Производство аммиака - Ammonia production

Аммиак является одним из наиболее часто производимых неорганических химикатов. Есть множество масштабных производство аммиака заводов по всему миру, производящих в общей сложности 144 миллиона тонны азота (эквивалент 175 млн тонн аммиака) в 2016 году.[1] Китай произвел 31,9% мирового производства, за ним следуют Россия с 8,7%, Индия с 7,5% и США с 7,1%. 80% или более производимого аммиака используется для удобрений сельскохозяйственных культур. Аммиак также используется для производства пластмасс, волокон, взрывчатых веществ, азотной кислоты (через Оствальдский процесс ) и полупродукты для красителей и фармацевтических препаратов.

История

Перед началом Первая Мировая Война, большая часть аммиака была получена сухим дистилляция азотистых продуктов растительного и животного происхождения; за счет сокращения азотистая кислота и нитриты с водород; а также разложением солей аммония щелочными гидроксидами или негашеная известь, наиболее часто используемой солью является хлорид (аммиачный ).

Сегодня большая часть аммиака производится в больших масштабах Процесс Габера производительностью до 3300 тонн в сутки. В этом процессе N2 и H2 газы могут реагировать при давлении 200 бар.

Современные заводы по производству аммиака

Блок-схема процесса синтеза аммиака

Типичный современный завод по производству аммиака сначала перерабатывает натуральный газ (т.е. метан ) или LPG (сжиженные углеводородные газы, такие как пропан и бутан ) или нефть нафта в газообразный водород. Способ получения водорода из углеводороды известен как паровой риформинг.[2] Затем водород объединяют с азотом для получения аммиак через процесс Габера-Боша.

Начиная с натуральный газ сырье, для производства водорода используются следующие процессы:

  • Первым шагом в этом процессе является удаление сера соединений из сырья, потому что сера дезактивирует катализаторы используется на последующих этапах. Для удаления серы требуется каталитический гидрирование преобразовать соединения серы в исходном сырье в газообразное сероводород:
ЧАС2 + RSH → RH + H2S (газ)
  • Затем газообразный сероводород адсорбируется и удаляется, пропуская его через слои оксид цинка где он превращается в твердое тело сульфид цинка:
ЧАС2S + ZnO → ZnS + H2О
CH4 + H2О → СО + 3Н2
CO + H2O → CO2 + H2
  • Затем диоксид углерода удаляют путем абсорбции водным этаноламин растворами или адсорбцией в адсорберы с переменным давлением (PSA) с использованием запатентованной твердой адсорбционной среды.
  • Последним шагом в производстве водорода является использование каталитического метанирования для удаления любых небольших остаточных количеств моноксида углерода или диоксида углерода из водорода:
CO + 3H2 → CH4 + H2О
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2О

Для получения желаемого конечного продукта аммиака водород затем каталитически реагирует с азотом (полученным из технологического воздуха) с образованием безводного жидкого аммиака. Этот этап известен как цикл синтеза аммиака (также называемый Haber-Bosch процесс):

3H2 + N2 → 2NH3

Из-за природы катализатора (как правило, с множественным промотированием магнетита), используемого в реакции синтеза аммиака, только очень низкие уровни кислородсодержащих (особенно CO, CO)2 и H2O) соединения допустимы в синтезируемом газе (смесь водорода и азота). Относительно чистый азот можно получить разделение воздуха, но может потребоваться дополнительное удаление кислорода.

Из-за относительно низких степеней конверсии за один проход (обычно менее 20%) требуется большой поток рециркуляции. Это может привести к накоплению инертных газов в петлевом газе.

Паровой риформинг, конверсия сдвига, удаление углекислого газа каждая стадия метанирования работает при абсолютном давлении примерно от 25 до 35 бар, а контур синтеза аммиака работает при абсолютном давлении в диапазоне от 60 до 180 бар в зависимости от того, какая запатентованная конструкция используется. Многие инженерные и строительные компании предлагают собственные разработки для установок синтеза аммиака. Хальдор Топсе из Дании, Thyssenkrupp Industrial Solutions GmbH из Германии, Ammonia Casale из Швейцарии и Келлог Браун и Рут Соединенных Штатов Америки являются одними из самых опытных компаний в этой области.

Устойчивое производство аммиака

Дальнейшая информация: Процесс Габера § Экономические и экологические аспекты

Производство аммиака зависит от обильных запасов энергия, преимущественно натуральный газ. Из-за критической роли аммиака в интенсивное сельское хозяйство и других процессов, желательно устойчивое производство. Это возможно с помощью Возобновляемая энергия производить водород электролиз воды. Это было бы просто в водородная экономика за счет переключения производства водорода с топлива на использование в качестве сырья. Например, в 2002 г. Исландия произвела электролизом 2000 тонн газообразного водорода, используя избыточное производство электроэнергии из гидроэлектростанция заводы, в первую очередь по производству аммиака для удобрений.[3] В Веморк гидроэлектростанция в Норвегии использовала излишки электроэнергии для производить возобновляемую азотную кислоту с 1911 по 1971 год,[4] требуется 15 МВтч / тонну азотной кислоты. Та же реакция осуществляется молнией, являясь естественным источником преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты.[5] На практике природный газ будет оставаться основным источником водорода для производства аммиака до тех пор, пока он будет самый дешевый.

Сточные Воды часто с высоким содержанием аммиака. Поскольку сброс воды, содержащей аммиак, в окружающую среду, даже на очистных сооружениях, может вызвать проблемы, нитрификация часто бывает необходимо удалить аммиак.[6] Это может стать потенциально устойчивым источником аммиака в будущем из-за его большого количества и необходимости все равно вынуть его из воды.[7] В качестве альтернативы аммиак из сточных вод направляется в электролизер аммиака (электролиз аммиака), работающий с возобновляемыми источниками энергии (солнечные фотоэлектрические установки и ветряные турбины) для производства водорода и чистой очищенной воды.[8] Электролиз аммиака может потребовать гораздо меньше термодинамической энергии, чем электролиз воды (всего 0,06 В в щелочной среде).[9]

Другим вариантом извлечения аммиака из сточных вод является использование механизма цикла термической абсорбции аммиак-вода.[10][11] Используя этот вариант, аммиак можно регенерировать либо в виде жидкости, либо в виде гидроксида аммония. Преимущество первого состоит в том, что с ним намного легче обращаться и транспортировать, тогда как последний также имеет коммерческую ценность, когда производят концентрацию гидроксида аммония 30% в растворе.

Побочные продукты

Одним из основных промышленных побочных продуктов производства аммиака является CO2. В 2018 году высокие цены на нефть привели к длительной летней остановке европейских заводов по производству аммиака, что привело к коммерческой эксплуатации. CO2 дефицит, что ограничивает производство газированных напитков, таких как пиво и газированные безалкогольные напитки.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Публикация Геологической службы США
  2. ^ Твигг, Мартин В. (1989). Справочник по катализаторам (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-1-874545-36-1.
  3. ^ «Исландия запускает энергетическую революцию». Новости BBC. 2001-12-24. Архивировано из оригинал 7 апреля 2008 г.. Получено 2008-03-23.
  4. ^ Брэдли, Дэвид (2004-02-06). «Великий потенциал: Великие озера как региональный возобновляемый источник энергии» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 29 октября 2008 г.. Получено 2008-10-04.
  5. ^ Карл Фишер; Уильям Э. Ньютон (2002). Дж. Дж. Ли (ред.). Фиксация азота в тысячелетии. Эльзевир. стр.2 –3. ISBN  978-0-444-50965-9.
  6. ^ http://www.waterworld.com/articles/print/volume-26/issue-3/editorial-features/addressing-the-challenge.html
  7. ^ Хуанг, Цзяньинь; Канканамге, Надика Ратнаяке; Чоу, Кристофер; Валлийский, Дэвид Т .; Ли, Тяньлинь; Тисдейл, Питер Р. (январь 2018 г.). «Удаление аммония из воды и сточных вод с помощью экономичных адсорбентов: обзор». Журнал экологических наук. 63: 174–197. Дои:10.1016 / j.jes.2017.09.009. PMID  29406102.
  8. ^ Мутувел, Мадхиванан; Ботте, Жерардин G (2009). «Тенденции электролиза аммиака». Современные аспекты электрохимии, № 45.. Современные аспекты электрохимии. 45. С. 207–245. Дои:10.1007/978-1-4419-0655-7_4. ISBN  978-1-4419-0654-0.
  9. ^ Гвак, Чжиын; Чоун, Мёнхун; Ли, Джэён (февраль 2016 г.). "Электролиз щелочного аммиака на электроосажденной платине для контролируемого производства водорода". ChemSusChem. 9 (4): 403–408. Дои:10.1002 / cssc.201501046. PMID  26530809.
  10. ^ Lin, P .; Wang, R.Z .; Xia, Z.Z .; Ма, К. (июнь 2011 г.). «Аммиак – водопоглощающий цикл: перспективный способ транспортировки низкопотенциальной тепловой энергии на большие расстояния». Международный журнал низкоуглеродных технологий. 6 (2): 125–133. Дои:10.1093 / ijlct / ctq053.
  11. ^ Шокати, Насер; Ханахмадзаде, Салах (август 2018 г.). «Влияние различных комбинаций аммиачно-водяных циклов Ренкина и абсорбционных холодильных циклов на эксергоэкономические показатели когенерационного цикла». Прикладная теплотехника. 141: 1141–1160. Дои:10.1016 / j.applthermaleng.2018.06.052.
  12. ^ «Именно поэтому у нас заканчивается CO2 для производства пива и мяса». iNews. 2018-06-28.

внешняя ссылка