Файл: Эпштейн Д.А. Химия в промышленности учеб. пособие по факультатив. курсу для учащихся X классов.pdf

ливаются в цикле. Чтобы поддерживать их концентрацию на определенном уровне, приходится часть газовой смеси выпус­ кать из цикла, вследствие чего выход продукта понижается. На заводах степень использования азотоводороднон смеси дости­ гает 96—98%.

Выбор катализатора. Катализатор должен быть активным, долговечным, дешевым. К настоящему времени испытаны десят­ ки тысяч катализаторов, но наиболее удовлетворяющим совре­ менным требованиям считается железо, активированное добав­ ками. Оно отвечает всем трем указанным выше требованиям. Однако исследования продолжаются. Большое внимание привле­ кает проблема получения катализаторов, активных при более низких температурах (почему?).

Выбор оптимальной температуры. Вы знаете, что оптималь­ ным для обратимых экзотермических реакций является режим, при котором температура в ходе реакции постепенно понижает­ ся по мере повышения концентрации продукта реакции. Учи­ тывая термостойкость и активность железного катализатора, можно постепенно понижать температуру с 550 до 450°С при теплообмене с поступающим газом.

§ 6. Оптимальная схема синтеза аммиака и устройство реактора

Азотоводородную смесь стехиометрического состава, сво­ бодную от ядов, с минимальным содержанием инертных веществ сжимают в компрессоре. На современных мощных установках применяют вместо поршневых более экономичные турбокомпрес­ соры. Выходящую из реактора газовую смесь охлаждают после­ довательно в водяном и аммиачном холодильниках. Жидкий ам­ миак отделяют в сепараторах, а непрореагировавшую азотово­

В колонне азотоводородную смесь необходимо нагреть до температуры, при которой начинается каталитическая реакция, и пропустить через слой железного катализатора (размер его ча­ стиц 5—6 мм в поперечнике). В ходе реакции, избыточное тепло отводят и возможно полнее утилизируют теплоту реакции. От­ сюда следует, что в колонне нужно разместить катализатор, теп­ лообменники для подогрева газа и регулирования температуры катализатора и, вероятно, трубы парового котла.

диаметром до 2,1 м, высотой до 24 м (это, разумеется, пример­ ные числа). Сверху и снизу они закрыты толстостенными крыш­ ками. Стенки аппарата подвергаются изнутри высокому дав-

Колонна синтеза

Водяной холодильник

Аммиачный

NH3

Циркуляционный

компрессор

Сепаратор

Азотоводородная

смесь

Рис. 12. Схема синтеза аммиака при давлении 300 ат.

лению, действию реагентов на углерод и другие вещества, вхо­ дящие в состав сталей. Водород диффундирует через сталь при повышенных температурах и давлениях. Проведены большие ис­ следования, целью которых было получение высокопрочных и стойких к коррозии сталей. Сейчас корпуса колонн синтеза ам­ миака изготовляют из хромомолибденовых, хромоникелевых с добавкой титана и других легированных сталей.

укажете одну из причин ограничения температуры: корродирую­ щее действие участвующих в процессе веществ усиливается при повышении температуры. Но имеется и другая причина. Пред­ ставьте себе, что внутренняя стенка корпуса колонны нагреется до нескольких сотен градусов. Возникнет большая разность тем­ ператур внутренних и внешних слоев, металл изнутри расширит­ ся, и может произойти разрыв корпуса колонны и взрыв газовой смеси, что иногда и происходило на заводах в период освоения процесса. На некоторых заводах, предполагая, что нельзя га­ рантировать безопасность эксплуатации таких установок, ко­ лонны синтеза помещали даже в бетонированные ямы. Однако опыт подтвердил, что можно сконструировать колонну так, что она не будет представлять никакой опасности — на современ­ ных заводах корпуса колонн синтеза надежно работают в те­ чение десятков лет.

Возможно, вы предложите футеровать колонну теплоизоля­ ционным материалом. Этот путь малоэффективен. К тому же колонна синтеза аммиака очень дорогой аппарат, и нужно мак­ симально использовать ее внутренний объем, следовательно,

Дополнительный поток

Т Газ

Рис. 13. Колонна синтеза аммиака.

всех установках. Внутри колонны синтеза аммиака так разме­ щают катализаторную коробку и теплообменник, чтобы между их стенками и корпусом колонны оставалось свободное простран­ ство (рис. 13). Азотоводородная смесь, имеющая температуру, близкую к обычной, поступает в колонну сверху и сначала про­ ходит через эту щель. Благодаря непрерывному току газа корпус колонны нагревается внутри только до 60—80 °С, хотя темпера­ тура катализатора доходит до 550 °С.

Подогретая в теплообменнике азотоводородиая смесь нагре­ вается в теплообменных трубках, помещенных в слое катализа­ тора, благодаря чему одновременно поддерживается оптималь­ ный температурный режим. Из колонны газ выходит с темпе­ ратурой около 200 °С. Для более полного использования тепло­ ты реакции в контактной зоне иногда размещают трубы, по ко­ торым движется вода, превращающаяся в водяной пар.

Вы уже знаете, что экономически Целесообразно строить хи­ мические аппараты большой мощности. Первые цехи синтети­ ческого аммиака были оснащены колоннами синтеза аммиака, выпускавшими 5—10 т аммиака в сутки. Успехи современногохимического машиностроения, металлургии и химической техно­ логии позволяют в настоящее время сооружать колонны синте­ за мощностью до 1500 т аммиака в сутки — более полумиллио­ на тонн аммиака в год, благодаря чему достигается очень боль­ шая экономия металла, удешевляется строительство, резко по­ нижаются трудовые затраты.

Управление процессом синтеза. Вы легко можете себе пред­ ставить ответственностьработников, ведущих такой сложный процесс, как синтез аммиака. Во много раз она увеличивается в связи с применением аппаратов и машин большой мощности.

Посредством каких приборов можно непрерывно получать эти данные? По-видимому, для этой цели не подойдут, напри­ мер, ртутные термометры, ручные газоанализаторы и т. п. Тре­ буются газоанализаторы, термопары и другие приборы, показа­ ния которых передаются на общий щит, где и записываются са­ мописцами,— нужен автоматический контроль процесса. На со­ временных установках автоматы, получая показания от автома­ тических контрольно-измерительных приборов, регулируют про­ цесс. Например, при необходимости изменить температуру а слое катализатора автоматически меняется соотношение пото­ ков газов, поступающих через теплообменник и минуя его.

Как получают сырье для синтеза аммиака? Азот получают из воздуха двумя способами: химическим и физическим. Сущность химического способа сводится к связыванию кислорода и осу­ ществляется на заводах, производящих водород из метана.

Физический способ получения азота состоит из двух основных стадий. Первая — глубокое охлаждение воздуха до температу­ ры, при которой он сжижается. Вторая — разделение жидкого воздуха ректификацией. Целесообразно наряду с азотом, исполь­ зовать также кислород и инертные газы. С производством водо-