1) Показать схематично последовательность стадий (привести функциональную схему) производства аммиака из природного газа методом паровоздушной конверсии и дать краткое описание каждой стадии.

1. Очистка природного газа от серосодержащих соединений².

Как правило, природный газ содержит в виде примесей сероводород H₂S, меркаптаны RSH, тиофен С₄Н₄S, сероуглерод СS₂ и др. соединения. Поэтому первой стадией в производстве аммиака является удаление нежелательных примесей из сырья, которые зачастую являются ядами для катализаторов. Сначала соединения гидрируют до сероводорода:

RSH + H₂ = H₂S + RH

С₄Н₄S + 4H₂ = H₂S + С₄Н₁₀

СS₂ + 4H₂ = 2H₂S + СН₄

Необходимый водород для гидрирования поступает в виде АВС (азото-водородной смеси) со стадий конверсии метана, температура процесса выше 670К, катализатор – Co-Mo. Вторая ступень очистки - сорбционная чистка в абсорбере с использованием поглотителя оксида цинка:

H₂S+ ZnO= ZnS↓+Н₂О.

2. Конверсия метана с водяным паром.

И природный газ СН₄, и вода Н₂O являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака — водорода Н₂. В этом превращении протекают одно­временно две реакции:

СН₄ + Н₂О = СО + 3 Н₂;

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Конверсия метана протекает с увеличением объема, понижение давления и высокая температура термодинамически выгодны для стадии превращения метана, но не выгоны в целом для процесса, так как синтез аммиака протекает при повышенном давлении 30 МПа. На стадии конверсии метана оптимальным является давление до 4 МПа, а соотношение водяного пара к природному газу целесообразно брать 4:1, температура 1300К. Количество подаваемого воздуха должно обеспечивать соотношение водород:азот = 3:1. Температура газа после конвертера 1230-1280К, давление падает до 3,3 МПа.

3. Конверсия моноокиси углерода с водяным паром.

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Конверсия проводится в двух реакторах с различными катализаторами: в первом – Fe-Cr катализатор реагирует при температуре 600-700К, далее после охлаждения реакция протекает во втором реакторе с Сu-содержащим катализатором при температуре 480-540К. Остаточное содержание СО не превышает 0,3-0,5%.

4. Очистка от оксидов углерода СО и СО₂.

В конвертированном газе содержание СО не превышает 0,3-0,5%, СО₂ до 17-18%. СО является ядом для большинства катализаторов, СО₂ – балласт для синтеза аммиака. Эти примеси необходимо удалить. Удаление сорбцией требует специфических сорбентов, необходимых в большом количестве. В настоящее время используется два специфических способа очистки от оксидов углерода.

Диоксид углерода абсорбируют 19-21%-ным водным раствором моноэтиламина (далее – МЭА):

СО₂ + 2 RNH₂+ Н₂О = (RNH₃)₂CО₃.

Эта стадия носит название МЭА-очистки. Поглощение диоксида углерода (карбонизация раствора МЭА) – обратимый процесс: с повышением температуры равновесия сдвигается влево, тем самым позволяя регенерировать сорбент. Поэтому в схеме очистки используются два аппарата: абсорбер и десорбер.

Но раствор МЭА не поглощает оксид углерода, поэтому последний превращают в метан, который безвреден для катализатора и инертен в процессе синтеза аммиака:

СО + 3 Н₂ = СН₄ + Н₂О.

Процесс проводят при низкой температуре (500-550К) с использованием Ni-катализатора при большом избытке водорода (около 75% в АВС).

5. Синтез аммиака.

3 H₂ + N₂ = 2 NH₃.

Синтез аммиака протекает на катализаторе, в качестве которого используют пористое железо с добавками стабилизирующих и промотирующих элементов (алюминий, калий, кальций и др.). Данный катализатор активен и термически устойчив в области температур 650-830К. Реакция обратимая, экзотермическая и протекает с уменьшением объема, следовательно, понижение температуры и повышение давления приводят к увеличению выхода продукта. Оптимальным давлением является 30-32 МПа, выход целевого продукта составляет 16%, для полноты использования АВС используют рецикл, часть газа при этом из рецикла выводится.