Производство аммиака схема

Тема кодификатора ЕГЭ по химии: Общие научные принципы химического производства на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола.

В этой статье мы рассмотрим принципы химического производства на примере получения аммиака в объеме, достаточном для решения заданий по этой теме в ЕГЭ по химии.

В промышленности аммиак получают по методу Габера – прямым взаимодействием азота и водорода в реакционной колонне:

N2 + 3Н2 ⇄ 2NH3

Реакция азота с водородом обратимая, экзотермическая, гомогенная (газофазная). Для увеличения выхода аммиака необходимо смещать равновесие в сторону продукта. Согласно принципу Ле-Шателье, для смещения равновесия вправо в данной реакции необходимо повышать давление и понижать температуру. Однако низкая температура уменьшит скорость реакции.

Поэтому для повышения скорости реакции температура в процессе поддерживается все-таки высокой, 500-550оС и в присутствии катализатора.

А для смещения равновесия применяют очень высокие давления 15-30 МПа.

В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Рассмотрим процессы, протекающие на разных участках производства аммиака:

1 этап. Трубопровод. В трубопровод подается предварительно подготовленная азотно-водородная смесь (N2:Н2=1:3) в соотношении 1 к 3.

2 этап. Турбокомпрессор. Турбокомпрессор используется для сжатия исходной смеси газов с целью повышения давления. Синтез аммиака проводится при очень высоком давлении (15-30 МПа, или 150-300 атм).

3 этап. Колонна синтеза. В колонне синтеза (контактном аппарате) производится синтез аммиака. Азотно-водородная смесь продавливается через полки с катализатором. Процесс синтеза протекает обратимо (т.е. частично) и является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла. Часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание поступающей азотоводородной смеси с помощью теплообменников. Смесь, выходящая из колонны синтеза в холодильник, состоит из аммиака (20-30%) и не прорегировавших азота и водорода.

4 этап. Холодильник. В холодильнике реакционная смесь, которая выходит из колонны синтеза, охлаждается и направляется на дальнейшее разделение в сепаратор.

5 этап. Сепаратор. После прохождения холодильника температура реакционной смеси значительно снижается, и аммиак переходит в жидкую фазу. В сепараторе происходит разделение реакционной смеси, жидкий аммиак отделяют от азота и водорода и отправляют на склад.

6 этап. Циркуляционный насос. Циркуляционный насос возвращает не прореагировавшую смесь азота и водорода в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаѐтся довести использование азотводородной смеси (конверсию) до 95%.

Производство аммиака – это очень сложный процесс, который требует больших затрат энергии. Однако, это одно из лидирующих промышленных направлений во всех странах, включая Россию.

Открытие производства аммиака

Производство аммиака играет важную роль в химической промышленности 21 века. Необходимо отметить, что азотные соединения используются как при получении органических, так и неорганических веществ. Особое место в азотной промышленности занимает производство аммиака. Именно с помощью этого ценного компонента создаются удобрения, различные кислоты, взрывчатые вещества и так далее. Несмотря на всю свою пользу, аммиак считается сильным ядом.

Как организовать бизнес

Для организации работы предприятия нужно зарегистрировать свое дело, найти подходящую землю для строительства.

Перед выполнением практических действий стоит уделить внимание планированию – сформировать проект завода и бизнес-план. В последнем одним из основных разделов будет материальный – там вы укажите ожидаемые растраты на запуск и доходы.

Регистрация

По сравнению с небольшим бизнесом, для которого обычно оформляется ИП, для запуска объекта среднего или большего бизнеса более подходит форма ООО.
Еще необходимо получить разрешительную документацию на работу предприятия. Для этого ваша продукция должна соответствовать ГОСТу.

Потребуются и разрешительные бумаги от пожарной службы, СЭС, Росприроднадзора, налоговой службы. Договора с рабочими завода должны соответствовать ст. 56-57 и 67 ТК.

Получение всех нужных документов может затянуться на долгие годы. Лучше всего делегировать хотя бы часть этого процесса квалифицированным сотрудникам.

Выбор помещения и оборудования

При выборе земли для строительства завода нужно учесть, что это шумное и опасное производство, поэтому стоит подобрать место за чертой города. Для работы предприятия потребуется подключение к электрической сети, системе водоснабжения и водоотведения, телефонной и интернет связи.

Для удобства перевозки продукции, предприятие должно находиться рядом с удобной дорожной развязкой. Для того, чтобы запустить бизнес-проект по созданию аммиака, понадобятся следующие аппараты:

• Грануляционная башня, которая стоит примерно 10000000 рублей.
• Гранулятор, с ценников 1200000 рублей.
• Специальный насос для подачи, стоимостью 400000 рублей.
• Дутьевой вентилятор, который стоит 1600000 руб.
• Погрузчик с ценником 500000 руб.

Очевидно, бизнес требует больших вложений. В общем, исходя из отзывов опытных дельцов, производство аммиака обойдётся в сумму от 400 миллионов долларов. Окупается ли это дело? Себестоимость производства тонны аммиака в РФ оценивается в 130-160 $. А средняя стоимость продажи при этом – 250-300 долларов. На основании этой информации можно сделать вывод: бизнес этот однозначно прибыльный и выгодный.

Персонал

Грануляционного типа башню ежедневно должны обслуживать шесть специально обученных работников. Упаковывать, грузить товар и выполнять иные манипуляции будут четверо разнорабочих.

Не обойтись здесь без бухгалтера и директора.
Ежемесячные расходы на выплату заработных плат составят:

• Разнорабочий — 15000 рублей.
• Мастер по ремонту агрегатов — 20000 рублей.
• Сотрудник, занимающийся бухгалтерской отчетностью — 20000 рублей.
• Руководитель — 35000 руб.

Итоговая сумма расходов на зарплату всего 365000 рублей.

Особенности и этапы производственного процесса

Процесс производства аммиака выделяется большой энергоемкостью, что считается главным его минусом. Именно поэтому регулярно разрабатываются решения, которые призваны устранить проблемы, связанные с экономией энергии.

В основе производства лежит принцип циркуляции, согласно которому процесс осуществляется беспрерывно, причем остатки исходных компонентов отделяются от конечной продукции и используются снова.

Сама технология создания аммиака зависит, в первую очередь, от сырья, из которого формируется конечная продукция. Дело в том, что, в отличие от азота, который есть в воздухе, водород в чистом виде отсутствует, а выделять его из воды очень трудно. Поэтому в качестве сырья для создания аммиака чаще всего эксплатируются углеводороды, которые содержатся в природном газе.

Сейчас именно природный газ считается одной из основ аммиачной промышленности. Прежде чем попасть в колонну синтеза, газ проходит различные стадии обработки. Начинается процедура с того, что выполняется очистка сырья посредством десульфуратора. Затем начинается процесс риформинга, который заключается в том, что углеводороды вначале превращаются в метан, потом происходит очень трудоемкий процесс превращения метана в смесь водяного пара, угарного газа, углекислого газа и водорода. При этом также осуществляется очистка смеси от углекислого газа, после чего водород попадает в колонну синтеза вместе с азотом.

Поэтому, перед производством, сначала осуществляется обработка сырья. Все манипуляции риформинга, как и сам синтез продукции, происходят при избыточном давлении и высокой температуре. Именно это приводит к большим затратам энергии.
Производство аммиачной продукции в промышленности, несмотря на кажущуюся простоту реакции, которая лежит в основании процесса, на самом деле считается очень трудной техзадачей.

Хранение и перевозка

Жидкий продукт хранят лишь в наземных складских помещениях: в горизонтальных и шаровых резервуарах под большим давлением, в зависимости от температурного режима воздуха, без отвода испаряющегося аммиака.
Также его сохраняют в шаровых и закрытых резервуарах под большим давлением, в которых установленное рабочее давление поддерживается с помощью конденсации испарившегося вещества или отвода потребителям аммиака. В вертикальных закрытых сосудах при температурном режиме -33°С под избыточным давлением, поддерживаемым с помощью конденсации испаряющегося аммиака (изотермический вариант).
В прирельсовых складских помещениях продукт хранят в цилиндрических хранилищах под давлением. Сосуды для сохранения жидкого аммиака располагают в несколько рядов с разрывами. Технологией предусмотрена возможность передачи жидкого продукта из одного хранилища в любой другой. Все сосуды совмещены друг с другом.
Резервуары имеют предохранительные клапаны. Еще для повышения безопасности сосуды окапывают по отдельности или группой, устанавливают вспомогательные поддоны и стенки, а также иные меры предосторожности для безопасного хранения перед перевозкой.

На заводе, где создается аммиак, вблизи складов с хранящимся полученным продуктом, чаще всего ставят два компрессора, главный и запасной. С их помощью, под давлением до 35 атмосфер в трубу, затем аммиакопровод подается вещество в жидком состоянии и транспортируется до конечного потребителя через специальные станции, будь-то перерабатывающее предприятие или дальнейшее звено передачи аммиака.

Основные потребители и каналы сбыта

Для того, чтобы регулярно сбывать аммиак, нужно найти постоянных заказчиков. В этом деле никак не обойтись без рекламы. Самым доступным и лучшим способом является интернет. Выложите объявления на популярных сайтах, посвящённых строительству. Оптимальным вариантом для привлечения людей станет формирование собственного ресурса, на котором клиенты смогут получить все нужные сведения о продукте. Расходы на разработку сайта составят около 20000 рублей.
Согласно экспертным прогнозам, в 2020 году производство аммиака составит примерно 190 миллионов тонн в год. Около трех четвертей создаваемого в мире аммиака используется для производства удобрений, около 50% идет на изготовление карбамида.

Сейчас возрастает спрос на карбамид, поэтому многие считают, что спрос на аммиак, из которого он создается будет расти с темпами не менее 2% в год.

Показатель потребления природного газа является одним из важнейших факторов, определяющих рентабельность производства аммиака. На выработку 1 тонны аммиака российские агрегаты потребляют 1115-1380 м3 природного газа. Зачастую высокое потребление природного газа связано с тем, что большинство российских агрегатов являются устаревшими и значительно уступают используемым в передовых странах по энерго- и материалоемкости и экологическим требованиям. Но в последние годы на большинстве предприятий проводятся работы по реконструкции и модернизации производств, в результате которых расход природного газа и электроэнергии снижается. Наилучшие показатели по расходу природного газа находятся на данный момент на уровне 1115 м3. Ниже представлены показатели потребления природного газа на некоторых российских производствах:

Таблица
Расход природного газа на производство аммиака на некоторых российских предприятиях

Предприятие	Расход природного газа, м3 на тонну NH3
ОАО «Акрон»	1,115; 1,130 (в зависимости от агрегата)
ОАО «Минеральные удобрения»	1,174
ОАО «Азот» (Березники)	1,250

Источник: данные опросов

На данный момент основным конкурентным преимуществом российских производств аммиака является дешевый природный газ. Проследить изменение себестоимости производства аммиака в различных регионах мира можно по данным, представленным в нижеследующей таблице. Видно, что себестоимость производства аммиака в России одна из самых низких. В то же время, технологии производства, ресурсо- и энергопотребление на российских предприятиях существенно выше, чем на современных производствах, введенных в эксплуатацию в последние годы. Этот факт говорит о том, что без модернизации существующих производств, ввиду вероятного роста цен на исходное сырье, себестоимость аммиака существенно возрастет.

Таблица
Себестоимость производства аммиака в различных странах

Источник: ФосАгро, собств. оценка

Традиционная схема получения аммиака из природного газа выглядит следующим образом:

Рис. 1.1. Традиционная схема получения аммиака из природного газа

На первой стадии происходит удаление серы из природного газа. В зависимости от содержания соединений серы в природном газе используется цеолитная очистка или очистка методом каталитического гидрирования и последующего поглощения H2S оксидом цинка. Далее природный газ поступает в реакторы реформинга. Следующим этапом идет конверсия моннооксида углерода и очистка газа от диоксида углерода. Важнейшей частью схемы является синтез аммиака. В агрегатах аммиака предыдущего поколения синтез аммиака проводят при давлении 280 — 330 бар. Для сжатия синтез газа, подаваемого в петлю синтеза требуется мощный 4-х ступенчатый компрессор с номинальной мощностью 32 МВт для агрегата, производящего 1360 тонн NH3 в сутки. Его турбина потребляет пар с давлением 100 бар и температурой 482°С в количестве 350 — 370 тонн в час. Именно эта турбина производит, а компрессор потребляет наибольшее количество механической энергии. Потери энергии только при конденсации мятого пара составляют 0.35 — 0.4 Гкал/т NH3. Чтобы сократить производство механической энергии и производство пара в рамках концепции энергосбережения и уменьшения инвестиций предлагаются новые схемы синтеза, в частности каскадный синтез аммиака при низком давлении.
Энергопотребление является одним из важнейших параметров, определяющих рентабельность производства аммиака. В течении производителями ведутся работы по модернизации производства, которые в том числе ведут к снижению энергозатрат. По данным института катализа им. Г. К. Борескова в России действует 31 агрегат аммиака III-го поколения с расходом энергии 10.07-11.2 Гкал/т. То есть с 1960-х гг. энергопотребление снизилось на 29%.
На нижеследующей диаграмме представлена динамика изменения расхода электроэнергии по мере усовершенствования технологий производства аммиака.

Диаграмма
Динамика энергопотребления при производстве аммиака в 1920-2006 гг.

Источник: Институт катализа им. Г. К. Борескова

В результате работ по совершенствованию технологий производства карбамида был разработан ряд агрегатов IV поколения, технические показатели которых превосходят все существовавшие до этого аналоги.
Рассмотрим технологические решения, предложенные различными лицензиаторами для усовершенствования процесса синтеза аммиака.
Разработкой технологий синтеза аммиака являются фирмы Haldor Topsoe, Kellogg Brown& Root, Ammonia Casale, ICICF Braun, Uhde и др.
На рис. 1.10 и 1.11 представлены радиальные колонны синтеза аммиака, разработанные Ammonia Casale и Haldor Topsoe. Первый вариант предусматривает уменьшение давления синтеза на 30% и энергопотребления до 0,3 Гкал/т NH3. Второй – увеличение конверсии до 40% и снижение перепада давления до 60%.

Рис. 1.10. Радиальная насадка колонны синтеза Ammonia Casale	Рис. 1.11. Радиальная насадка колонны синтеза Haldor Topsoe

Метод повышения производительности установки реформинга без увеличения ее размеров заключается в использовании установки предриформинга. Это хорошо отработанная технология, впервые примененная компанией British Gas под названием процесса «Каталитического обогащения газа» при производстве бытового газа из лигроина в 1960-х гг.
Предреформинг позволяет снизить соотношение пар/газ, улучшить показатели сероочистки, достичь экономии топлива на 5-10% и повысить мощность собственно реформинга на 15-25%. Ниже приведен пример схемы предреформинга.

Рис. 1.12. Схема процесса предреформинга

Использование предреформинга предлагает в частности Haldor Topsoe. В целом агрегат синтеза аммиака IV-го поколения (Low Energy Process), разработанный данной компанией, представляет собой традиционную схему синтеза с оптимизированными стадиями.

Рис. 1.13. Схема агрегата ICI (LCA)

Для оптимизации процесса предлагаются следующие положения:
— соотношение пар/газ=2.8 за счет использования предреформинга и спец. катализатора СТК,
— высокая температура в первичном реформинге за счет использования жаропрочных труб,
— остаточный СОx после очистки от СО2 удаляется синтезом метанола.
Агрегаты IV-го поколения ICI (AMV Process) отличают следующие особенности:
— подача избыточного (на 20%) количества воздуха во вторичный реформинг и более мягкие условия первичного реформинга,
— низкое давление синтеза (80-110 атм),
— рекуперация водорода из продувочных газов при давлении синтеза,
— экономия энергии (6.8-6.9 Гкал/т).
В таблице представлены основные технические параметры процесса AMV фирмы ICI и традиционной технологии.

Таблица
Технические показатели процесса синтеза аммиака AMV (ICI) и традиционной технологии

Показатели	AMV процесс	Традиционная технология
Типичные режимы первичного реформинга:Соотношение пар/углеродТемпература газа на выходе, °С Проскок метана, %об.	2.75-3.078016	3.5800-82011
Типичные режимы вторичного реформинга:Температура газа на выходе, 0СПроскок метана, %об.	9501.0	10000.3

Источник: Институт катализа им. Г. К. Борескова

Второй процесс, разработанный ICI (LCA Process), предполагает использование первичного реформинга с газовым обогревом. На рис. 1.5 представлена схема реактора синтеза аммиака, разработанного ICI для данного процесса.
Основные особенности процесса:
— первичный реформинг без огневого подогрева,
— большой избыток воздуха во вторичном реформинге,
— соотношение пар:газ=2.5,
— конверсия СО в одну стадию,
— выделение N2, Ar, CO2 методом КЦА,
— давление синтеза – 80 атм.
Упрощенно схему процесса LCA можно представить следующим образом:
Также вкратце хотелось бы описать современные варианты агрегатов синтеза аммиака компаний Linde, Kellog Brown & Root, Lurgi.
Особенности агрегатов синтеза аммиака Linde (LAC):
— водород получают паровой конверсией при 850°С, одноступенчатой конверсией СО и КЦА,
— азот получают криогенным разделением воздуха,
— нет продувочных газов,
— общее количество катализатора снижено в 2 раза.

В агрегатах производства аммиака 4-го поколения Broun&Root Purifier process основная идея – использование во вторичном реформинге расхода воздуха на 50% выше стехиометрического с выделением избыточного азота криогенным разделением перед компрессором синтез-газа. Особенности данного процесса можно кратко представить следующим образом:

Рис. 1.14. Схема процесса синтеза аммиака LCA (ICI)

— метан и аргон выделяются криогенно. Синтез-газ содержит только 0.25% инерта (Ar),
— существенно снижена температура в первичном реформинге,
— соотношение пар/газ меньше 3,
— дополнительный воздух дает дополнительное тепло,
— остаточное содержание метана – 1.5%,
— концентрация СО после НТК – 2.35%.
Особенности процесса KAAP/KRES фирмы Kellog Brown & Root:
— отсутствие первичного реформинга,
— давление синтеза – около 90атм,
— катализатор синтеза – Ru/C,
— одноступенчатый компрессор синтез-газа,
— отделение H2 и N2 из продувочных газов,
— потребление энергии 6.5-6.7 Гкал/т NH3.
Особенности процесса Megammonia компании LURGI, мощностью 4000 тонн в сутки:
— нет первичного реформинга,
— автотермичный реформинг на кислороде при 60 атм.,
— нет НТК,
— азот после разделения воздуха,
— криогенное выделение СО2, рециркуляция СН4, СО и Ar,
— синтез при 200 атм.

С оценкой потенциала российского экспорта карбамида, текущей ситуации и прогнозе развития внутреннего рынка можно познакомиться в отчете маркетингового исследования Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок карбамида в СНГ».

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях — проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru

Проектируемая колонна конденсации входит в состав технологической схемы производства аммиака. На основании проведенного анализа состояния вопроса выбрана технологическая схема синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут на отечественном оборудовании.

Технологическая схема производства аммиака мощностью 1360 т/сут

1 – подогреватель газа, 2 – колонна синтеза аммиака, 3 – подогреватель воды, 4 – выносной теплообменник; 5 – циркуляционное колесо компрессора; 6 – сепаратор жидкого аммиака; 7 – блок аппаратов воздушного охлаждения; 8 – конденсационная колонна; 9 – конденсационная колонна продувочных газов; 10 – испаритель жидкого аммиака на линии продувочных газов, 11 – сборник жидкого аммиака, 12 – испаритель жидкого аммиака на линии танковых газов; 13 – сепаратор; 14 – промежуточная дренажная емкость; 15 – испарители жидкого аммиака; 16 – магнитный фильтр

Свежая азотоводородная смесь после очистки метанированием сжимается в центробежном компрессоре до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (на схеме не показан) поступает в нижнюю часть конденсационной колонны 8 для очистки от остаточных примесей СО2, Н2О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров и следов СО2 и масла, насыщается аммиаком до 3–5% и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4, где нагревается до 185 –195 °С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонну синтеза 2.

В колонне синтеза газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного в горловине корпуса колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до температуры начала реакции 400–440 °С за счет теплоты конвертированного газа и затем последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15%. Пройдя через центральную трубу, при температуре 500–515 °С азотоводородоаммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 330°С. Дальнейшее охлаждение газовой смеси до 130 °С осуществляется в трубном пространстве подогревателя питательной воды 3, в трубном пространстве выносного теплообменника 4 до 65 °С за счет холодного циркулирующего газа, идущего по межтрубному пространству, и затем в аппаратах воздушного охлаждения 7 до 40 °С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе 6, а затем смесь, содержащая 10–12% NH3, идет на циркуляционное колесо компрессора 5 азотоводородной смеси, где сжимается до 32 МПа.

Циркуляционный газ при температуре 50 °C поступает в систему вторичной конденсации, включающую конденсационную колонну 8 и испарители жидкого аммиака 15. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18 °С и в испарителях за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве до –5 °С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотоводородной смеси с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в выносной теплообменник 4, а затем в колонну синтеза 2.

Жидкий аммиак из первичного сепаратора проходит магнитный фильтр 16, где из него выделяется катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны 8. Затем его дросселируют до давления 4 МПа и отводят в сборник жидкого аммиака 11.

В результате дросселирования жидкого аммиака до 4 МПа происходит выделение растворенных в нем газов Н2, N2, O2, СН4. Эти газы, называемые танковыми, содержат 16–18% NH3. Поэтому танковые газы направляют в испаритель 12 с целью утилизации аммиака путем его конденсации при –25 °С. Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор 13 для отделения жидкого аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака 11.

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертных газов, не превышающего 10%, производится продувка газа после первичной конденсации аммиака (после сепаратора 6).

Продувочные газы содержат 8–9% NH3, который выделяется при температуре 25–30 °C в конденсационной колонне 9 и испарителе 10 продувочных газов. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используют как топливный газ.