Азот и продукты его производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Производство аммиака

2. Производство азотной кислоты

3. Производство нитрата аммония

4. Производство карбамида

5. Экологические проблемы

Заключение

Список использованных источников

Введение

К азотной промышленности относятся производства получения водорода методом конверсии природного газа, аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений -- аммиачной селитры NH₄NO₃ и мочевины (NH₂)₂CO, а также азотно-фосфорных удобрений. Аммиак и азотная кислота являются важнейшими продуктами химической промышленности, около 75 % которых расходуется на получение азотных удобрений. Азотная кислота используется также для производства синтетических красителей, взрывчатых веществ, нитролаков, пластических масс, лекарственных синтетических веществ. Азотная кислота и жидкий тетраоксид азота применяются в качестве окислительных компонентов жидкого топлива, а диоксид азота -- для стерилизации семян перед внесением их в почву.

1. Производство аммиака

Аммиак - бесцветный газ с резким удушливым запахом. Жидкий аммиак - бесцветная жидкость, сильно преломляющая свет. Существование водородных связей и значительная полярность молекул аммиака являются причиной сильного взаимодействия между ними. Аммиак в силу своей полярности хорошо растворим в воде.За основу промышленного способы получения аммиака положена реакция взаимодействия азота и водорода.

Реакция является обратимой. Сдвигу равновесия вправо способствует повышение давления и понижение температуры, а также соотношение N₂:H₂. Но при понижении температуры сильно замедляется скорость реакции, поэтому её ведут при высоких давлениях и с катализатором. В качестве катализатора выступает губчатое железо с добавлением оксидов калия, кальция, алюминия и др. Высокое давление требует максимально герметичного и прочного оборудования высокой стоимости. Процесс производства аммиака сильно энергозатратен.[1]

Азот для получения аммиака получают из воздуха, а водород получают паровой конверсией метана. Природные газы практически не содержат примеси сульфидных соединений. Однако газы при дальнейшей транспортировке одорируют, добавляя меркаптаны. Сульфидные соединения вызывают коррозию аппаратуры, они являются сильнодействующими ядами для большинства катализаторов, в следствии этого существует необходимость очистки природного газа от примесей.

Значительное распространение получили адсорбционные методы. Они основаны на избирательном поглощении сернистых соединений твёрдыми сорбентами. Для очистки многосернистых природных газов большое распространение в качестве адсорбентов получили цеолиты. Адсорбционная ёмкость цеолитов в большей мере зависит от содержания паров воды, углекислого газа и высших углеводородов. Основная проблема адсорбционной очистки газа на цеолитах от сероводорода в присутствии углекислого газа заключается в том, что при адсорбции происходит образование серооксида углерода который плохо сорбируется и является каталитическим ядом. Так же практически во всех газах имеется определённое количество паров снижающих ёмкость цеолитов.

Для высокой степени очистки газов от сероводорода используют хемосорбционные процессы, которые основаны на химическом взаимодействии сероводорода с активным компонентом. В качестве такого компонента может выступать водный раствор моноэтаноламина (15-30%). Реакции протекают по схеме:

Растворы моноэтаноламина обеспечивают тонкую очистку газа от сероводорода в широком диапазоне концентраций, однако, этот процесс имеет ряд существенных недостатков:

- Образование необратимых химических соединений с

- Вспениваемость в присутствии жидких углеводородов, ингибиторов коррозии и механических примесей;

- Не селективность к сероводороду в присутствии углекислого газа, низкая эффективность по меркаптанам;

При очистке гидратом окиси железа поглощается сероокись углерода, меркаптаны, но тиофен - не поглощается. Недостаток этого сорбента в том, что он имеет малую сероемкость и регенерация поглотителя невозможна. При очистке на активированных углях легче адсорбируется тиофен, сероуглерод, плохо адсорбируется сероокись углерода и дисульфиды. Преимущество- удаление остатков тяжелых углеводородов (нафталина, бензольных углеводородов и др.) одновременно с соединениями серы, которые затрудняют адсорбцию серосодержащих примесей.

Основными характеристиками оксида цинка являются статическая и динамическая сероемкость, а также повышенная удельная поверхность и адсорбционная емкостью. В этом процессе степень очистки газа составляет около 100%. Сероводород непосредственно реагирует с ZnO с образованием ZnS. Количество вещества, поглощаемое в единицу времени таблеткой, пропорционально поверхности раздела между отработанной и неотработанной зонами таблетки. Эта зона с течением времени уменьшается, и наблюдаемая скорость процесса поглощения снижается. Выбор поглотителя является основной задачей технологии очистки газа от сернистых соединений. До сих пор не было придумано идеального метода очистки природного газа от сульфидных соединений.

Итак, в трубопровод подают уже подготовленную смесь из трёх частей водорода и одной азота. Она проходит через турбокомпрессор, где сжимается до 25-30 Мпа, и направляется в колонну синтеза с катализатором на встроенных полках. Смесь продавливается через полки с катализатором. Из колонны выходит около 25% аммиака и непрореагировавшие азот с водородом. Весь состав поступает в холодильник, где смесь охлаждается. Аммиак под давлением становится жидким и смесь разделяется сепаратором. Непрореагировавшие азот и водород обратно возвращаются в колонну. Процесс производства аммиака, как уже упоминалось выше, сильно энергозатратен, и настоящей задачей является оптимизация этого процесса. Для этого уже было предпринято ряд решений. Например, объединение нескольких производств, в частности, производства аммиака и карбамида. [3]

2. Производство азотной кислоты

Азотная кислота - бесцветная жидкость малоустойчива, при нагревании или под действием света частично разлагается

4HNO₃=4NO₂ + 2H₂O+O₂

Образующийся диоксид азота придаёт бурый цвет и специфический запах. На стадии подготовки происходит дополнительная очистка аммиака от механических примесей и масла. Воздух из нагнетателя поступает в межтрубное пространство подогревателя, где нагревается за счёт тепла нитрозных газов. Воздух смешивают с аммиаком, после чего, производят очистку смеси. Начальной стадией производства азотной кислоты контактным способом является окисление аммиака кислородом воздуха с получением монооксида азота NO₂. Однако окислением аммиака кислородом в гомогенных условиях (без использования катализатора) невозможно получить оксиды азота. При горении его в воздухе или кислороде образуется молекулярный азот и вода. Потому, для получения оксида азота (II) процесс должен проводиться с использованием катализатора.

Наиболее эффективным катализатором для процесса окисления аммиака кислородом воздуха является платина. Она проявляет высокую каталитическую активность и селективность, обеспечивая при 600-1000 ⁰C выход оксида азота до 99%, низкую температуру зажигания (150-180⁰C), хорошую ковкость и пластичность. Однако платина склонна к разрушению в окислительной среде при температурах конверсии, подвержена влиянию большого количества ядов. Поэтому в промышленности применяют её сплавы с другими металлами: Pd, Rh, Ru. Ниже приведены составы сплавов.

Таблица 2.1 - состав сплавов для катализаторов.

Такие платиноидные катализаторы выпускаются в виде сеток с различным плетением. Но несмотря на большую устойчивость по сравнению с чистой платиной, такие сплавы так же подвержены действию каталитических ядов и окислению. При окислении аммиака под воздействием высоких температур, окислительной среды и примесей, поступающих с газом, происходит изменение структуры катализаторных сеток, в частности разрыхление их поверхностного слоя, увеличение размеров кристаллов и т.д. Изменение структуры катализатора приводят к потерям его массы. Механизм потерь платиноидного катализатора заключается в том, что при высоких температурах в кислородсодержащей среде происходит окисление металлов платиновой группы.

Различают прямые и удельные потери катализатора: Прямые потери - это потери массы сеток за пробег, отнесённые к массе, выработанной за это время азотной кислоты. Удельные потери - это потери массы сеток за пробег за вычетом количества уловленных платиноидов, отнесенные к массе выработанной за это время азотной кислоты.

И хоть проблема потери катализатора не решена полностью, существуют способы улавливания катализатора для снижения его потерь: Химическое связывание (для улавливания соединений платины, находящихся при температурах конверсии в газовой фазе PtO и PtO₂. Этот способ осуществляется по двум направлениям: связывание паров платиноидов различными металлами за счёт внедрения атомов платины в кристаллическую решётку сплава с образованием твёрдых растворов; использование оксидов некоторых металлов, устойчивых в условиях конверсии и обладающих свойством взаимодействовать с парами благородных металлов.

Механическое фильтрование с использованием кварцевой ваты, асбеста, пористого фарфора, керамических, металлокерамических или паролитовых фильтров, блоков из минеральной ваты. Данный способ следует использовать в тех аппаратах, где температура нитрозного газа не превышает 350 ⁰C и в нём обнаруживается в основном металлическая платина.

Оксид азота (II), образующийся при каталитическом окислении аммиака, не взаимодействует с водой, поэтому для получения азотной кислоты должен быть окислен до оксидов высших валентностей. Полученные оксиды поглощаются в абсорбционной колонне водой с целью получения азотной кислоты. В общем виде процесс образования 55-60% азотной кислоты, протекающий при поглощении оксидов азота из нитрозных газов, полученных конверсией аммиака воздухом/

Особенностью водной абсорбции оксидов азота является невозможность практически полного их улавливания из-за протекания реакций кислотообразования с выделением NO. Так, только 2/3 диоксида азота превращаются в азотную кислоту. Концентрированную азотную кислоту возможно получать на основе разбавленной, путём введения абсорбирующих веществ (чаще всего серная кислота или нитраты).

При использовании в качестве водопоглащающего средства серную кислоту, сырьё делят на два потока: первый подаётся в испаритель, второй попадает в холодную область промышленного агрегата. Серная кислота подаётся в область аппарата, расположенную выше второго потока разбавленной азотной кислоты. В нижнюю часть агрегата, в свою очередь, осуществляется подача пара, который нагревает используемую смесь, вследствие чего из неё испаряется азотная кислота. Её пары поднимаются вверх по аппарату, после чего выводятся в холодильник. Там пары кислоты конденсируются до тех пор, пока концентрация кислоты не достигнет 98-99%.

На практике, данная технология производства кислоты характеризуется низким уровнем экологичности. Поэтому в качестве альтернативы применению серной кислоты распространено использование нитратов. Чаще всего применяются нитраты магния или цинка. Этот метод экологичнее и, кроме того, данная технология позволяет обеспечить самое высокое качество продукта. Однако и у этого метода существует ряд недостатков: довольно высокая себестоимость процесса и наличие твёрдых отходов, переработка которых может быть осложнена.[2]

3. Производство нитрата аммония

Нитрат аммония или аммонийная селитра представляет из себя бесцветные гигроскопичные кристаллы с температурой плавления 169,6 ⁰C. Процесс получения нитрата аммония базируется на реакции азотной кислоты с аммиаком/

В процессе нейтрализации 47-60% азотной кислоты образуется водный раствор нитрата аммония, который для получения целевого продукта необходимо упаривать. В процессе упарки используется теплота нейтрализации. Количество же теплоты, выделяющейся по реакции, зависит от концентрации исходной азотной кислоты. Чем меньше концентрации кислоты, тем меньше выделяется теплоты. Нитрат аммония термически неустойчив и его упарку проводят в вакуум-испарителях. Процесс гранулирования плава, содержащего до 98,7% целевого продукта осуществляют в потоке воздуха в футерованных кислотоупорным кирпичом железобетонных башнях.

Аммиачная селитра, как было отмечено выше, термически неустойчива. При высоких температурах (выше 350) разлагается с выделением кислорода. Реакция сильно экзотермична, что приводит к детонации соединения. Введение ограничений на содержания азота в аммиачной селитре вследствие рисков возникновения неуправляемых ситуаций на любой стадии производства, хранении и транспортирования, приводит к добавлению различных добавок. Наиболее перспективными являются следующие удобрения на основе аммиачной селитры: азотно-фосфорные с содержанием водорастворимого фосфора (>5% P₂O₅); Азотно-калийные удобрения с содержанием калийной добавки 30-60%.

В качестве фосфоросодержащего сырья предлагается использовать экстракционную фосфорную кислоту. В процессе производства этих удобрений возникли следующие трудности: сильное коррозионное действие примесей содержащейся в фосфорной кислоте; Забивка и зарастание технологического оборудования из-за примесей;

Нитрат аммония очень гигроскопичен. Значительная растворимость в воде, высокий коэффициент гигроскопичности и имеющие место полиморфные превращения являются причиной слёживаемости нитрата аммония. С целью исключения вышеперечисленных причин, стараются производить нитрат аммония с низким содержанием влаги и различными добавками. [1]

4. Производство карбамида

Карбамид (диамид угольной кислоты, мочевина) - бесцветные кристаллы без запаха. Мочевина хорошо растворима в полярных растворителях (воде, жидком аммиаке и сернистом ангидриде), при снижении полярности растворителя растворимость падает. Мочевина является крупнотоннажным продуктом, используемым в основном как азотное удобрение (содержание азота 46 %).

Технология карбамида основывается на реакции аммиака и диоксида углерода, протекающей при 150-220 ⁰C и под давлением 7-100МПа. Процесс протекает в две стадии: первая стадия - образование карбамата аммония; вторая - дегидратация карбамата аммония с образованием карбамида:

2NH₃+CO₂=NH₄OCONH₂

Так, карбамид образуется преимущественно в жидкой фазе.

Одним из вариантов получения карбамида является получение карбамида с двухступенчатой дистилляцией плава и жидкостным рециклом. Газообразный оксид углерода, полученный в качестве отхода в процессе очистки азотно-водородной смеси, предварительно очищенный от примесей, сжимается в компрессоре до 20 МПа и при температуре 95-100⁰C направляется в смеситель. Одновременно в смеситель насосом подаётся жидкий аммиак. В процессе перемешивания компонентов в смесителе при 175 ⁰C начинается образование карбамата аммония, после чего реакционная масса поступает в колонну для синтеза, в которой при 180-230 ⁰C и давлении 12-25 Мпа заканчивается его разложение до карбамида. Полученный сплав, содержащий карбамид, карбамат и воду направляется на двухступенчатую дистилляцию. Там плав проходит ректификационную колонну, подогреватель и сепаратор. В ректификационной колонне плав избавляют от избыточного аммиака, после чего нагревается для разложения карбамата. Образовавшуюся парожидкостную смесь разделяют с помощью сепаратора.

При выпаривании растворов карбамида 3% продукта теряется. При нагревании карбамид может гидролизоваться в карбамат. Сам карбамид, как и нитрат аммония при хранении способен слёживаться, что приводит к необходимости дополнительных добавок в минеральное удобрение.

Выделенный оксид углерода содержит примеси азота, водорода, угарного газа и т.д. Инертные газы снижают степень превращения сырья в карбамид. Наличие горючих газов может приводить к образованию. Взрывоопасных смесей с кислородом, который добавляют для пассивации сталей. [1]

5. Экологические проблемы

И хоть сам азот довольно инертен, его соединения зачастую бывают очень токсичными и могут нанести большой ущерб экологии, из чего следует необходимость в контроле за выбросами производств соединений азота в окружающую среду. В настоящее широко используются методы очистки выхлопных газов от оксидов азота на основе каталитических реакций. Большой удар по экологии наносят и минеральные удобрения на основе азота. При внесении удобрения в почву, растение впитывает лишь его малую часть, остальное смывается в реки, озёра. Есть необходимость производства такого удобрения, которое не растворялось бы всё сразу, но растворялось постепенно.

аммиак кислота карбамид экология

Заключение

Таким образом, я рассмотрел ряд процессов азотной промышленности, в которых выделил основные проблемы, мешающие получать продукт более высокого качества. В настоящее время данные проблемы не решаемы за неимением достаточных знаний, новых технологий как в азотной промышленности, так и во всей химической промышленности в целом.

Список использованных источников

1. Химическая технология неорганических веществ: Книга 1. Под редакцией Т.Г. Ахметова. - 3-е издание. Издательство «Лань»,2017 год.

2. Производство азотной кислоты: Учебное пособие. - 2-е издание, исправленное. - СПб.: Издательство «Лань», 2013. -256 страниц.

3. Методы очистки природного газа от сероводорода твёрдыми сорбентами. Лазарев В.И. 1999 год.

Размещено на Allbest.ru