Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Современная энергосберегающая технология синтеза аммиака из азотоводородной смеси, осуществленная по циклической схеме

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ БИОТЕХНОЛОГИИ И ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ

Допустить к защите

«____» ___________ 2012 г.

Руководитель Горькова И. В.

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Современная энергосберегающая технология синтеза аммиака из азотоводородной смеси, осуществленная по циклической схеме»

Автор работы __ Волобуева Т. В. 080105 Био-481____________

Специальность _________240901 – Биотехнология_____________________

Руководитель работы _______к. с-х. н., доцент И. В. Горькова___________

Работа защищена с оценкой _____________

Члены комиссии ________________

________________

Регистрация

«____» ___________ 2012 г.

Лаборант _____________

ОРЕЛ – 2012 г

Содержание

Введение

1.Литературный обзор

1.1 Тенденции развития химической промышленности

1.1.1 Сырьевая база химической промышленности

1.2 Традиционные схемы получения NH3

1.2.1 Физические свойства аммиака

1.2.2 Получение аммиака

1.3 Особенности конструкции компрессоров

1.3.1 Центробежные компрессорные установки

1.4 Хранение аммиака

1.5 Транспортировка аммиака

1.6 Техника безопасности при работе с аммиаком

1.7 Применение аммиака

2. Основная часть

2.1 Предприятия по выпуску аммиака в России

2.2Патентный поиск

2.3 Современная техническая схема

2.4 Экономическая эффективность

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Во всех индустриально развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной из основных ведущих отраслей. Производству азотных удобрений и их основы, аммиака, в нашей стране уделялось первостепенное внимание.

Аммиак - ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве; на нем полностью базируется азотно - туковая отрасль.

Показатель потребления природного газа является одним из важнейших факторов, определяющих рентабельность производства аммиака. На выработку 1 тонны аммиака российские агрегаты потребляют 1115-1380м3 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.

Аммиак, , - простейшее соединение азота с водородом. Бесцветный газ с очень резким характерным запахом (нашатырный спирт), легко растворяется в воде.

Уже в глубокой древности был известен хлористый аммоний (нашатырь – бессмертный огонь, персидское название). Получали в Ливии и Египте, сжигая в печах верблюжий навоз. Газ оседал в пористых полостях дымоходов, там его собирали и продавали в емкостях для лечебных и промышленных целей под названием «амоньянсос» - (греч. песчаная соль), затем его называли «аммониак», а в русской транскрипции – «аммиак».

В природе чистого аммиака не существует. Аммиак образуется в организме человека как продукт белкового обмена и обезвреживается превращением его в мочевину и выводится из организма. Аммиак играет важнейшую роль в жизни растений, потому и применяется как удобрение.

Вообще соединение азота играют неисключительную роль в деятельности человека (производство некоторых пластмасс, красителей, химических волокон, взрывчатых веществ и пороха, медикаментов и др.). Вследствие большой инертности азота долгое время не удавалось найти способы фиксации его в соединениях. Лишь в начале ХХ века были найдены три метода: электродуговой (соединение азота и кислорода при высокой температуре), цианамидный (реакция карбида кальция с азотом при 1000°С с образованием цианамида) и аммиачный метод – фиксация азота в соединении с водородом – получивший широкое промышленное применение в производстве минеральных удобрений.

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест в химической промышленности. Аммиак выпускается в жидком виде или в виде водного раствора − аммиачной воды, которая обычно содержит 25% NH3.

Основным направлением использования аммиака является производство минеральных удобрений – преимущественно азотных (карбамида, нитрата и сульфата аммония) и фосфатных (аммофоса, диаммофоса). Аммиачную воду также применяют в качестве удобрения.

Целью данной работы является подробное рассмотрение современной энергосберегающей технологии синтеза аммиака из азотоводородной смеси: основные химические реакции, установки , схемы, используемое сырье и катализаторы. А также изучение нововведений и модернизации синтеза аммиака.

Задачи исследования: поиск новых катализаторов, усовершенствование процесса и оборудования и экономическая эффективность.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Тенденции развития химической промышленности

Химическая промышленность - вторая после электронной ведущая отрасль индустрии, которая наиболее быстро обеспечивает внедрение достижений научно-технического прогресса во все сферы хозяйства и способствует ускорению развития производительных сил в каждой стране. Особенность современной химической промышленности – ориентация главных наукоемких производств (фармацевтического, полимерных материалов, реагентов и особо чистых веществ), а также продукции парфюмерно-косметической, бытовой химии и т.д. на обеспечение повседневных нужд человека и его здоровья.

Развитие химической промышленности обусловило процесс химизации народного хозяйства. Он предполагает повсеместное широкое использование продукции отрасли, всемерное внедрение химических процессов в разные отрасли хозяйства. Такие отрасли промышленности, как нефтепереработка, тепловая энергетика (кроме АЭС), целлюлозно-бумажная, черная и цветная металлургия, получение строительных материалов (цемент, кирпич и т.д.), а также многие производства пищевой промышленности основаны на использовании химических процессов изменения структур исходного вещества. При этом они зачастую нуждаются в продукции самой химической промышленности, т.е. тем самым стимулируют ее ускоренное развитие.

Особенность химической промышленности – очень широкая, разнообразная по составу сырьевая база. Она включает горно-химическую промышленность (добычу серы, фосфоритов, калийных солей, поваренной соли и т.д.). Ее обычно в большинстве стран мира (кроме России) относят к добывающей. Важнейшими поставщиками сырья являются также отрасли, которые не входят в состав самой химической промышленности (нефтехимическая, коксохимическая, газохимическая, лесохимическая, сланцехимическая). Они поставляют не только сырье (чаще всего углеводородное, серу и т.д.), но и полу-продукты (серную кислоту, спирты и т.д.). Важнейший результат НТП во второй половине XX в. - повсеместный и широкий переход химической промышленности на использование продуктов переработки нефти, попутного и природного газа: из них получают подавляющую часть продукции отрасли.

Специфические особенности химической промышленности, влияющие на ее размещение, следующие:

1) очень высокая энергоемкость (в первую очередь теплоемкость) в отраслях, связанных со структурной перестройкой вещества (получение полимерных материалов, продукция органического синтеза, электрохимические процессы и др.);

2) высокая водоемкость производств (охлаждение агрегатов, технологические процессы);

3) невысокая трудоемкость большинства производств отрасли;

4) очень высокая капиталоемкость;

5) большие объемы используемого сырья и многих видов готовой продукции;

6) экологические проблемы, обусловленные производством и потреблением ряда химических продуктов.

Химическая промышленность — одна из наиболее быстро развивающихся отраслей в мире и крупнейший потребитель энергии. По темпам роста химическая промышленность опережает многие другие отрасли. Только за 5 лет производство основных веществ минеральных удобрений увеличилось на 40—50%; также интенсивно развиваются мощности для производства пластмасс, химических волокон, красителей, продуктов органического синтеза и др. Многие из тих производств относятся к категории энергоемких, поэтому опросы экономии топливно-энергетических ресурсов в химической и других отраслях промышленности имеют большое значение для топливно-энергетического баланса многих стран мира. Многообразие химических производств и их различная энергоемкость затрудняют разработку и внедрение единых для всех технологических процессов приемов, обеспечивающих экономию топливно-энергетических ресурсов. Вместе с тем анализ опыта работы в различных отраслях показывает, что существуют определенные мероприятия, направленные на экономию топлива и энергии и повышение эффективности их использования. К ним относятся: внедрение новых энергосберегающих технологических процессов и схем, установок и машин, обеспечивающих высокий технический и экономический уровень производства при минимальных затратах энергетических ресурсов, более полное использование вторичных топливно-энергетических ресурсов, снижение потерь топлива и энергии при транспортировании и потреблении.

Сырьевая база химической промышленности

Химическая промышленность перерабатывает огромные массы сырья, расходует большие количества воды, топлива и энергии. Во многих химических производствах расходные коэффициенты сырья достигают 3–4 т на 1 т продукта, а в некоторых случаях превосходят 5–6 т. С каждым годом возрастают потребности практически всех отраслей народного хозяйства в продукции химической промышленности, что обусловливает необходимость ускоренного развития минерально-сырьевой и топливно-энергетической базы, расширения ассортимента, удешевления и повышения качества исходного сырья. Эффективное использование сырья и энергии в технологических процессах – одна из важнейших проблем химической промышленности. К числу основных способов ресурсосбережения относятся: наилучшее использование движущей силы химикотехнологических процессов, рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, наилучшее структурно-функциональное использование аппаратов и машин, способ замкнутого водоснабжения, обеспечение и повышение надежности химических производств, рациональная компоновка оборудования химических производств.

В России имеется мощная минерально-сырьевая база, позволяющая практически полностью удовлетворять потребности производства в минеральном сырье.

Россия занимает первое или одно из первых мест в мире по разведанным запасам большинства полезных ископаемых, например: фосфатов, калийных солей, сульфата натрия, поваренной соли, асбеста, природного газа, угля, железных и марганцевых руд, ряда цветных металлов. Запасы горючих ископаемых составляют: уголь – 54, сланцы – 44, торф – 61 % мировых запасов. На долю России приходится более одной трети площади осадочных отложений – базы для нахождения нефти и около одной четверти (791,6 млн. га) площади лесов земного шара. Общий запас древесины в нашей стране составляет 86 млрд. м³.

С точки зрения использования сырья характерными особенностями химического производства являются: 1) многовариантность сырьевой базы, включающей сырьевые ресурсы, добываемые из недр (фосфатное сырье, калийные соли, сера, природный газ, нефть, уголь), сельскохозяйственную продукцию, воздух и воду, а также продукты переработки природного сырья в химических производствах (фтор-содержащие газы, сульфаты, фосфогипс и др.) и в смежных отраслях (например, отходящие газы цветной металлургии, нефтепереработки, коксохимии); 2) широкие возможности комплексного использования одних и тех же видов сырья для получения различных химических продуктов; 3) многообразие методов химической переработки, позволяющих получать из одного и того же сырья широкую гамму химических продуктов. Например, из бензола могут быть получены каучук, полистирол, капролактам, ядохимикаты и другие продукты. В то же время многообразие методов позволяет получить один и тот же продукт из различного сырья. Так, для производства ацетилена могут быть использованы природный газ, газы нефтепереработки, попутные газы нефтедобычи, карбид кальция; для производства капролактама – бензол, фенол, анилин или толуол.

Большинство химических продуктов может быть получено несколькими путями. Известны, например, контактный и башенный способы производства серной кислоты: этиловый спирт можно получить методами парофазной и сернокислотной гидратации и т.п.

Химическая промышленность использует в качестве сырья продукты горнорудной, нефтяной, газовой, лесной и целлюлозно–бумажной промышленности, черной и цветной металлургии. Так, черная металлургия

поставляет ароматические углеводороды, нафталин, антрацен, фенолы, крезолы, тиоцианат натрия, диоксид серы. Особенно большие количества диоксида серы выделяют из отходящих газов цветной металлургии, образующихся в процессе обжига медных, цинковых, свинцовых руд и концентратов. Использование отходящих газов имеет большое практическое значение, так как позволяет, например, на каждую тонну меди получить свыше 10 т серной кислоты без специальных затрат на обжиг серосодержащего сырья.

Химическая промышленность потребляет также некоторое количество сельскохозяйственного сырья, однако объем его потребления постоянно снижается. Развитие сырьевой базы химической промышленности происходит в направлении более полного, по возможности комплексного использования сырья, вовлечения в переработку сырья с низким процентным содержанием основного вещества, утилизации отходов внутри самой химической промышленности и других отраслей, а также вовлечения в химическую переработку все большей массы разнообразного природного сырья, каким являются нефть, газы, уголь, сланцы, древеснорастительное сырье, а также сырьевые ресурсы Мирового океана. Переход в перспективе химической промышленности на угольную базу вместо использования природного углеводородного сырья позволит более чем в 10 раз расширить ее сырьевую и энергетическую базы.

Варьирование сырьевых ресурсов позволяет выбирать надежную сырьевую базу для развития химической промышленности в зависимости от наличия месторождений полезных ископаемых и технико-экономических показателей их использования.

Традиционные схемы получения NH₃

1.2.1 Физические свойства аммиака

Аммиак при обычных условиях – это газ. Температура кипения 33,35°С, плавления 77,7°С. Удельный вес при нормальных условиях 0,771г/л или 0,771, т.е. существенно легче воздуха. Параметры критического состояния: ; , .

Твердый аммиак – кристаллы правильной формы.

Газообразный аммиак хорошо адсорбируется активированным углем.

С водой образуются непрочные соединения (аммиачная вода).

Сгорает в среде кислорода и воздуха с образованием азота и воды. Сухая смесь аммиака с воздухом способна взрываться, границы взрыва 16-20% аммиака при 18°С. С ростом температуры границы расширяются. Температура самовоспламенения 649°С.

Жидкий аммиак – хороший растворитель.

1.2.2 Получение аммиака

Как уже говорилось выше, в организме человека и животных аммиак образуется при нормальных условиях (P=1 атм, t=36,6°С).

А вот промышленное получение аммиака далеко не такое простое. Аммиак получают методом термохимического синтеза (соединение азота и водорода), протекающего при очень высоких параметрах , .

Процесс синтеза аммиака, с одной стороны, является примером наиболее совершенной химической технологии, а с другой стороны – наиболее сложный технически и аппаратурно.

Синтез аммиака предложен еще в начале прошлого века Габером. Суть его – в связывании азота и водорода реакцией, протекающей по схеме

Реакция обратима, протекает с уменьшением объема и выделением теплоты. Из этого следует, что более полно реакция проходит при высоких давлениях и низких температурах. При этом равновесный выход продукта () невелик, поэтому процесс осуществляют по циклической схеме, которая предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат реагирующих масс () (рис. 1 а).

Рисунок 1 – Принципиальная схема циклической установки (а) и параметров синтеза аммиака (б)

На рис.1 б видно, что чем выше давление и ниже температура, тем больший выход продукта – аммиака.

Первый завод по производству синтетического аммиака построен в 1913 году.

Добиться 100% синтеза практически невозможно, т.к. нужны сверхмощные компрессоры, газоохладители и др. оборудование. В промышленных целях сегодня реакцию ведут при 400-500°С, давлениях 200-320 атм. При этом выход продукта составляет 20-40%. Уже много лет ведутся поиски путей – как снизить давление синтеза, т.к. очень сложное и дорогое оборудование, и прежде всего компрессорное оборудование.

Синтез аммиака идет только в присутствии катализатора. Катализатор должен быть активным в течении длительного периода времени, при температурах до 500°С, не быть чувствительным ко всяким примесям в азотоводородной смеси, иметь достаточную механическую прочность. Этим условиям удовлетворяет железный катализатор – магнетит с добавками.

Часть азотоводородной смеси (60-80%), которая не прореагировала, т.е. не вступила в реакцию синтеза с получением аммиака, возвращается опять на вход в реактор, т.е. процесс носит циркуляционный характер.

На процесс образования аммиака существенное влияние оказывает время нахождения смеси газов в зоне контактирования в реакторе, чем медленнее процесс, тем больше выход аммиака.

Процесс получения аммиака состоит из 3 составляющих процессов: получение азота, получение водорода и собственно синтез аммиака.

Промышленная установка синтеза аммиака представлена на принципиальной схеме (рис.2).

Рисунок 2 – Технологическая схема синтеза аммиака:

1 – колонна синтеза; 2 – водяной конденсатор;

3 – сепаратор; 4 – циркуляционный компрессор;

5 – фильтр; 6 – конденсационная колона; 7 – испаритель;

8 – компрессор; 9 – сборник жидкого аммиака;

10 – компрессор свежего газа

В зависимости от принятого давления различают установки низкого (100 атм), среднего (200-550 атм) и высокого давления (600-1000 атм). На Украине ряд ПО «Азот» производят аммиак со средним давлением синтеза 320 атм.

Конечный продукт – аммиак – выделяют из его смеси с не прореагировавшим газом путем охлаждения до жидкого состояния в конденсационной колоне. Для этого устроен холодильный цикл, работающий на хладагенте – том же жидком аммиаке, не смешивающемся с продуктом.

Температура, до которой необходимо охладить газ для сжижения аммиака, зависит от давления в колоне:

- при 1000 атм – плюс 40°С;

- при 320 атм – минус 15°С;

- при 100 атм – минус 60°С.

Выбор рабочего давления – компромисс между производительностью по аммиаку и стоимостью оборудования и расхода энергии на сжатие газа (по компрессорному цеху).

1.3 Особенности конструкции компрессоров

1.3.1 Центробежные компрессорные установки

Для современных высокопроизводительных линий производства аммиака используются центробежные компрессорные установки.

На Украине производства аммиака функционируют на предприятиях «Азот» городов: Северодонецк, Черкассы, Днепродзержинск, «Стирол» г. Горловка и на Одесском припортовом заводе. Компрессорные установки поставки фирм Японии («Хитачи», «Мицубиси»), Франции («Крезолуар»), Казанского компрессорного завода. Эти установки однотипны как по параметрам технологического процесса, так и конструктивно. Последнее объясняется тем, что конструкции компрессоров базируются на лицензии фирмы «Дрессер» (США), купленной фирмами в 60-е годы ХХ в.

Компрессорные установки для производства синтеза аммиака – высокопроизводительные, высоконагруженные, многокорпусные, многоступенчатые (секционные) с циркуляционной ступенью. Это наиболее сложные турбокомпрессорные установки из известных в мировой практике. Технологическая схема установки приведена на рис.3.

а) Воздушный компрессор .

б) Компрессор природного газа . .

в) Компрессор азотоводородной смеси . .

Рисунок 3 – Схемы компрессорных установок производства аммиака (цифрами обозначены давление и температура потоков газов)

Эти установки объединены в единый технологический комплекс. Первые две установки работают параллельно на получение азота и водорода, третья, подключена к ним последовательно, компримирует азотоводородную смесь для получения аммиака.

Наиболее сложный и нагруженный компрессор синтез-газа (азотоводородной смеси) заслуживает более детального рассмотрения. Схема компрессора представлена на рис.4. Компрессор 3 корпусной, 4 секционный, 27 ступенчатый, одновальный, с паротурбинным приводом.

Основными проблемами при создании и эксплуатации таких установок являются – уплотнения концов валов, осевые силы и динамика ротора.

Герметизация валов производится посредством маслозапорных уплотнений с плавающими кольцами.

Рисунок 4 – Схема (а) и общий вид (б) компрессорной установки азотоводородной смеси 433 ГЦ2 (ККЗ, Россия)

Схема уплотнений для каждого корпуса симметрична, т.е. узлы уплотнений со стороны всасывания и нагнетания работают при одинаковом уплотняемом давлении, что достигается соединением соответствующих камер перед уплотнением по газу с помощью перепускных каналов. Разница давлений на нагнетательной стороне срабатывается на лабиринтном уплотнении.

Конструкция уплотнения ясна из рис.5. Внутренние (маслогазовое) и наружное (масляное) кольца установлены в гнезде с возможностью радиального перемещения. Необходимое прижатие буртов колец к торцовым стенкам корпуса осуществляется с помощью упругих элементов (пружин или резиновых колец), установленных между кольцами. Гидродинамическая сила в слое смазки между кольцом и вращающимся валом отжимает кольца от поверхности вала, предотвращая касание.

Запирание газа происходит на внутреннем кольце, где некоторое небольшое превышение давления масла над газом предотвращает прорыв газа из компрессора вовне. Некоторое количество протекающего через зазор в кольце масла сливается в маслоотводчик, а из последнего через дегазатор, бак-отстойник, охладители и фильтры с помощью насосов направляются опять в систему. Схема системы уплотнений показана на рис.5.

Рисунок 5 – Схема концевого уплотнения и система уплотнения:

1 – корпус уплотнения; 2 – наружное уплотнительное кольцо; 3 – «маслогазовое» кольцо; 4, 5 – маслонасосы низкого и высокого давления; 6 – редукционный клапан; 7 – напорная емкость;
8 – маслоотводник; 9 – дюза; 10 – дегазатор; 11 – маслобак;
12 – маслоохладитель; 13 – фильтр

Из-за высокого перепада давлений между нагнетанием и всасыванием могут возникать очень большие осевые силы, действующие на ротор, и не всегда можно применить разгрузочный поршень.

Проблема разгрузки осевых сил решается следующими путями (рис.6):

- устройством уравнительных линий, соединяющих одноименные полости концевых уплотнений цилиндров (корпусов);

- расположением рабочих колес по схеме «спина к спине»;

- принятием одинаковых диаметров лабиринтных уплотнений вала одноименных элементов.

Рисунок 6 – Роторная система турбокомпрессора высокого давления

Динамика ротора обуславливается воздействием следующих факторов:

– газа высокой плотности в проточной части, могут возникать автоколебания – вибрация – авария;

– влиянием динамического поведения плавающих колец уплотнений – радиальными и угловыми колебаниями, потери подвижности колец и др.

– механическими характеристиками роторной системы (вал + подшипники + соединительные муфты).

Установка в корпусе высокого давления циркуляционной ступени еще более усложняет конструкцию компрессора.

В некоторых производствах вместо циркуляционной ступени применяются отдельные циркуляционные центробежные компрессоры типа ЦЦК (рис.7). Поскольку они работают при давлении 290/320 атм, то с целью избегания проблем с уплотнением концов вала компрессора весь компрессор в сборе с электродвигателем устанавливается внутри капсулы прочного корпуса.

Рисунок 7 – Циркуляционный компрессор ЦЦК:

1 – корпус; 2 – многоступенчатый компрессор;

3 – электродвигатель; 4 – токоввод