2. Выбор оптимальных условий процесса

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления, состава реакционной смеси, катализатора и объемной скорости смеси. Оптимальными считаются такие значения параметров, при которых скорость процесса максимальна.

1. Давление и температура

С ростом давления наблюдаемая скорость процесса увеличивается.

И термодинамические, и кинетические факторы свидетельствуют в пользу проведения процесса при высоких давлениях (увеличивается равновесный выход, повышается скорость синтеза). Конденсация аммиака также улучшается при высоком давлении. Вместе с тем рост давления увеличивает расход электроэнергии на компрессию, повышает требования к машинам и аппаратам. При понижении давления упрощается аппаратурное оформление процесса, снижается расход энергии, но при этом увеличиваются размеры аппаратов, возрастают энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака, повышаются требования к чистоте синтез-газа [2].

Для определения оптимального давления синтеза была использована комплексная математическая модель агрегата синтеза аммиака. Опытные данные показали, что приведенные удельные и капитальные затраты с повышением давления уменьшаются. На основании проведенного анализа определено, что для современных схем наиболее эффективным является давление приблизительно 30 МПа (системы среднего давления) [2].

Поскольку присутствие инертных примесей равносильно снижению общего давления, то с увеличением содержания метана, аргона и гелия в смеси скорость реакции синтеза уменьшается.

Оптимальная температура синтеза Т_опт рассчитывается:

Из уравнения следует, что с увеличением содержания в циркуляционном газе аммиака и уменьшением содержания азотоводородной смеси оптимальная температура падает [2].

2. Состав азотоводородной смеси (авс)

Состав АВС выбирается как можно более близким к стехиометрическому, что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак. Так как степень превращения не превышает 20 – 40%, то процесс синтеза аммиака строится по циркуляционной схеме с отделением образующегося аммиака от непрореагировавшей АВС и возращением оставшейся части ее в реактор. Так как синтез аммиака идет с сокращением объема, то в циркулирующей АВС накапливаются инертные примеси (аргон, метан), что приводит к снижению выхода аммиака вследствие уменьшения концентраций азота и водорода в ней. Для устранения этого часть циркулирующей АВС периодически выводится из цикла в виде продувочного газа (отдувка). Для выделения образовавшегося аммиака из АВС ее охлаждают до температуры сжижения аммиака. При этом часть аммиака остается в АВС. Концентрация его зависит от температуры и изменяется от 1,5% об. при -20°С до 7,3% об. при +20°С при давлении около 30 МПа. При использовании водяного и аммиачного охлаждения это обеспечивает остаточное содержание аммиака в циркулирующей АВС 3 - 5% об. [2].

3. Катализатор

Высокую каталитическую активность в синтезе аммиака проявляют металлы VI, VII и VIII групп периодической системы. Наибольшей активностью обладают Fe, Ru, Re, Os. В промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующими восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяются оксиды кислотного и амфотерного характера – Al₂О₃, SiО₂, TiО₂ и др., а также оксиды щелочных и щелочноземельных металлов – К₂О, Na₂О, CaO, MgO и др.[2]. Отдельно взятые активаторы не оказывают ускоряющего действия на реакцию: при добавлении к железу Al₂О₃ увеличивается и становится более стабильной внутренняя поверхность зерен катализатора; введение К₂О способствует повышению удельной активности катализатора [4].

До 90-ых годов катализатор для синтеза аммиака выпускался двух марок СА-1 (окислительный) и СА-1В (восстановительный). Последний представлял из себя восстановленную форму катализатора СА-1 и поставлялся потребителю в данном виде [4]. Процесс восстановления катализатора можно описать суммарным уравнением:

Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O; ΔH>0

Катализаторы синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором. Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5·10^-5% [2].

Кислородосодержащие соединения (H₂O, СО, СО₂) и кислород, присутствующие в азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность катализатора обратимо. Их отравляющее действие пропорционально содержанию в них кислорода. Если в составе свежего газа имеются кислородосодержащие примеси или масло, газ следует вводить в цикл перед вторичной конденсацией для удаления вредных соединений конденсирующимся NH₃ [2].

В промышленности используются низкотемпературные катализаторы, разработанные ГИАП в начале 90-ых в СССР. Такие катализаторы содержат уменьшенное количество промотирующих оксидов алюминия, калия и кальция и дополнительное количество других промоторов, а именно оксидов магния, ванадия, кобальта, вольфрама и молибдена. Эти катализаторы имеют температуру зажигания 350°С и позволяют вести синтез аммиака в интервале температур 350–475°С, что позволяет осуществлять процесс синтеза при более низких давлениях [9].