глубоким охлаждением.

Химический метод: конверсия метана

Сырьё — природный газ, на 97 % состоящий из метана. Метан окисляют водяным паром при высокой температуре:

\begin{aligned} \mathrm{CH_4 + H_2O} &\rightleftarrows \mathrm{CO + 3H_2} - Q \qquad &(1) \\ \mathrm{CH_4 + CO_2} &\rightleftarrows \mathrm{2CO + 2H_2} - Q \qquad &(2) \\ \mathrm{CO + H_2O} &\rightleftarrows \mathrm{CO_2 + H_2} + Q \qquad &(3) \end{aligned}

Реакции (1) и (2) эндотермические — им нужна высокая температура; реакция (3), конверсия оксида углерода, экзотермическая — ей выгодна температура пониже. Поэтому конверсию проводят двухступенчато, в двух аппаратах с совершенно разными условиями.

Схема конверсионной установки

№	Аппарат	Что происходит
1	Сатуратор	исходный метан подогревается до 80 °C и увлажняется
2	Теплообменник	смесь подогревается до 500 °C отходящими газами конвертера метана
3	Конвертер метана	к смеси добавляют кислород или воздух; идут сгорание части метана и реакция (1)
4	Увлажнитель	реакционную смесь увлажняют; затем она охлаждается в теплообменнике 2, нагревая входящий газ
5	Конвертер оксида углерода	полочный контактный аппарат; идёт реакция (3)
6	Теплообменник	газовая смесь охлаждается
7	Промыватель	газ отмывают от $\mathrm{CO_2}$ ; выходит смесь $\mathrm{H_2 + N_2}$

В конвертере метана идут два параллельных процесса. Часть метана сгорает до $\mathrm{CO_2}$ и воды:

\mathrm{CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O} + Q

Температура поднимается до 1000 °C, и начинается основная реакция — конверсия метана водяным паром (1). Реактор сам обеспечивает себя теплом за счёт сжигания части исходного вещества — процесс автотермический. Если вместо кислорода подавать воздух, вместе с ним в газ вводится азот, нужный для синтеза.

Конвертер оксида углерода — полочный контактный аппарат гетерогенного катализа, такой же, как при окислении диоксида серы.

🙏 Если вам нравится сайт, подпишитесь на наш 🔗 Телеграм-канал.

Физические методы: глубокое охлаждение

Газовую смесь охлаждают до температур, при которых её компоненты по очереди сжижаются, и разделяют по температурам кипения. Получить нужный холод можно двумя способами.

Каскадный метод

От тел с более низкой температурой кипения отнимают тепло и передают телам с более высокой температурой кипения. Для этого в каскад собирают ряд холодильных машин — так, чтобы испаритель каждой предыдущей машины служил конденсатором для следующей. Каждая машина состоит из поршневого компрессора, конденсатора, дросселя и испарителя.

Ступень	Хладагент	Температура кипения, °C
1	аммиак $\mathrm{NH_3}$ (конденсатор охлаждается водой)	−43
2	этилен $\mathrm{C_2H_4}$	−100
3	метан $\mathrm{CH_4}$	−161
4	азот $\mathrm{N_2}$	−196

Кипящий азот последней ступени охлаждает разделяемую газовую смесь.

Метод дросселирования

Дроссельный эффект (эффект Джоуля — Томсона) — изменение температуры реального газа при его расширении без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой. Такое расширение идёт при постоянной энтальпии, $H = \text{const}$ .

Цикл сжижения на диаграмме «температура — энтропия»:

Участок	Процесс
1–2	изотермическое сжатие газа до рабочего давления
2–3	изобарическое охлаждение сжатого газа
3–4	изоэнтальпийное дросселирование; газ должен охладиться ниже критической температуры, чтобы часть его перешла в жидкость
4–5	изотермическое испарение жидкости
5–1	изобарическое нагревание газа

Холодный газ на участке 5–1 нагревается, охлаждая при этом сжатый газ на участке 2–3, — так холод возвращается в цикл.

Синтез аммиака