Автоматизация производства аммиака

Производство аммиака

Производство аммиака весьма энергоемко. Устойчивое производство аммиака возможно при использовании экологически чистого пиролиза метана или получения водорода посредством электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии.

Основой производства аммиака в промышленных масштабах является процесс Хаббера-Боша. Процесс заключается в превращении атмосферного азота в аммиак посредством реакции с водородом с использованием металлического катализатора при высоком давлении и температуре. Такая реакция является экзотермической, то есть ее протеканию благоприятствуют высокое давления и низкие температуры. Это способствует уменьшению энтропии и усложнению процесса. Водород получают посредством парового риформинга, после которого повторяется замкнутый цикл взаимодействия водорода с азотом с получением аммиака. Первичной реакции является:

$N_2+3H_2 => 2NH_3$

До разработки процесса Хаббера-Боша было трудно производить аммиак в промышленных масштабах, потому что такие процессы, как процесс Франко-Кора и Биркеланда-Эйда были малоэффективны.

Автоматизация процесса производства аммиака

Пример схемы регулирования производства аммиака изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Схема регулирования производства аммиака. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Здесь: 1, 8 - многоступенчатые поршневые компрессоры; 2 - фильтр; 3 - конденсационная колонна; 4 - аммиачный испаритель; 5 - колонна синтеза; 6 - холодильник; 7 - сепаратор; 9 - емкость.

Смесь азота и водорода компримируется до 0,32 мегапаскаля первым поршневым многоступенчатым компрессором, а затем подается в масляный фильтр, который предназначен для очистки от смазочного масла сжатого газа. Тут происходит очистка непрореагировавшей смеси после второго компрессора. После фильтра смесь подается в межтрубное пространство конденсационного теплообменника. Охлаждение и конденсация аммиака, который содержится в смеси, осуществляется встречным потоком холодного газа из аммиачного испарителя. Сконденсировавшейся аммиак собирается в емкости, а смесь азота и водорода поступает в колонну для синтеза. Синтез происходит по следующей схеме. Реакция образования аммиака обратима и происходит с выделением газа. Как правило, реакция проводится при температуре 500 градусов по Цельсию, при этом выход аммиака составляет 12-15 %. После колонны контактный газ поступает в холодильник и охлаждается до 30-35 градусов по Цельсию. При этом, аммиак, который содержится в газе, конденсируется. В сепараторе происходит отделение жидкого аммиака от непрореагировавшей смеси азота и водорода, которая поступает в линию всасывания циркуляционного компрессора, обеспечивающего компенсацию потерь давления в колонне, холодильнике и сепараторе, а также возврат смешивая фильтр. Жидкий аммиак дросселируется до 2-2,5 мегапаскалей и отводится в емкость, в которой из него выделяются растворенные газы.

Оборудованием для производства аммиака необходимо управлять таким образом, чтобы выход аммиака поддерживался на максимально возможным для данных условий значении. Выход аммиака определяется температурой и давлением в зоне реакции, составом исходной смеси, свойствами катализатора (в колонне синтеза) и продолжительностью пребывания газа в зоне катализатора. Регулирующие воздействия на значения давления и температуры вносятся изменением расхода газа, который подается в колонну синтеза по байпасной линии, а также расхода газа, байпасируемого из выходной магистрали компрессора во входную. Продолжительность пребывания газа в контактной зоне определяется расходом смеси водорода и газа. Такой расход поддерживается на постоянном значении на предшествующем участке, таким же образом поддерживается состав смеси. Выделение газа из жидкого аммиака в емкости происходит при постоянном давлении. С этой целью устанавливается регулятор давления, который способен изменять расход выделяемых газов. Материальный баланс в сепараторе, емкости и конденсаторе поддерживается при помощи регуляторов уровня посредством изменения отбора веществ из них.