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

Особенность химической промышленности – очень широкая, разнообразная по составу сырьевая база. Она включает горно-химическую промышленность (добычу серы, фосфоритов, калийных со-лей, 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 (полу-чение 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.

1. 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.

2. 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