Производство аммиака и карбамида. С производством синтетического аммиака связана одна из важнейших проблем - фиксация атмосферного азота.
Аммиак - исходное сырье для получения азотной кислоты, аммиачной селитры и других продуктов. В 1955 г. во всем мире было произведено аммиака около 8 млн. т, в 1965г 20 млн. т, в 1970 г 66 млн. т, в 1980 г. более 100 млн. т, а в 1985 г. более 120 млн. т. Совершенствование производства синтетического аммиака идет по пути создания агрегатов большой единичной мощности.
Критерием совершенства технологии фиксации N2 могут служить удельные энергетические затраты на производство 1 т NH3. В современных агрегатах, работающих по энерготехнологической схеме, удельный расход энергии составляет в среднем 33,5 ГДж/т. В издержках производства аммиака энергетические затраты составляют 68%. Расход энергии на аммиачном агрегате мощностью 1360 т/сут равен 36,4 ГДж/т аммиака, в том числе 17,6 ГДж/т в качестве сырья и 18,8 ГДж/т в качестве топлива, из них 6,3 ГДж/т теряется в атмосферу. Стоимость аммиака зависит от метода получения H2. Из известных способов производства Н2 предпочтительнее парокислородная конверсия природного газа и конверсия природного газа водяным паром под давлением 3 МПа. Получение водорода из природного газа включает в себя следующие операции: компримирование и сероочистку природного газа в две ступени (гидрирование сероорганических соединений до сероводорода на кобальто- молибденовом катализаторе при 340 400°С и поглощение образовавшегося сероводорода оксидом цинка); паровая конверсия природного газа (первичный риформинг в радиантной камере трубчатой печи на никелевом катализаторе при давлении 3,23 МПа и температуре до 80 °С); паровоздушная конверсия (вторичный риформинг) остаточного метана кислородом воздуха и паром при одновременном обеспечении необходимого соотношения Н2:N2 в синтез-газе в шахтном конвертере на высокотемпературном алюмохромовом и высокоактивном Ni-катализаторах при температуре 1000 1250 °С и давлении до 3,2 МПа; конверсия оксида углерода в две ступени (в реакторе высокотемпературной конверсии на Fe-Cr катализаторе при температуре до 430 °С и в реакторе низкотемпературной конверсии на Zn-Cu катализаторе до 250°С); очистка конвертированного газа от CO2 горячим раствором поташа при давлении 1,9 2,73 МПа и регенерация насыщенного раствора бикарбоната калия при нагревании либо очистка с помощью моноэтаноламина; тонкая очистка газа от CO и CO2 (метанирование) на Ni-катализаторе при температуре до 375 °С и давлении 1,9 2,7 МПа; компримирование синтез-газа, синтез аммиака при температуре 420 450 °С и давлении 3,20 МПа, конденсация и сепарация жидкого аммиака.
Cнижение удельного потребления энергоресурсов достигается путем модернизации крупнотоннажных агрегатов в узлах предварительного подогрева воздуха, идущего на сжигание в печь конверсии, внедрения улучшенной системы удаления СО2, оптимизации давления в процессе синтеза, регенерации водорода из продувочных газов, совершенствования конструкции конвертера синтеза аммиака, использования новых, более эффективных катализаторов и проведения ряда других мероприятий.
Снижение потребления энергии - на 10%. Предложено для удаления СО2 из синтез-газа применять вместо хемосорбции СО2 физическую абсорбцию.
В качестве абсорбента используется полипропиленкарбонат вместо карбоната калия и моноэтаноламина.
Растворитель регенерируют снижением давления и последующей продувкой воздухом.
При этом резко снижаются затраты энергии на регенерацию растворителя, которые необходимы в случае применения моноэтаноламина.
Расход пара в процессе физической абсорбции в 40 раз выше, но расход электроэнергии в 10 раз меньше. Общая экономия энергии в процессе физической абсорбции - 5-10%. Экономии энергии способствует регенерация водорода из продувочных газов.
Одна из фирм США предложила регенерировать водород из продувочных газов на криогенной установке. Регенерируемый водород направляется в компрессор синтез-газа, а остаточный газ используют в качестве топлива в печах первичной конверсии. В результате степень использования водорода повышается с 92 95% до 99,5%. Общая экономия составляет около 2,9 ГДж/т аммиака. Ключевой элемент в технологии синтетического аммиака его синтез из элементов, поэтому усилия направлены повышение эффективности катализатора, снижение температуры процесса и создание новых, более компактных конструкций реактора.
Например, степень конверсии может быть повышена с 16 до 22 25%, а суммарный расход энергии снижен до 26,8 ГДж/т.аммиака. Дальнейшее снижение энергозатрат при производстве NH3 будет зависеть от выбора процесса сепарации NH3. Если бы в производстве NH3 удалось осуществить процесс сепарации при небольшом охлаждении, то энергию, идущую на вторичный подогрев, можно было бы сэкономить и направить на другие нужды.
Экономии энергии можно добиться и снижением содержания азота в воздухе на стадии вторичной конверсии, в результате чего необходимая температура может быть достигнута сжиганием меньшего количества топлива. [1] 1.2