Курсовая работа по химической технологии «Производство аммиака»

Катализатор синтеза аммиака должен быть активным при определенных условиях в течение длительного времени и стойким к ядам.
Каталитическими свойствами по отношению к реакции синтеза аммиака обладают многие металлы. Наибольшее промышленное применение получили железные катализаторы, являющиеся по сравнению с другими особенно активными и дешевыми в изготовлении.
Железо приобретает каталитическую активность лишь в том случае, если оно приготовлено восстановлением окислов железа при определенных условиях.
Не вся масса катализатора обладает активными свойствами, а лишь отдельные его участки, называемые активными центрами. Чем меньше частицы катализатора, тем более развита его поверхность, тем активнее катализатор.
К железному катализатору добавляют окись алюминия Аl₂О₃ и окись калия К₂О, которые являются активаторами катализаторов. Активаторы не ускоряют реакцию синтеза аммиака, а улучшают физическую структуру катализатора, повышают его устойчивость, увеличивают число активных центров. Окись алюминия обволакивает кристаллы железа тонкой пленкой, которая мешает взаимодействию атомов железа и росту кристаллов. Однако окись алюминия обладает свойством адсорбировать, т. е. удерживать на своей поверхности образовавшийся аммиак, что является крайне нежелательным. Для подавления адсорбционной активности окиси алюминия в катализатор вводят второй активатор К₂О.
В дважды промотированных (содержащих два активатора) катализаторах отношение количеств Аl₂О₃ ^и К₂О должно быть близким к 2 : 1 .
Сырьем для получения катализаторов являются железо и магнитная железная руда. Процесс приготовления катализатора состоит из двух стадий: получения окислов железа и восстановления их водородом до металлического железа.
Технический процесс получения катализатора синтеза аммиака из железной руды осуществляется следующим образом: концентрат подвергают трехкратной сепарации, восстановлению в печи с помощью водорода и электроплавке в индукционных печах, затем плав окисляют, охлаждают и дробят. Готовый катализатор сортируют.
С июня 1967 г. введен первый ГОСТ на катализатор синтеза аммиака СА-1 (ГОСТ 12411-66). В соответствии с указанным ГОСТ лимитируется содержание промотирующих и примесных компонентов. Содержание окиси алюминия в катализаторе должно быть в пределах 3 - 4%. При содержании в катализаторе 2% Аl₂О₃ резко уменьшается его устойчивость, а при содержании 6% Аl₂O₃, значительно снижается активность катализатора. Оптимальное содержание К₂0 0,7-1%.
В катализаторе допускается наличие SiO₂ - до 0,7% (примесь сырья) и МgО - до 0,7% (примесь, попадающая при проведении плавки в магнезитовых тиглях). Содержание вредных примесей (Си, Ni, S) должно быть минимальным.
С целью повышения механической прочности катализатора ГОСТ предусматривает уменьшение степени окисления катализаторного плава (FеО -29-36%) и выпуск гранулированного катализатора с размером зерен (гранул) -не менее 3 мм.
Вторая стадия приготовления катализатора - восстановление окислов железа до элементарного железа водородом - в большинстве случаев проводится в колоннах синтеза аммиака.
Процесс восстановления катализатора протекает по уравнениям:


FеО + Н₂ = Fе + Н₂О;


Fе₂О₃ + ЗН_{2 =}2Fе + ЗН₂О
Fе₃0_{4 + 4H2 =}ЗРе + 4Н₂0.


Водяные пары конденсируются в конденсаторах и отделяются от газовой смеси в сепараторах и в конденсационной колонне. Реакции восстановления окислов железа эндотермичны и протекают лишь при нагревании, которое осуществляется с помощью электроподогревателя.
Восстановление окислов железа проводят при постепенном повышении температуры и давления. Объемная скорость водорода при восстановлении катализатора должна быть не ниже 10 000 м³ на 1 м³ катализатора в час. Режим восстановления катализатора контролируется по часовому количеству воды, выделяющейся в сепараторах. Процесс восстановления катализатора в колонне синтеза аммиака протекает в течение 5-6 суток.
О готовности катализатора судят по количеству выделившейся реакционной воды и по содержанию аммиака в ней. Общее количество выделившейся аммиачной воды при полном восстановлении 1 м³ катализатора должно составлять 0,6-0,8 м³. Содержание аммиака в воде 80- 90% вес.
В последнее время разработана методика восстановления катализатора синтеза аммиака непосредственно в цехах приготовления катализаторов. Процесс восстановления осуществляется под давлением 10-15 ат при объемной скорости водорода 2000-3000 м³ на 1 м³ катализатора в час. Восстановление катализатора длится в течение 4 суток с повышением температуры от 380 до 500° С (через каждые 12 ч -на 25°). После восстановления катализатор азотируют и пассивируют при температуре 200° С, а затем производят его поверхностное окисление при содержании в газе 0,2% кислорода.
В процессе работы катализатор может отравляться катализаторными ядами, в результате чего его активность снижается или полностью исчезает.
Отравление катализатора, как известно, бывает временным и постоянным. Такие вещества, как кислород, окись углерода, углекислый газ и пары воды вызывают временное отравление катализатора. Последний под действием этих веществ теряет свою активность и вновь восстанавливает ее при пропускании чистой азотоводородной смеси, не содержащей указанных веществ. Постоянное отравление катализатора является необратимым. Оно наступает при действии мышьяка, фосфора и соединений серы. Восстановить активность катализатора при отравлении его этими веществами путем пропускания чистой азотоводородной смеси не удается.
При попадании на катализатор паров воды металлическое железо окисляется и теряет свою активность. Процесс отравления катализатора водяными парами протекает по уравнениям:


Fе + Н₂О = FеО + Н₂;
Fе + ЗН₂О = Fе₂О₃ + ЗН₂.


При пропускании через катализатор азотоводородной смеси, не содержащей паров воды, идет обратный процесс восстановления окислов. Содержащиеся в азотоводородной смеси окислы углерода реагируют с водородом по уравнениям


СО +ЗН₂=СН_{4 +} Н₂О
CO₂+4H₂=СН₄+ 2Н₂0.


Образующиеся водяные пары взаимодействуют затем с железом катализатора. Содержание окиси углерода в азотоводородной смеси не должно превышать 0,002%, двуокиси углерода - 0,0001%.
Отрицательное действие на активность катализатора оказывают также масла, уносимые свежей азотоводородной смесью из компрессоров высокого давления и циркуляционным газом - из поршневых циркуляционных насосов. Поэтому газ после сжатия в поршневых машинах должен подвергаться тщательной очистке от капелек масла.
Срок непрерывной работы колонны синтеза зависит от ряда факторов: степени очистки азотоводородной смеси от катализаторных ядов, режима восстановления катализатора и состояния насадки колонны. Замена катализатора производится один раз в два года. Однако в практике нередки случаи, когда срок непрерывной работы колонны превышает три года.