Сырье для производства синтетического аммиака. Способы получения водорода и азота

Вопрос 1

Согласно уравнению N₂+ 3Н₂ = 2NН₃ аммиак синтезируют из азота и водорода. Источником азота является воздух (состав воздуха при 0,1 МПа: 20,95 % об. кислорода; 0,94 % об. аргона; 78,3 % об. азота)

По первому варианту, азот получают разделением воздуха, которое основано на различных температурах кипения его компонентов. Воздух снижают путем сжатия и охлаждения, а затем разделяют последующим испарением компонентов в ректификационных колоннах.

По второму, широко используемому варианту, воздух добавляют к водородосодержащему газу, например к природному, затем химическими методами удаляют все компоненты кроме азота, водорода и в результате получают чистую двухкомпонентную смесь с отношением водорода к азоту 3:1.

Водород, тоже может быть выделен по методу фракционной конденсации подходящего водородсодержащего газа, поскольку имеет среди других компонентов самую низкую температуру кипения = -252,6. Наиболее подходящим является коксовый газ, содержащий 58-60% водорода.

Однако повсеместно распространен способ получения водорода, основанный на переработке предельных и непредельных углеводородов и СО с помощью водяного пара по реакциям типа:

СН₄ +Н₂О = СО + 3Н_2, DН = 206 кДж

СО + Н₂О = СО₂ + Н_2, DН = -41 кДж

Эти процессы, называемые конверсией метана (природного газа) и конверсией СО проводятся при повышенных температурах в присутствии катализаторов.

Для реализации такого конверсионного способа получения водорода пригодно различное углеродсодержащее сырье:

- твердое – кокс, каменные и бурые угли, сланец, торф

- жидкое – нефть и ее производные, бензины, мазуты, гудроны

- газообразное – природный газ, попутный газ нефтедобычи, газы переработки нефти.

Применение того или иного вида сырья обусловливается его стоимостью и наличием в данном районе. Например, при дефиците природного газа и наличии твердого сырья, водород целесообразно получать через следующие генераторные СО-содержащие газы.

1) Воздушный газ, получают благодаря подаче воздуха в раскаленный слой топлива

С + О₂ = СО_2, DН = - 409 кДж (1)

СО₂ +С = 2СО_, DН = 161 кДж (2)

СО + Н₂О = СО₂ + Н_2, DН = -41 кДж (3)

Затем СО₂ удаляют, а водород оставляют. Для максимального выхода СО 33,5% об, температуру процесса целесообразно поддерживать 1100-1200 °С.

2) Водяной газ образуется при взаимодействии раскаленного топлива с водяным паром

С + Н₂О = СО + Н_2, DН = 118 кДж (4)

Процесс получения водяного пара является периодическим и состоит из двух фаз. Первая фаза – фаза газования – подача водяного пара в раскаленный слой топлива (4). Вторая фаза – фаза горячего литья – подача воздуха (1). Наибольший выход СО 38% об и водорода 50% об достигается при 900-950 °С. Недостаток процесса - периодичность работы генератора и необходимость применения дорогостоящего кокса или антрацита.

Несмотря на многообразие сырья, в настоящее время конверсия природного газа, т.е. метана и его гомологов, является основным промышленным методом получения водорода и технологических газов для синтеза аммиака и др.продуктов.