Аммиак в промышленности получение: Получение аммиака в промышленности и в лаборатории из азота

Содержание

Техническое получение аммиака - Справочник химика 21

    Техническое получение аммиака. В настояш ее время в промышленности получают аммиак прямым соединением азота (из воздуха) с водородом. Соединение азота с водородом протекает по уравнению  [c.230]

    Таким образом, оборудование, здания и сооружения, средства связи, определяющие решение подсистем, взаимообусловлены и изменение одного слагаемого, как правило, влечет за собой изменение других. Структура подсистем, несмотря на большие различия в техническом содержании, с точки зрения пространственной организации предприятия, однотипна. Независимо от назначения любая из них состоит из объектов переработки своего специфического сырья в продукт заданных свойств и параметров (получение аммиака из газа, производство хлора из рассола, трансформация электроэнергии, получение пара, разделение воздуха и т. д.) и средств передачи этого продукта потребителям. [c.148]


    Представлены теоретические основы и технология производства технического водорода и синтез-газов для получения аммиака, метанола и других п1)одуктов, а также заменителя природного газа.
Рассмотрен способ паровой каталитической конверсии углеводородов в трубчатых печах и очистки конвертированных газов. Описаны конструкции трубчатых печей. Данн основы математического моделирования процессов конверсии, адиабатических реакторов и трубчатых печей. [c.2]

    Отметить условия протекания реакций. Указать, на каких приведенных здесь реакциях основаны технические и лабораторные способы получения аммиака. [c.270]

    Этот метод наиболее технически важен для получения всех оснований, за исключением гидроокисей натрия, калия и кальция. Рассмотрим три основных случая применения этого метода а) получающееся основание или соответствующий ему ангидрид летучи. В этом случае основание легко выделяется из реакционной смеси нагреванием. На этом базируется получение аммиака и многочисленных его органических производных. б) получающееся основание нерастворимо (или труднорастворимо) в воде. Ввиду того что гидроокиси всех металлов, за исключением щелочных, нерастворимы в воде или труднорастворимы (как гидроокиси щелочноземельных металлов), этот метод имеет чрезвычайно большое практическое применение.

В сущности использованием его является уже каждое осаждение гидроокиси едкой щелочью или раствором аммиака. [c.84]

    Гидрат аммиака. Водный раствор аммиака получают при пропускании его через воду. В лабораториях аммиак получают из солей аммония и едкого натра или гашеной извести метод 5а). Относительно технических методов получения аммиака ем. стр. 654. [c.85]

    Возможно, целесообразно осуществлять хранение водорода в форме легко разлагающегося химического соединения. Технически для такой цели пригоден гидрид лития (8 г достаточно для получения 50 Вт ч электроэнергии). Однако литий весьма дорог. В качестве другой химической формы хранения водорода можно было бы использовать аммиак (МНз) — при нагревании он разлагается на водород и азот и вновь образуется непосредственно из этих же компонентов. Азот находится в нашем распоряжении в изобилии (в воздухе), и с точки зрения термодинамики получение аммиака из его компонентов при нормальной температуре вполне осуществимо.

К сожалению, до сих пор не найден катализатор, который мог бы в необходимой степени ускорить этот процесс при обычной температуре и нормальном давлении. Известные в настоящее время катализаторы позволяют проводить быстрый синтез аммиака только при высоких температурах и давлениях. Следовательно, такой способ хранения водорода был бы очень дорогим, несмотря на то что аммиак легко поддается сжижению. [c.244]


    Получающийся, таким образом, богатый водородом газ может быть использован, после удаления окислов углерода, либо для гидрогенизации, либо для синтетического получения аммиака и некоторых органических веществ, например для известного синтеза метилового спирта, осуществляемого ныне в большом техническом масштабе из окиси углерода и водорода. [c.772]

    Водный аммиак. Качество технического водного аммиака регламентируется ГОСТ 9—П, который предусматривает выпуск продукта А и Б. А — применяется для промышленности и розничной торговой сети Б — для сельского хозяйства.

Для получения водного аммиака марки А должен применяться паровой конденсат или химически очищенная вода. Технический водный аммиак должен соответствовать нормам, указанным ниже  [c.384]

    В настоящее время воздух широко используется как источник азота для получения аммиака и азотной кислоты, а также для окислительных процессов в технике. Это стало возможно только после того, как были разработаны технические методы сжижения воздуха. Для этой цели служат [c.38]

    Можно определить положение точки I при наличии = = 1 кг кг. При концентрации жидкости 0,97—0,99 кг/кг, при любых давлениях конденсации, равновесный ей пар имеет совершенно ничтожные следы воды и практически представляет собой технический чистый аммиак. Поэтому при получении ( =1 кг кг концентрацию ё следует брать в указанных пределах, предусматривая более высокие значения для циркуляционных испарительных систем. [c.67]

    Превращение нафтиламина в нафтол нагреванием с раствором бисульфита и обратное превращение нафтола в нафтиламин в присутствии избытка аммиака называется реакцией Бухерера.

Последняя реакция имеет особенно большое значение для технического получения р-нафтиламина. — Прим. ред.  [c.459]

    Из аммиака и азотной кислоты получают, в частности, аммиачную селитру, применяемую в основном в качестве удобрения. Из аммиака и двуокиси углерода получают мочевину (карбамид)—высококонцентрированное азотное удобрение и важное техническое сырье для производства многих ценных химических продуктов (пластических масс,

Оборудование + Технология изготовления 2020

Аммиак (нитрид водорода, формула NH3) при нормальных условиях — это бесцветный газ с резким характерным запахом. Он относится к числу важнейших продуктов химической промышленности. Его ежегодное мировое производство достигает 150 млн. тонн. В основном он используется для изготовлении азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя.

В холодильной технике используется в качестве холодильного агента (R717).

В медицине 10% раствор аммиака, чаще называемый нашатырным спиртом, используется при обморочных состояниях (для возбуждения дыхания), для стимуляции рвоты, а также наружно — при невралгии, миозитах, укусах насекомых, для обработки рук хирурга. При неправильном использовании может вызвать ожоги пищевода и желудка (в случае приёма неразведённого раствора), рефлекторную остановку дыхания (при вдыхании в высокой концентрации).

Технология производства аммиака + видео как получают

В рамках этого направления сегодня многие компании стали заниматься разработкой и проектированием следующих технологий:

  • Перевод избыточного количества аммиака на изготовление метанола.
  • Разработка производства на основе современных технологий для подмены активных агрегатов.
  • Создание интегрированного производства и модернизация.

На производство одной тонны аммиака в России расходуется в среднем 1200 нм³ природного газа, в Европе — 900 нм³. Белорусский «Гродно Азот» расходует 1200 нм³, после модернизации ожидается снижение расхода до 876 нм³. Украинские производители потребляют от 750 нм³ до 1170 нм³. По технологии UHDE заявляется потребление 6,7 — 7,4 Гкал энергоресурсов на тонну.

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3+ + 91,84 кДж

Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода). Реакция происходит с выделением тепла и понижением объёма. Следовательно, исходя из принципа Ле-Шателье, реакцию следует проводить при возможно низких температурах и при высоких давлениях — тогда равновесие будет смещено вправо. Однако скорость реакции при низких температурах ничтожно мала, а при высоких увеличивается скорость обратной реакции. Проведение реакции при очень высоких давлениях требует создания специального, выдерживающего высокое давление оборудования, а значит, и больших капиталовложений. Кроме того, равновесие реакции даже при 700°C устанавливается слишком медленно для практического её использования. Выход аммиака (в объёмных процентах) в процессе Габера при различных температурах и давлении имеет следующие значения:

100 ат300 ат1000 ат1500 ат2000 ат3500 ат
400 °C25,1247,0079,8288,5493,0797,73
450 °C16,4335,8269,6984,0789,8397,18
500 °C10,6126,4457,47Нет данных
550 °C6,8219,1341,16

Применение катализатора (пористое железо с примесями Al2O3 и K2O) позволило ускорить достижение равновесного состояния. Интересно, что при поиске катализатора на эту роль пробовали более 20 тысяч различных веществ.

Учитывая все вышеприведённые факторы, процесс получения проводят при следующих условиях:

  • температура 500 °C;
  • давление 350 атмосфер;
  • катализатор.

Выход аммиака при таких условиях составляет около 30%. В промышленных условиях использован принцип циркуляции — аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза. Это оказывается более экономичным, чем достижение более высокого выхода реакции за счёт повышения давления. Для его получения в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония:

NH4Cl + NaOH → NH3↑ + NaCl + H2O

Обычно лабораторным способом аммиак получают слабым нагреванием смеси хлорида аммония с гашеной известью.

2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O

Для осушения аммиака его пропускают через смесь извести с едким натром. Очень сухой можно получить, растворяя в нём металлический натрий и впоследствии перегоняя. Это лучше делать в системе, изготовленной из металла под вакуумом. Система должна выдерживать высокое давление (при комнатной температуре давление насыщенных паров около 10 атмосфер). На промышленном производстве обычно для сушки используют абсорбционные колонны.

Видео как делают:

Производство аммиака не должно обходить стороной технический прогресс. В основном это касается энергосбережения. В ходе разработки современных технологий большое значение отводится программному обеспечению, необходимому для моделирования химических и технологических процессов.

Тема №7: Производство аммиака.

  1. Перечислите основные способы фиксации азота.

Под фиксацией азота понимаются реакции в ходе которых молекулярный азот образует различные соединения— например, реакция образования аммиака при взаимодействии азота с водородом.

Интересы ученых-биологов сфокусированы на конкретных научных направлениях, из которых можно выделить следующие:

1) поиск новых микробно-растительных азотфиксирующих сообществ и определение их роли в глобальной азотфиксирующей системе планеты;

2) исследование молекулярных механизмов взаимоотношения растений и азотфиксирующих микроорганизмов;

3) исследование физических и физико-химических основ явления азотфиксации;

4) изучение генетики азотфиксации и создание генноинженерным путем азотфиксирующих растений;

5) разработка комплекса агробиологических технологий с целью повышения продуктивности азотфиксации в растениеводстве.

  1. Как изменилась структура сырьевой базы по мере развития азотной промышленности? Какой вид природного сырья находил практическое применение вначале для получения технологического сырья?

  2. В чем преимущество природного газа перед другими видами природного сырья?

Преимущество природного газа(СН4):

  • Горение метана сопровождается незначительным выделением загрязняющих веществ, как твердых пылевых, так и газообразных: окисей азота, серы и углерода.

  • Метан может служить промежуточным топливом при постепенном переходе на такие альтернативные источники электроэнергии, как ветер, солнечная энергия, гидроэлектрическая энергия, энергия приливов и геотермальные источники энергии.

  • Метан широко распространен и доступен в большинстве городов и населенных пунктов, в непосредственной близости от конечных потребителей электроэнергии. Это значит, что для таких электростанций проще подобрать место, и они не требуют протяженных линий высоковольтных передач.

  • Электростанции смешанного типа, работающие на метане, достаточно эффективны.

  • Постоянное снабжение метаном можно организовать с помощью подземных газопроводов, экономя на энергопотреблении поездов и грузовиков, доставляющих горючее от перерабатывающего завода на электростанцию.

  • Электростанции, работающие на метане, можно переоборудовать для использования водорода в качестве топлива, когда водород будет доступен в достаточных количествах по приемлемым ценам.

  1. Составьте химическую и функциональную схемы получения технологического газа для синтеза аммиака из природного газа.

Химическая схема:

Функциональная схема:

Функциональная схема синтеза аммиака: А – синтез Nh4; Б – выделение Nh4; В – компрессия и рециркуляция

  1. Почему необходима очистка природного газа от сернистых соединений? Как и при каких условиях она осуществляется?

Очистка природного газа от серосодержащих соединений адсорбцией сероводорода, который мешает дальнейшим превращениям:

h3S + ZnO = ZnS + Н20

Конверсия метана с водяным паром. И природный газ (СН4), и вода (Н2О) являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака – водорода Н2. В этом превращении протекают одновременно две реакции:

СН4 + Н2О = СО + ЗН2;

СО + Н2О = СО2 + Н2.

Конверсия оксида углерода с водяным паром (в предыдущем процессе оксид углерода СО не полностью превращается в СО2 из-за равновесных ограничений):

СО + Н2О = СО2 + Н2.

После этого процесса достигается максимально возможное извлечение водорода из исходного сырья – метана СН4 и воды Н2О.

  1. Проанализируйте химическую и функциональную схемы сероочистки.

  1. Какими соображениями руководствуются при выборе технологического режима основных стадий паровоздушной конверсии природного газа?

  1. Какие катализаторы применяют на стадии конверсии метана и оксида углерода? Какие примеси в газе вызывают отравления катализаторов? Каков срок их службы?

Все реакции протекают с участием катализаторов и при высоких температурах. При осуществлении процесса конвекции СН4 проводят очистку природного газа от соединений серы, которые являются каталитическими ядами, а также очистку азотоводородной смеси от оксидов углерода.

Конверсию метана осуществляют при температуре 800-900 °С на никелевом катализаторе.

  1. Что собой представляют отходящие газы агрегатов синтеза аммиака? Как осуществляется их очистка?

Конвертированный газ, получаемый после конверсии метана, содержит 20-40% оксида углерода.

Для увеличения выхода водорода, газ после конверсии метана восстанавливают водяным паром.

  1. Какие методы нашли практическое применение для очистки конвертированного газа от диоксида углерода? Перечислите их достоинства и недостатки.

  1. Напишите химические реакции, лежащие в основе моноэтаноламиновой очистки. Что является побочным продуктом процесса и какое практическое применение он находит?

Абсорбция диоксида углерода – удаление СО2, полученного при получении водорода. Его поглощают раствором моноэтаноламина:

СО2 + 2RNh3 + Н2О = (RNh4)2CО3.

  1. Обоснуйте выбор технологического режима на стадиях абсорбции CO2 и регенерации растворителя в процессе моноэтаноламиновой очистки технологического газа.

МЭА очистка – низкая стоимость, стабильность процесса, легко регенерируется, высокая поглотительная способность. При очистке газа 17-21% раствором МЭА идет 2 реакции:

2NOCH2CH2NH2+CO2+H2O=(RNH3)2CO3;

(RNH3)2CO3+CO2+H2O=2RNH3HCO3.

  1. Какие методы очистки от оксида углерода применяют в современных технологических установках производства синтез-газа?

Очистка газа от оксида углерода СО. После конверсии СО небольшое количество СО остается, и он мешает дальнейшим превращениям. Освобождаются от него, превращая в метан:

СО + ЗН2= СН4+ Н2О.

  1. Как осуществляется тонкая очистка конвертированного газа от оксидов углерода?

Селективными являются железо-хромовый и медьсодержащий катализаторы: первый обеспечивает достаточную скорость реакции при температуре 450-500 °С, второй активно работает при 250-300°С. Остаточная концентрация СО составляет 0,3-0,5%.

После очистки газа от оксидов углерода он поступает на синтез аммиака.

  1. Назовите важнейшие области применения аммиака.

Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности, ежегодное его мировое производство достигает 150 млн тонн. В основном используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя.

В холодильной технике используется в качестве холодильного агента (R717)

В медицине 10 % раствор аммиака, чаще называемый нашатырным спиртом, применяется при обморочных состояниях (для возбуждения дыхания), для стимуляции рвоты, а также наружно — невралгии, миозиты, укусах насекомых, для обработки рук хирурга. При неправильном применении может вызвать ожоги пищевода и желудка (в случае приёма неразведённого раствора), рефлекторную остановку дыхания (при вдыхании в высокой концентрации).

Применяют местно, ингаляционно и внутрь. Для возбуждения дыхания и выведения больного из обморочного состояния осторожно подносят небольшой кусок марли или ваты, смоченный нашатырным спиртом, к носу больного (на 0,5-1 с). Внутрь (только в разведении) для индукции рвоты; также, в составе нашатырно-анисовых капель - в качестве муколитического (отхаркивающего) средства. При укусах насекомых — в виде примочек; при невралгиях и миозитах — растирания аммиачным линиментом. В хирургической практике разводят в тёплой кипяченой воде и моют руки.

Поскольку аммиак является слабым основанием, при взаимодействии с кислотами он их нейтрализует.

Физиологическое действие нашатырного спирта обусловлено резким запахом аммиака, который раздражает специфические рецепторы слизистой оболочки носа и способствует возбуждению дыхательного и сосудодвигательного центров мозга, вызывая учащение дыхания и повышение артериального давления.

Противоморозная добавка для сухих строительных растворов, относящаяся к ускорителям. Рекомендуемая дозировка — 2…8 % массы компонентов сухой смеси в зависимости от температуры применения. Аммиачная вода — продукт (Nh4*h3O), представляющий собой газообразный аммиак NН3, растворенный в воде.

  1. Составьте функциональную схему синтеза аммиака.

Агрегат синтеза аммиака (технологическая схема).

  1. Каковы основные физико-химические особенности реакции синтеза аммиака из азота и водорода, влияющие на выбор технологического режима процесса? Учитывая эти особенности, обоснуйте выбор давления, температурного режима процесса, тип технологической схемы.

  2. Какими соображениями руководствуются при выборе объемной скорости газа в колоннах синтеза аммиака?

  3. Объясните механизм гетерогенно-каталитического процесса синтеза аммиака. Какими стадиями он может быть описан?

  4. Какие катализаторы применяют при синтезе аммиака?

При синтезе аммиака из простых веществ - азота и водорода - используют в качестве катализатора используют пористое железо с примесями Al2O3 и K2O

  1. Какие методы выделения аммиака из циркуляционного газа применяют в установках среднего давления?

Циркуляционный газ при температуре 50°С поступает в систему вторичной конденсации, включающую конденсационную колонну и испарители жидкого аммиака. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18°С и в испарителя за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве до - 5°С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотоводородной смеси с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в выносной теплообменник, а затем в колонну синтеза.

  1. Что собой представляют продувочные и танковые газы? Какое применение они находят?

  2. Объясните устройство колонны синтеза. Проанализируйте режим ее работы.

Принципиальная технологическая схема синтеза аммиака в агрегате мощность 1360 т/сут на отечественном оборудовании.

Свежая азотоводородная смесь после очистки метанированием сжимается в центробежном компрессоре до давления 32 Мпа и после охлаждения в воздушном холодильнике поступает в нижнюю часть конденсационной колонны для очистки от остаточных примесей СО3, Н2О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров и следов СО2. и масла, насыщается аммиаком до 3-5% и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника, где нагревается до 185-1950°С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонны синтеза.

  1. Сформулируйте основные требования к колоннам синтеза аммиака.

  2. Какие технологические мероприятия способствуют охране окружающей среды в производстве аммиака?

Крупнотоннажное производство аммиака характеризуют следующие выбросы в окружающую среду:

1) газовые, содержащие в своем составе аммиак, оксиды азота и углерода и другие примеси

2) сточные воды, состоящие из конденсата, продуктов промывки реакторов и систем охлаждения;

3) низко потенциальную теплоту.

Относительная концентрация токсичных примесей производства аммиака в виде оксида углерода и оксидов азота в отходящих газах невысока, но когда происходит восстановление оксидов азота до элементного азота, для устранения даже незначительных выбросов разрабатываются специальные мероприятия. Полное исключение токсичных выбросов возможно при использовании каталитической очистки в присутствии газа-восстановителя.

Производство аммиака - Ammonia production

Аммиак - одно из самых производимых неорганических химикатов. Существуют многочисленные крупные производства аммиака заводы по всему миру, производя в общей сложности 144 миллионов тонн азота ( что эквивалентно 175 млн т аммиака) в 2016 году Китай произвел 31,9% мирового производства, а затем России с 8,7%, Индия с 7,5% и США - 7,1%. 80% или более производимого аммиака используется для удобрения сельскохозяйственных культур. Аммиак также используется для производства пластмасс, волокон, взрывчатых веществ, азотной кислоты (через процесс Оствальда ) и промежуточных продуктов для красителей и фармацевтических препаратов.

История

Перед началом Первой мировой войны большая часть аммиака была получена путем сухой перегонки азотистых продуктов растительного и животного происхождения; восстановление азотистой кислоты и нитритов с водородом ; а также разложением солей аммония щелочными гидроксидами или негашеной известью , наиболее часто используемой солью является хлорид ( сали-аммиак ).

Блок-схема процесса синтеза аммиака

Сегодня большая часть аммиака производится в больших масштабах по технологии Габера с производительностью до 3300 тонн в день. В этом процессе газы N 2 и H 2 вступают в реакцию при давлении 200 бар.

Современные заводы по производству аммиака

Типичная современная установка по производству аммиака сначала преобразует природный газ , сжиженный нефтяной газ или нефтяную нафту в газообразный водород . Способ получения водорода из углеводородов известен как паровой риформинг . Затем водород объединяется с азотом для получения аммиака с помощью процесса Габера-Боша .

Начиная с исходного природного газа, для производства водорода используются следующие процессы:

  • Первым этапом процесса является удаление соединений серы из сырья, поскольку сера дезактивирует катализаторы, используемые на последующих этапах. Удаление серы требует каталитического гидрирования для превращения соединений серы в сырье в газообразный сероводород :
H 2 + RSH → RH + H 2 S (газ)
  • Затем газообразный сероводород адсорбируется и удаляется, пропуская его через слои оксида цинка, где он превращается в твердый сульфид цинка :
Иллюстрируя входы и выходы парового риформинга природного газа, процесса производства водорода.
Н 2 S + ZnO → ZnS + H 2 O
СН 4 + Н 2 О → СО + 3Н 2
СО + Н 2 О → СО 2 + Н 2
  • Затем диоксид углерода удаляют либо абсорбцией водными растворами этаноламина, либо адсорбцией в адсорберах с переменным давлением (PSA) с использованием запатентованных твердых адсорбционных сред.
  • Последним шагом в производстве водорода является использование каталитического метанирования для удаления любых небольших остаточных количеств моноксида углерода или диоксида углерода из водорода:
СО + 3Н 2 → СН 4 + Н 2 О
СО 2 + 4Н 2 → СН 4 + 2Н 2 О

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 процессом Габера-Боша ):

2 + N 2 → 2NH 3

Из-за природы катализатора (обычно с множественным промотированием магнетита), используемого в реакции синтеза аммиака, при синтезе могут быть допустимы только очень низкие уровни кислородсодержащих (особенно CO, CO 2 и H 2 O) соединений (водород и азотная смесь) газ. Относительно чистый азот можно получить путем разделения 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.

Каждая из стадий парового риформинга, сдвигового преобразования, удаления диоксида углерода и 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 используемой запатентованной конструкции. Есть много инженерных и строительных компаний, которые предлагают собственные разработки для установок синтеза аммиака. Хальдор Топсе Дании, Thyssenkrupp Industrial Solutions GmbH Германия, Аммиак Казале Швейцарии и Kellogg Brown & Root США являются одними из самых опытных компаний в этой области.

Устойчивое производство аммиака

Иллюстрируя входы и выходы пиролиза метана, процесса производства водорода.

Производство аммиака зависит от обильных запасов энергии , в основном природного газа . Поскольку аммиак играет решающую роль в интенсивном сельском хозяйстве и других процессах, желательно устойчивое производство. Это возможно за счет использования экологически чистого пиролиза метана или возобновляемых источников энергии для получения водорода путем электролиза воды.

Иллюстрируя входы и выходы простого электролиза воды для производства водорода.

Это было бы просто в водородной экономике, если бы часть производства водорода была переключена с топлива на использование сырья. Например, в 2002 году Исландия произвела 2 000 тонн газообразного водорода путем электролиза , используя избыточное производство электроэнергии на своих гидроэлектростанциях , в первую очередь для производства аммиака для удобрений. Веморк ГЭС в Норвегии использовал свою избыточную выработку электроэнергии для генерации возобновляемой азотной кислоты с 1911 по 1971 году, требуя 15 МВт / тонну азотной кислоты. Та же реакция осуществляется молнией, являясь естественным источником преобразования атмосферного азота в растворимые нитраты. На практике природный газ останется основным источником водорода для производства аммиака до тех пор, пока он будет самым дешевым .

Сточные воды часто содержат много аммиака. Поскольку сброс воды, содержащей аммиак, в окружающую среду, даже на очистных сооружениях, может вызвать проблемы, нитрификация часто необходима для удаления аммиака. Это может стать потенциально устойчивым источником аммиака в будущем из-за его большого количества и необходимости удаления его из воды в любом случае . 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. Электролиз аммиака может потребовать гораздо меньше термодинамической энергии, чем электролиз воды (всего 0,06 В в щелочной среде).

Другим вариантом извлечения аммиака из сточных вод является использование механизма цикла термической абсорбции аммиак-вода. Используя этот вариант, аммиак может быть извлечен 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 в растворе 30%.

Побочные продукты

Одним из основных промышленных побочных продуктов производства аммиака является CO 2 . В 2018 году высокие цены на нефть привели к длительной летней остановке европейских заводов по производству аммиака, что привело к коммерческой нехватке CO 2 , что ограничило производство газированных напитков, таких как пиво и газированные безалкогольные напитки.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки

Виниловая таблица "Получение аммиака в лабораторных условиях" 100х140 см

Внимание! Описание ниже, это справочный материал, он не указан в данной виниловой таблице!

Аммиак - одно из важнейших соединений азота.
Азот, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот, является одним из компонентов, составляющих основу жизни. Поэтому очень важно было научиться синтезировать химические соединения с азотом. Сначала использовали электричество, но этот способ оказался очень дорогим. Более простым способом явилась химическая реакция соединения азота, находящегося в воздухе, с водородом в химическое соединение - аммиак!

Получение аммиака

В лаборатории

В промышленности

Для получения аммиака в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония:

NH4Cl + NaOH = NH3↑ + NaCl + H2O

(NH4)2SO4 + Ca(OH)2 = 2NH3↑ + CaSO4 + 2H2O

Внимание! Гидроксид аммония неустойчивое основание, разлагается: NH4OH ↔ NH3↑ + H2O

При получении аммиака держите пробирку - приёмник дном кверху, так как аммиак легче воздуха:

 

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:

N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г) + 45,9  кДж

Условия:

катализатор – пористое железо

температура – 450 – 500 ˚С

давление – 25 – 30 МПа

Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода).

 

Получение аммиака в промышленности связано с прямым его синтезом из простых веществ. Как уже отмечалось, источником азота служит воздух, а водород получают из воды.

3H2 + N2 → 2NH3 + Q

Аммиак. Водный раствор

Реакция синтеза аммиака обратима, поэтому важно подобрать условия, при которых выход аммиака в химической реакции будет наибольшим. Для этого реакцию проводят при высоком давлении (от 15 до 100 МПа). В ходе реакции объёмы газов (водорода и азота) уменьшаются в 2 раза, поэтому высокое давление позволяет увеличить количество образующегося аммиака. Катализатором в такой реакции может служить губчатое железо. При этом интересно то, что губчатое железо действует как катализатор только при температуре выше 5000C. Но увеличение температуры способствует распаду молекулы аммиака на водород и азот. Для избежания распада молекул, как только смесь газов проходит через губчатое железо, образовавшийся аммиак сразу охлаждают! Кроме того при сильном охлаждении аммиак превращается в жидкость.

Получение аммиака в лабораторных условиях производят из смеси твёрдого хлорида аммония (NH4Cl) и гашенной извести. При нагревании интенсивно выделяется аммиак.

2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2NH3 + 2H2O

Свойства аммиака

Аммиак при обычных условиях - газ с резким и неприятным запахом. Аммиак ядовит! При 20 0C в воде растворяется 700 л аммиака. Полученный раствор называют аммиачной водой. Из-за такой растворимости аммиак нельзя собирать и хранить над водой.

Аммиак - активный восстановитель. Такое свойство у него за счёт атомов азота, имеющих степень окисления "-3". Восстановительные свойства азота наблюдаются при горении аммиака на воздухе. Так как для азота наиболее устойчивая степень окисления - 0, то в результате этой реакции выделяется свободный азот.

Если в реакции горения использовать катализаторы (платину Pt и оксид хрома Cr2O3), то получают оксид азота.

4NH3 + 5 O2 → 4NO + 6H2O

Аммиак может восстанавливать металлы из их оксидов. Так реакцию с оксидом меди используют для получения азота.

2NH3 + 3CuO → 3Cu + N2 + 3H2O

Реакция гидроксида меди с аммиаком

Аммиак обладает свойствами оснований и щелочей. При растворении его в воде образуется ион аммония и гидроксид-ион. При этом соединения NH4OH - не существует! Поэтому формулу аммиачной воды лучше записать, как формулу аммиака!

Основные свойства аммиака проявляются также и в реакциях с кислотами.

NH3 + HCl → NH4Cl (нашатырь)

NH3 + HNO3 → NH4NO3 (аммиачная селитра)

Аммиак реагирует с органическими веществами. Например, искусственные аминокислоты получают с помощью реакции аммиака и A-хлорзамещёнными карбоновыми кислотами. Выделяющийся в результате реакции хлороводород (газ HCl) связывают с избытком аммиака, в результате которого образуется нашатырь (или хлорид аммония NH4Cl).

Многие комплексные соединения содержат в качестве лиганда аммиак. Аммиачный раствор оксида серебра, который используется для обнаружения альдегидов, представляет собой комплексное соединение - гидроксиддиаммин серебра.

Ag2O + 4NH3 + H2O →2[Ag(NH3)2]OH

Соли аммония

Соли аммония - твёрдые кристаллические вещества, не имеющие окраски. Почти все они растворяются в воде, и им характерны все те же свойства, которые имеют известные нам соли металлов. Они взаимодействуют со щелочами, при этом выделяется аммиак.

NH4Cl + KOH → KCl + NH3 + H2O

При этом, если дополнительно воспользоваться индикаторной бумагой, то эту реакцию можно использовать - как качественную реакцию на соли аммония. Соли аммония взаимодействуют с другими солями и кислотами. Например,

(NH4)2SO4 + BaCl2 → BaSO4 + 2NH4Cl

(NH4)2CO3 + 2HCl2 → 2NH4Cl + CO2 + H2O

Соли аммония неустойчивы к нагреванию. Некоторые из них, например хлорид аммония (или нашатырь), - возгоняются (испаряются при нагревании), другие, например нитрит аммония, - разлагаются

NH4Cl → NH3 + HCl

NH4NO2 → N2 + 2H2O

Последняя химическая реакция - разложение нитрита аммония - используется в химических лабораториях для получения чистого азота.

Аммиак - это слабое основание, поэтому соли, образованные аммиаком в водном растворе подвергаются гидролизу. В растворах этих солей имеется большое количество ионов гидроксония, поэтому реакция солей аммония - кислая!

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Применение аммиака и его солей основано на специфических свойствах. Аммиак служит сырьём для производства азотосодержащих веществ, а также в составе солей широко применяется в качестве минеральных удобрений. Водный раствор аммиака можно купить в аптеках под названием нашатырный спирт.

Аммиак – соединение, являющееся важнейшим источником азота для живых организмов, а также нашедшее применение в различных отраслях промышленности. Что такое аммиак, каковы его свойства? Давайте разберемся. Что такое аммиак: основные характеристики Аммиак (нитрид водовода) – соединение азота с водородом, имеющее химическую формулу Nh4. Форма молекулы напоминает тригональную пирамиду, в вершине которой расположен атом азота. что такое аммиак Аммиак представляет собой газ, не имеющий цвета, но обладающий резким специфическим запахом. Плотность аммиака почти в два раза меньше, чем плотность воздуха. При температуре 15 oC она составляет 0,73 кг/м3. Плотность аммиака жидкого в нормальных условиях равна 686 кг/м3. Молекулярная масса вещества - 17,2 г/моль. Отличительной особенностью аммиака является его высокая растворимость в воде. Так, при температуре 0 °C ее значение достигает около 1200 объемов в объеме воды, при 20 °C – 700 объемов. Раствор «аммиак - вода» (аммиачная вода) характеризуется слабощелочной реакцией и довольно уникальным свойством по сравнению с другими щелочами: с увеличением концентрации плотность снижается. Как образуется аммиак? Что такое аммиак в организме человека? Это конечный продукт азотистого обмена. Большую его часть печень конвертирует в мочевину (карбамид) – менее токсичное вещество. Аммиак в природных условиях образуется в результате разложения органических соединений, содержащих азот. Для использования в промышленности это вещество получают искусственным путем. Получение аммиака в промышленных и лабораторных условиях В промышленных условиях аммиак получают путем каталитического синтеза из азота и водорода: N2 + 3h3 → 2Nh4 + Q. Процесс получения вещества проводят при температуре 500 °C и давлении 350 атм. В качестве катализатора используется пористое железо. Полученный аммиак удаляется охлаждением. Азот и водород, которые не прореагировали, возвращаются на синтез. В лабораторных условиях аммиак получают в основном путем слабого нагревания смеси, состоящей из хлорида аммония и гашеной извести: 2Nh5Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2Nh4↑ + 2h3O. Для осушения готовое соединение пропускается через смесь извести и едкого натра. Довольно сухой аммиак можно получить путем растворения в нем металлического натрия и последующей перегонки. Где используется аммиак? Нитрид водорода широко применяется в различных отраслях промышленности. Огромные его количества используются для производства азотной кислоты и различных удобрений (мочевина, нитрат аммония и др.), полимеров, синильной кислоты, соды, аммониевых солей и других видов продукции химического производства. свойства аммиака В легкой промышленности свойства аммиака применяют при очистке и окрашивании таких тканей, как шелк, шерсть и хлопок. В сталелитейном производстве он используется для увеличения твердости стали путем насыщения ее поверхностных слоев азотом. В нефтехимической промышленности при помощи нитрида водорода нейтрализуют кислотные отходы. Благодаря своим термодинамическим свойствам жидкий аммиак используется в качестве хладагента в холодильном оборудовании. Раствор нитрида водорода (нашатырный спирт) применяется в медицине для выведения из обморочного состояния, стимуляции рвоты, для обработки рук медперсонала, при укусах насекомых и пр. плотность аммиака Некоторые химические свойства аммиака Нитрид водорода характеризуется довольно высокой химической активностью и способен вступать в реакции со многими веществами. При взаимодействии аммиака с кислотами образуются соответствующие соли аммония. Так, к примеру, в результате реакции с азотной кислотой образуется аммиачная селитра: Nh4 + HNO3 → Nh5NO3. При взаимодействии с HCl образуется хлорид аммония: Nh4+ HCl → Nh5Cl. аммиак вода Соли аммония представляют собой твердые кристаллические вещества, разлагающиеся в воде и обладающие свойствами, присущими солям металлов. Растворы соединений, образованных в результате взаимодействия аммиака и сильных кислот, имеют слабокислую реакцию. За счет атомов азота нитрид водорода является активным восстановителем. Восстановительные свойства его проявляются при нагревании. При горении в атмосфере кислорода он образует азот и воду. В присутствии катализаторов взаимодействие с кислородом дает оксид азота. Нитрид водорода имеет способность восстанавливать металлы из оксидов. Галогены в результате реакции с аммиаком образуют галогениды азота – опасные взрывчатые вещества. При взаимодействии с карбоновыми кислотами и их производными нитрид водорода образует амиды. В реакциях с углем (при 1000 °С) и метаном он дает синильную кислоту. С ионами металлов аммиак образует аминокомплексы, или аммиакаты (комплексные соединения), имеющие характерную особенность: атом азота всегда связан с тремя атомами водорода. В результате комплексообразования меняется окраска вещества. Так, к примеру, голубой раствор медного купороса при добавлении нитрида водорода приобретает интенсивный сине-фиолетовый цвет. Многие из аминокомплексов обладают достаточной устойчивостью. Благодаря этому они могут быть получены в твердом виде. вещество аммиак В жидком аммиаке хорошо растворяются как ионные, так и неполярные неорганические и органические соединения. Санитарно-гигиенические характеристики Аммиак относят к четвертому классу опасности. Предельно допустимая максимально-разовая концентрация (ПДК) в воздухе населенных пунктов равна 0,2 мг/м3, среднесуточная – 0,04. В воздухе рабочей зоны содержание аммиака не должно быть выше 20 мг/м³. При таких концентрациях запах вещества не ощущается. Фиксироваться человеческим обонянием он начинает при 37 мг/м³. То есть если запах аммиака ощущается, это означает, что допустимые нормы нахождения вещества в воздухе значительно превышены. - Читайте подробнее на FB.ru: http://fb.ru/article/176513/chto-takoe-ammiak-formula-i-svoystva-ammiaka

Сырье для производства аммиака. Синтез аммиака из азотводородной смеси (АВС)

Технологические свойства аммиака.

Аммиак (NH3) – бесцветный газ с резким запахом и температурой кипения -33,4˚С и температурой плавления -77,8˚С Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды), ограниченно растворим в органических растворителях.

При взаимодействии с водой аммиак образует гидраты следующего состава:

NH3·H2O и NH3·2H2O

Незначительное количество растворенных в воде молекул аммиака ионизирует в результате реакции:

NH3 + H2O « NH4+ + OH

Степень диссоциации 0.004.

Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, фосфор, серу, иод и многие другие неорганические и органические соединения.

При температуре 1300 °С аммиак диссоциирует на азот и водород:

2NH3=N2 + 3H2

Сухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры.

Мировое производство аммиака составило в 1980 году более 90 млн. тонн.

Первый заводпо производствуаммиака был пущен в 1913 году с производительностью 25 т в сутки.

Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) состава N2:H2 = 1:3. Ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, поэтому производство аммиака определяется в основном способом производства водорода.


Рисунок 4.3. – Сырьевые ресурсы производства аммиака.

Азот получают ректификацией (перегонкой) сжиженного атмосферного воздуха.

Водороддля синтеза аммиака может быть получен:

1. разделением обратного коксового газа,

2. газификацией твердого топлива,

3. конверсией природного газа (метана или его газообразных гомологов),

4. конверсией оксида углерода с водяным паром,

5. крекингом метана

6. электролизом либо термическим разложением воды

Основное значение имеют методы конверсии метана и оксида углерода, а также разделение коксового газа.

Для перспективных планов широкого применения водорода в промышленных и энергетических целях планируется его крупномасштабное производство из воды – самого дешевого сырья, запасы которого неограниченны. Существующие и разрабатываемые методы производства водорода из воды делятся на три группы:

1. электролиз воды

2. термохимические методы

3. комбинированные термо-и электрохимические методы.

ЭЛЕКТРОЛИЗ – наиболее освоенный метод производства водорода из воды, в настоящее время он используется в небольших масштабах при наличии дешевой электроэнергии. Электрохимические процессы основаны на взаимных превращениях электрической энергии в химическую и наоборот. Достоинства электрохимических процессов – их простота в аппаратурном оформлении, малостадийность технологического процесса, высокая чистота получаемых продуктов, надостижимая для химических способов и др. Основной недостаток электролиза – высокий расход электроэнергии, стоимость которой составляет основную долю в себестоимости продуктов – более 90 %. Более того, при промышленном электролизе водных растворов коэффициент использования энергии – не более 50 – 60%, что еще более повышает стоимость продуктов электролиза. При получении водорода электролизом воды применяют в качестве электролита водные растворы кислот, щелочей или солей, так как электропроводность чистой воды ничтожно мала – при 18 °С удельная электропроводность воды составляет (2-6)×10-10 См×м-1. Чаще всего применяют щелочные электролиты, наименее агрессивные для конструкционных материалов электролизеров. Выделение водорода происходит на катоде по реакции:


2H2O + 2 e- ® H2 + 2OH-

Суммарный КПД производства водорода электролизом воды с использованием электроэнергии, вырабатываемой атомной станцией, составляет не более 20 – 30 %, и это отрицательно сказывается на себестоимости водорода. Снижение себестоимости электролитического водорода может быть достигнуто совершенствованием конструкции электролизеров, их удешевлением, и, что амое главное, применением дешевой электроэнергии. Как основная перспектива, рассматривается возможность питания водородных электролизеров «провальной» энергией атомных станций, т. е. использованием электроэнергии в те периоды, когда станции недогружены, например, в ночные часы.

Термохимический метод получения водорода основан на разложении воды с помощью тепловой энергии, которую предполагается получать от атомных реакторов с гелиевым охлаждением, используя теплоту газового теплоносителя на выходе из реактора. Непосредственное разложение воды по реакции

Н2О « Н2 + 0.5 О2 + DH

неосуществимо, так как при необходимой для этого высокой температуре (около 1000 °С) константа равновесия реакции ничтожно мала (10-6). Реализация процесса возможна заменой реакции прямого разложения воды термохимическим циклом, состоящим из нескольких стадий, для каждого из которых значения константы равновесия были бы приемлемы для практики. Разработано и предложено множество термохимических циклов для разложения воды при температурах, доступных с точки зрения использования теплоты охлаждающих газов ядерных реакторов. В большинстве из предложенных циклов промежуточные вещества имеют высокое сродство к водороду, либо к кислороду – это галогены, элементы IV группы (сера), металлы II группы (Mg, Ca. Ba) и переходные элементы с переменной степенью окисления (V, Fe). Ниже приведен один из примеров термохимического цикла реакций, ведущих к разложению воды на H2 и O2:

Весь термохимический цикл разложения воды представляет собой замкнутый цикл, так как все исходные реагенты отделяются от продуктов реакции и возвращаются в цикл, за исключением воды, расходуемой на образование водорода и кислорода. Максимальная температура реакций не превышает 700 °С и может быть обеспечена теплоносителем на выходе их атомного реактора на уровне 800 - 900 °С.

В настоящее время ни один из предложенных термохимических циклов еще не реализован в промышленности и значение КПД циклов, а так же расчеты затрат на получение водорода этим методом пока не определены.

Комбинированный метод производства водорода заключается в комбинировании термо- и электрохимических стадий процесса. Ожидаемые преимущества комбинированного метода состоят в том, что могут быть использованы достоинства каждого из рассмотренных способов: электрохимический хорошо освоен, имеет простое аппаратурное оформление, а термохимический более экономичен, но мало освоен и включает стадии, трудные для промышленного осуществления.

Примером может служить сернокислотный комбинированный цикл получения водорода и кислорода из воды. Это двухступенчатый процесс, включающий 2 стадии

1. термохимическая – эндотермическая реакция, осуществляемая при 900 °С

Н2SO4 = H2O + SO2 + ½ O2

2. низкотемпературный электрохимический процесс:

2H2O + SO2 - 2e- = H2 + H2SO4

Последняя реакция может быть реализована только путем электролиза, так как ее константа равновесия и теоретическим выход водорода чрезвычайно малы. Источником энергии для комбинированной установки может служить атомный газовый реактор, снабжающий отбросной теплотой термохимическую стадию и электроэнергией электрохимическую стадию. Расчетные затраты для комбинированной установки меньше, чем для прямого электролиза воды. Суммарный КПД процесса должен составить 35 – 37 %. По мнению специалистов комбинирование термохимических и электрохимических стадий – наиболее перспективное направление крупномасштабного производства водорода из воды.

Основным методом получения водорода для синтеза аммиака является каталитическая конверсия метана. Сырьём для этого метода служит природный и попутный газ, содержащий до 90-98% метана.

Мелкомасштабное производство аммиака - следующий большой шаг - AMMONIA INDUSTRY

За последние несколько лет в США были построены, перезапущены и перемещены заводы по производству аммиака мирового масштаба. Последний из этих мегапроектов начал свою работу в Фрипорте в Техасе в прошлом месяце. В настоящее время в США больше не строятся новые заводы по производству аммиака, и общепринятая мудрость в отрасли состоит в том, что строительство больше не начнется.

Однако разработчики проектов и аммиачные стартапы не получили эту памятку.При сохранении низких цен на природный газ они не прекращают объявлять о планах строительства новых заводов. Разница в том, что следующий транш новых заводов по производству аммиака будет не в мировом масштабе, а в региональном масштабе, с производственными мощностями, составляющими, возможно, лишь одну десятую отраслевого стандарта. Несмотря на использование ископаемого сырья, эти заводы установят новые стандарты эффективности и выбросов для небольших аммиачных заводов и продемонстрируют новые бизнес-модели, которые в корне изменят будущий отраслевой ландшафт устойчивых аммиачных технологий.

Динамика мощности аммиачного завода в США
Новейший аммиачный завод мирового масштаба, работающий на природном газе, начал работу около года назад в Вевер, штат Айова. К сожалению, многие аспекты этого проекта пошли не так - в первую очередь, он отставал от графика на два года и превышал бюджет как минимум на 1 миллиард долларов. Аналогичные, хотя и меньшие, проблемы преследовали и другие новые аммиачные заводы: перерасход средств и задержки привели к потускнению новых заводов в Ваггамане, Дональдсонвилле и Порт-Нил и почти к банкротству LSB Industries в Эльдорадо.Результат всего этого расширения отрасли? Дополнительные новые заводы мирового масштаба в настоящее время в значительной степени больше не финансируются в США: у кредиторов нет причин доверять отрасли, чтобы она оставалась в рамках бюджета или графика.

В течение нескольких десятилетий при проектировании установок по производству аммиака преобладала тенденция к увеличению и увеличению производства, чтобы максимизировать теоретическую эффективность масштабирования. К сожалению, наиболее эффективный завод по производству аммиака может быть дешевым в относительном выражении, но он стал настолько большим и дорогим в абсолютном выражении, что сейчас его невозможно построить.

Таким образом, теперь развивается новая тенденция к меньшим предприятиям. Возможно, они не самые эффективные, но они достаточно велики, чтобы обслуживать региональный рынок, и представляют собой жизнеспособную бизнес-модель. Важно отметить, что более мелкие предприятия стоят меньше и могут фактически финансироваться.

Мелкомасштабный аммиак: проверенная технология, прибыльная бизнес-модель
Несколько месяцев назад я писал о капиталоемкости малых аммиачных заводов, уделяя особое внимание тому, как два недавно построенных аммиачных завода преуспевают в качестве жизнеспособных коммерческих проектов, несмотря на их Экономика «дорогого» мелкотоварного производства.Это был завод Simplot мощностью 200 000 тонн в год в Рок-Спрингс, штат Вайоминг, и завод Fortigen мощностью 30 000 тонн в год в Женеве, штат Северная Каролина.

Капиталоемкость малых заводов по производству аммиака, 18 января 2018 г. Для поддержки экономики проектов оба этих небольших завода регионального масштаба предварительно продали всю свою продукцию. В случае Simplot, спрос остается ограниченным, и собственные фосфаты Simplot переводятся в удобрение MAP, и больше не закупается такое количество аммиака на рынке. В случае Fortigen, весь товар по контракту закупается у местного фермерского кооператива.Оба проекта демонстрируют региональную бизнес-модель: они преуспевают на внутреннем рынке, конкурируя с более дорогим продуктом, избегая затрат на транспортировку из более дешевых регионов производства.

За последние несколько месяцев было объявлено о трех дополнительных аммиачных проектах регионального масштаба. Каждый из этих проектов уже привлек миллионы долларов финансирования, либо за счет начального капитала, либо за счет венчурного капитала, и каждый выдвигает убедительные экономические аргументы в пользу аммиака регионального масштаба.

Greenfield Nitrogen (Гарнер, Айова)
Предполагаемый завод по производству аммиака Greenfield Nitrogen мощностью 120 000 тонн в год «будет обслуживать сельскохозяйственное сообщество в радиусе 100 миль и производить достаточно аммиака для покрытия одной трети ожидаемого [регионального] дефицита и примерно 1-2% от общего [национального] импорта азота ».

Нажмите для увеличения. Источник: Greenfield Nitrogen Недавно в проекте была запущена акция акционерного капитала, нацеленная на участие фермеров и розничных торговцев сельскохозяйственной продукцией.При общей стоимости в 220 миллионов долларов капиталоемкость новых мощностей по производству аммиака будет ниже 1900 долларов на тонну, что меньше, чем у заводов Simplot и Fortigen.

Это будет первый завод в США, использующий концепцию Linde Ammonia Concept, которая объединяет технологии Linde по приготовлению ископаемого сырья с технологией синтеза аммиака Casale. Большим преимуществом этого является то, что он позволяет осуществлять модульное строительство за пределами участка, что позволяет избежать необходимости строительства зимой в Айове и снизить риски для инвесторов.

BayoTech (демонстрационный завод еще не объявлен)
В прошлом месяце BayoTech объявила о завершении своего раунда финансирования серии B в размере 12,5 млн долларов, что позволяет «расширить инфраструктуру компании и завершить коммерциализацию своей технологии». Важно отметить, что в нем также было объявлено, что одним из участников раунда финансирования была «одна из крупнейших в мире компаний по производству удобрений… новый стратегический партнер BayoTech, значительный игрок на мировом рынке удобрений».”

Реакторы с вложенным потоком обеспечивают улучшенное управление температурой, энергоэффективность и масштабируемость производства как для парового риформинга метана (SMR), так и для реакции смещения воды (WSR), двух основных процессов, используемых для промышленного производства водорода. Технология Nested-flow повысит энергоэффективность производства водорода из природного газа с сегодняшнего преобразования энергии на 63% и 73% (для 20 тонн в день и 100 тонн в день соответственно) до почти 90% энергоэффективности при сохранении эта эффективность до уровня производства менее 0.1 тонна / сутки…

Природный газ, необходимый для производства тонны аммиака, снижается на 25%. C

оптимизирует энергоэффективность и сокращение выбросов углерода - AMMONIA INDUSTRY

Ранее в этом месяце я имел удовольствие выступать на конференции Международной ассоциации удобрений (IFA) на тему «Инновации в аммиаке». Ключевым моментом было преимущество диверсификации технологий: как и в случае с любым портфелем, будь то инвестиционный счет или диапазон доступных технологий в глобальной отрасли, концентрация в любой области представляет собой риск, а диверсификация представляет собой устойчивость.К сожалению, определенный путь сокращения выбросов в аммиачной промышленности до 2050 года требует все большей зависимости от одной технологии и одного углеродного сырья. Это представляет значительный риск для завтрашних рынков с ограниченными выбросами углерода.

В этой статье представлены пять диаграмм, которые призваны продемонстрировать, почему в отрасли недостаточно внимания к энергоэффективности как единственной мере совершенствования технологий, почему лучше оптимизировать, чем максимизировать, и почему эволюция рынка поддерживает инвестиционные решения в устойчивых технологиях синтеза аммиака. .

Эволюция технологии синтеза аммиака: торжество эффективности
Щелкните, чтобы увеличить. Эта диаграмма может быть вам знакома. Он описывает одно из величайших достижений в истории человечества. Он измеряет повышение энергоэффективности технологий синтеза аммиака за последнее столетие. Он рассказывает историю Нобелевских премий, мировых войн и зеленых революций и иллюстрирует движущую силу открытия, которое спасло больше жизней на этой планете, чем любое другое.

Он начинается с процесса Биркеланда-Эйда (электрическая дуга) и процесса цианамида в начале двадцатого века и достигает процесса Габера-Боша в 1930 году (хотя он был впервые изобретен в 1914 году, 1930 год кажется подходящим временем для его измерения. как зрелая коммерческая технология). Компания Haber-Bosch сделала устаревшие более энергоемкие процессы устаревшими, но стремление к повышению эффективности на этом не остановилось. Хотя основной процесс Haber-Bosch может казаться относительно неизменным с тех пор, постоянные инкрементальные инновации в области инженерии, катализа и оптимизации привели к невообразимым ранее улучшениям. Количество энергии, необходимое для производства одной тонны аммиака сегодня, составляет лишь четверть того, что потребовалось в 1930 году.

Это действительно история великих человеческих достижений, и все же история остается незаконченной. Если есть один аспект этой диаграммы, который будет вам незнаком, это единицы энергии на оси Y. Вместо гигаджоулей (ГДж) или миллионов британских тепловых единиц (MMBtu) или любой другой традиционной единицы измерения, описывающей, сколько энергии мы получаем от сжигания ископаемого топлива, в этой диаграмме используется единица измерения, описывающая электрическую энергию, мегаватт-час. (МВтч).Этот блок полезен для взгляда в будущее.

Повышение эффективности Haber-Bosch: убывающая отдача
Щелкните, чтобы увеличить. Эта вторая диаграмма «приближает» недавние технологические усовершенствования за последние двадцать лет и на период до 2050 года. Единицы на оси Y все еще остаются МВтч, но масштаб на порядок меньше предыдущего исторического графика.

«Глобальные средние» данные взяты из текущего проекта сравнительного анализа IFA, который собирает показатели эффективности действующих заводов по производству аммиака по всему миру.Между первым эталонным тестом (2003 г.) и последним (2014 г.) потребление энергии глобальным парком аммиачных заводов упало с 10,42 МВтч до 10,00 МВтч (с 37,5 ГДж до 36 ГДж) на тонну аммиака. Каким бы впечатляющим оно ни было, оно показывает, как дальнейшее развитие Haber-Bosch приведет к уменьшающейся отдаче от инвестиций и изобретений.

Пунктирная вертикальная линия показывает диапазон высокой и низкой эффективности предприятия, зафиксированный в среднем за 2014 год. Хотя данные анонимны, высокий показатель, скорее всего, соответствует старой угольной электростанции, а низкий показатель на самом деле слишком низкий! Это, возможно, представляет собой установку, которая обходит обычные измерения эффективности, используя, например, побочный продукт водорода, без необходимости какого-либо преобразования ископаемого топлива. «Оптимальная» цифра 7,78 МВтч (28-29 ГДж) на тонну описывает новый завод по производству аммиака мирового масштаба, работающий на природном газе, построенный сегодня с использованием наилучших доступных технологий (НДТ).

Проблема становится ясной, когда мы смотрим в будущее.

IFA определяет потенциальные будущие улучшения среднемирового показателя: возможно дальнейшее снижение потребления энергии на 25%. Это может быть достигнуто путем замены старых, неэффективных станций новыми, эффективными, а также путем замены тяжелого углеводородного сырья, такого как уголь или мазут, природным газом.Эти изменения потребуют огромных инвестиций на протяжении десятилетий. И конечным результатом будет то, что глобальный парк аммиачных заводов в 2050 году будет в среднем примерно таким же эффективным, как новый завод сегодня.

В самом процессе Габера-Боша больше нет значительного потенциала для повышения энергоэффективности (см. Мое приложение ниже). Согласно IFA, подавляющее большинство будущих улучшений эффективности в «среднемировом показателе» производства аммиака будет достигнуто просто за счет замены старых заводов новыми. Технические ограничения Haber-Bosch непреодолимы. Haber-Bosch уже оптимизирован с точки зрения энергоэффективности.

Но я верю в уникальную историю отрасли - и в будущее! - новаторских инноваций, поэтому я должен спросить: достаточно ли эффективности? Наша привычка измерять производство аммиака с точки зрения энергоемкости не соответствует сути. Возможно, он был полезен в эпоху ископаемого топлива, но самого по себе показателя энергоэффективности уже недостаточно для описания будущих улучшений в портфеле технологий.

Технологии будущего: более экологичные, но не обязательно более энергоэффективные
Щелкните, чтобы увеличить. На этой диаграмме повторяются данные «глобального среднего», но с новой пунктирной линией, которая показывает энергоэффективность лучших доступных технологий (НДТ) по видам сырья согласно эталону IFA за 2009 год. При производстве аммиака на основе угля требуется больше энергии, чем при производстве аммиака на основе природного газа, тяжелого мазута и нафты. Чтобы достичь к 2050 году цели повышения энергоэффективности на 25%, все это энергоемкое сырье должно быть заменено природным газом (SMR).

Однако для сравнения я включил другой набор технологий: будущие процессы, которые могут быть доступны в 2050 году. Пунктирная линия для 2050 года показывает данные из Дорожной карты энергетики 2013 года, опубликованной Cefic («голос химической промышленности в Европе» ). Эти технологии вполне могут быть более экологичными, но не очевидно, что они более энергоэффективны. Аммиак, образующийся в результате газификации биомассы, в 2050 году будет таким же энергоемким, как и сегодняшнее производство на основе угля, но он будет нейтральным по выбросам углерода.Другие технологии, включенные в прогнозы Cefic на 2050 год, включают электролиз с использованием Haber-Bosch, электрохимические процессы, ядерный высокотемпературный паровой электролиз и Haber-Bosch с подачей природного газа с улавливанием и секвестрацией углерода (SMR CCS). Из всего этого только еще не изобретенный ядерный процесс более энергоэффективен, чем будущее производства аммиака на основе природного газа (SMR 2050).

Разница между технологическим путем, описанным IFA, и технологиями будущего, представленными Cefic, проста: диверсификация.Путь повышения энергоэффективности, при котором мы успешно сокращаем среднее глобальное потребление энергии на тонну на 25%, требует глобального парка аммиачных заводов, сконцентрированных на одной технологии и одном сырье: Haber-Bosch с природным газом. Если бы это был инвестиционный портфель (а он и есть), эту концентрацию можно было бы описать как риск. Без диверсификации аммиачная промышленность - и, следовательно, глобальная цепочка поставок продуктов питания - сталкивается с рисками, с которыми она не может ни адекватно измерить, ни бороться с ними только за счет энергоэффективности.

Следующий график - мой любимый.

Развитие аммиачных технологий: диверсификация по сырьевым материалам и процессам
Щелкните, чтобы увеличить. На этой диаграмме показаны те же данные, что и на предыдущей. Разница в том, что по оси X показана углеродоемкость для каждой технологии, а не по годам. На этой диаграмме процесс, который мог показаться «неэффективным», если рассматривать только энергии, теперь выглядит «эффективным», если мы рассматриваем как энергию, так и углерод.

С точки зрения инвестиций, эта диаграмма описывает возможность оптимизации портфеля технологий синтеза аммиака. Вместо того, чтобы просто максимизировать эффективность использования энергии, как мы делали последние сто лет, мы можем начать оптимизацию как в отношении энергоэффективности, так и эффективности использования углекислого газа одновременно. Процесс с наибольшим сокращением выбросов углерода может быть слишком энергоемким; в то же время наиболее энергоэффективный процесс может быть слишком углеродоемким.

Как и в случае любой стратегии диверсификации, этот процесс будет определяться склонностью отрасли к риску.И, как и в любой инновационной программе, будут свои преимущества и недостатки.

Первопроходцы уже действуют: в настоящее время разрабатывается не менее четырех различных демонстрационных заводов по производству зеленого аммиака, каждая из которых предлагает использовать возобновляемые источники энергии для работы электролизеров для производства водорода для традиционного цикла синтеза Габера-Боша. Хотя энергоэффективность этих проектов еще не определена, я добавил дополнительные данные в диаграмму для электролитических Haber-Bosch в 2020 году, что позволяет нам сравнить сегодняшнюю оценку практического опыта в 12 МВтч на тонну с оценкой Cefic. цифра 8.61 МВтч на тонну в 2050 году.

Эволюция рынка аммиака: вознаграждение как за углерод, так и за энергоэффективность
Существенным моментом, конечно же, является то, что углерод будет стоить дорого. В то время как аммиачная технология развивается в направлении оптимизации использования углеродной энергии, рынок аммиака должен развиваться, чтобы вознаграждать за эффективность использования углерода.

Нажмите, чтобы увеличить. Для иллюстрации вот такая же диаграмма технологий, но со знаками доллара перед единицами: $ за потребленный МВтч и $ за тонну выбросов CO 2 .

В настоящее время значения неизвестны, шкала может быть искажена, и в каждом регионе для каждого товара будут существовать разные цены. Тем не менее, если на рынке ценится и энергия, и углерод, технологии в правом верхнем углу будут менее конкурентоспособными, а технологии в левом нижнем углу будут более конкурентоспособными.

Это не означает, что стоимость углерода будет иметь отрицательный экономический эффект (например, налог на углерод). Напротив, мы с гораздо большей вероятностью увидим положительную динамику рынка, которая вознаграждает за сокращение выбросов углерода за счет повышения цены на зеленый аммиак.

ПРИЛОЖЕНИЕ:
Диаграммы в этой статье основаны на двух источниках: IFA Benchmark и Cefic.

IFA: Год эталонного теста
IFA в настоящее время собирает данные для эталонного теста 2018 года, и я настоятельно рекомендую всем операторам аммиачных заводов, не участвующих в настоящее время, принять участие. Как говорится в рекламном ролике, «настал момент стремиться к совершенству». IFA предоставляет полную информацию о том, как принять участие в Benchmark 2018.

Cefic: Энергетическая дорожная карта - Европейская химия для роста
Отчет Cefic посвящен «открытию конкурентоспособного, низкоуглеродного и энергоэффективного будущего» для европейской химической промышленности. Он содержит, в частности, две диаграммы, которые послужили основой для этой статьи.

Нажмите для увеличения. Cefic, Энергетическая дорожная карта - Европейская химия для роста, 2013 г. Первая диаграмма определяет будущую экономию энергии, возможную благодаря усовершенствованию существующей технологии синтеза аммиака.В нем подчеркивается, что, хотя эти улучшения Haber-Bosch, работающие на природном газе, технически возможны, «экономическая целесообразность не принимается во внимание».

Нажмите для увеличения. Cefic, Энергетическая дорожная карта - Европейская химия для роста, 2013 г. Вторая диаграмма иллюстрирует профиль энергопотребления технологического комплекса 2050 г., начиная с усовершенствованного процесса Haber-Bosch на природном газе в качестве исходного уровня. Различие между тремя энергозатратами (сырье, топливо и энергия) иллюстрирует преимущества измерения будущих технологий в МВтч: эти процессы не требуют сырья или топлива.

Полный 186-страничный отчет доступен на сайте Cefic.

Производство аммиака - статья энциклопедии

© Фотография предоставлена ​​Burrup Fertilizers Pty Ltd
Завод Burrup Fertilizers в Западной Австралии, который может производить 760 000 тонн жидкого аммиака в год

Производство аммиака предприятия производят основной безводный жидкий аммиак, который используется преимущественно в удобрениях, которые служат источником азота, пригодного для использования в сельском хозяйстве.Аммиак - одно из наиболее широко производимых неорганических химикатов. В промышленном мире существуют буквально десятки крупных заводов по производству аммиака, некоторые из которых производят от 2000 до 3000 тонн безводного аммиака в жидкой форме. Мировое производство в 2006 г. составило 122 000 000 метрических тонн. [1] Китай произвел 32,0% мирового производства, за ним следуют Индия с 8,9%, Россия с 8,2% и США с 6,5%. Без такого массового производства наша зависимая от сельского хозяйства цивилизация столкнется с серьезными проблемами.

История процессов производства аммиака

Перед началом Первой мировой войны большая часть аммиака была получена путем сухой перегонки азотистых продуктов растительного и животного происхождения; восстановление азотистой кислоты и нитритов водородом; и разложение солей аммония щелочными гидроксидами или негашеной известью, при этом наиболее часто используемой солью является хлорид (сали-аммиак).

Процесс Габера, который представляет собой производство аммиака путем объединения водорода и азота, был впервые запатентован Фрицем Габером в 1908 году.В 1910 году Карл Бош, работая в немецкой химической компании BASF, успешно ввел этот процесс в коммерческую эксплуатацию и получил новые патенты. Впервые он был использован в промышленных масштабах немцами во время Первой мировой войны. С тех пор этот процесс часто называют процессом Габера-Боша.

Современные заводы по производству аммиака

Типичная современная установка по производству аммиака сначала преобразует природный газ (т. Е. Метан) или СНГ (сжиженные нефтяные газы, такие как пропан и бутан) или нафту в газообразный водород.Способ получения водорода из углеводородов называется «паровой риформинг». [2] [3] [4] [5] Затем водород объединяют с азотом для получения аммиака. [6] [7]

Начиная с природного газа, для производства водорода используются следующие процессы:

  • Первым этапом процесса является удаление соединений серы из сырья, поскольку сера дезактивирует катализаторы, используемые на последующих этапах.Удаление серы требует каталитического гидрирования для превращения органических соединений серы (RSH) в исходном сырье в газообразный сероводород (H 2 S):
H 2 + RSH → RH + H 2 S (газ )
  • Затем газообразный сероводород пропускают через реактор, содержащий оксид цинка (ZnO), где он превращается в твердый сульфид цинка (ZnS) в периодическом процессе (т. Е. Когда весь оксид цинка был преобразован до сульфида цинка он удаляется и заменяется свежим оксидом цинка):
H 2 S + ZnO → ZnS + H 2 O
  • Каталитический паровой риформинг метана без серы (CH 4 ) сырье затем используется для образования окиси углерода (CO) плюс водорода (H 2 ):
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
901 75
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
  • Затем углекислый газ удаляют абсорбцией водными растворами этаноламина или адсорбцией в адсорберах с переменным давлением (PSA) с использованием фирменной твердой адсорбционной среды.0 CH 4 + H 2 O
    CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O

    Для получения желаемого конечного продукта аммиака водород затем каталитически реагирует с азотом (N 2 ). из технологического воздуха с образованием безводного жидкого аммиака (NH 3 ).Этот этап известен как «цикл синтеза аммиака» (также называемый процессом Габера-Боша):

    3H 2 + N 2 → 2NH 3

    Азот, необходимый для процесса Габера-Боша, получают одним из этих двух способов:

    • Установка каталитического парового риформинга состоит из двух секций: установки первичного риформинга и установки вторичного риформинга. При введении воздуха в установку вторичного риформинга воздух вступает в реакцию с некоторым количеством водорода, полученным в установке первичного риформинга, с образованием азота и воды: [5] [6]
    H 2 + воздух → N 2 + H 2 O

    Стадии парового риформинга, конверсии сдвига, удаления диоксида углерода и метанирования работают при абсолютном давлении примерно от 25 до 35 бар, а цикл синтеза аммиака работает при абсолютном давлении. давление в диапазоне от 60 до 180 бар в зависимости от используемой собственной конструкции.Есть много инженерных и строительных компаний, которые предлагают собственные разработки для установок синтеза аммиака. Haldor Topsoe из Дании, Technip из Франции, Uhde GmbH из Германии и Kellogg Brown & Root из США - одни из самых опытных компаний в этой области.

    Использование аммиака

    Около 80% или более произведенного аммиака используется для удобрений сельскохозяйственных культур в виде аммиака (водный раствор аммиака), сульфата аммония (NH 4 ) 2 SO 4 , фосфата аммония (NH 4 ) 3 PO 4 , нитрат аммония NH 4 NO 3 и мочевина (NH 2 ) 2 CO.Некоторый безводный жидкий аммиак также используется непосредственно в качестве удобрения.

    Аммиак также используется для:

    Проблемы безопасности с аммиаком

    Есть несколько проблем, связанных с безопасностью, связанных с безводным аммиаком и водными растворами аммиака. Это раздражитель дыхательных путей, который является очень опасным химическим веществом. [8] Выброс может произойти в результате простой промышленной или транспортной аварии, преднамеренного выброса, вызванного террористами, или неправильного обращения со стороны тех, кто использует его в незаконном синтезе метамфетаминов.

    Резервуары для хранения на фермах, используемые для распределения аммиака в качестве удобрений, называются резервуарами медсестры и содержат примерно 2500 фунтов (1134 кг) безводного аммиака, поэтому любая ферма с четырьмя или более баками медсестры должна оценить его безопасность. Фактически, Агентство по охране окружающей среды США (Агентство по охране окружающей среды США) требует проведения анализа внешних последствий (OCA) в рамках своих требований Плана управления рисками (RMP) для любого объекта, на котором хранится более 10 000 фунтов (4536 кг) безводной жидкости. аммиак или 20 000 фунтов (9 072 кг) водных растворов аммиака. [9] Требования RMP применяются к аммиачным холодильным системам или любым другим хранилищам аммиака, а также к фермам. Управление по охране труда и технике безопасности США (OSHA) установило очень похожие требования как часть правил управления безопасностью процессов (PSM) для опасных химических веществ. [10]

    При транспортировке контейнеры с аммиаком должны иметь соответствующие табло с опасными материалами, и, если соответствующее пороговое количество превышено, могут потребоваться дополнительные меры безопасности, такие как сообщение об отправке в отраслевые службы мониторинга, такие как CHEMTREC [11] или дополнительные местные агентства.Могут быть ограничения на транспортировку опасных материалов через туннели или, возможно, улицы в районах с высокой плотностью населения.

    Министерство внутренней безопасности США, ссылаясь на то, что его основная проблема связана с выделением токсичных веществ, перечисляет безводный аммиак или смеси, содержащие не менее 1 процента аммиака, при хранении в количестве 10 000 фунтов или более, как представляющее интерес химическое вещество, подпадающее под действие Риск для правил и рекомендаций Стандартов по борьбе с терроризмом на химических объектах (CFATS). [12] Организации, которые хранят или транспортируют количество, превышающее пороговое значение в 10 000 фунтов, или полагают, что они подвергаются более высокому, чем обычно, риску, должны использовать Инструмент оценки химической безопасности. [13]

    Агентство по охране окружающей среды выпустило дополнительный документ о гарантиях, в котором особое внимание уделяется хищениям аммиака. [14]

    Список литературы

    Исследователи резко сократили производство аммиака и сократили расходы

    Процесс SWAP в действии. Он эффективно превращает 90 процентов сырья в аммиак за один раз, тогда как процесс Хабера-Боша преобразует только 10 процентов. Кредит: 2019 Ёсиаки Нисибаяси

    Аммиак - бесцветный газ, необходимый для таких вещей, как удобрения - можно получить с помощью нового процесса, который намного чище, проще и дешевле, чем ведущий в настоящее время метод.Исследователи UTokyo используют легкодоступное лабораторное оборудование, перерабатываемые химикаты и минимум энергии для производства аммиака. Их процесс производства аммиака из самария и воды (SWAP) обещает сократить производство аммиака и улучшить доступ фермеров к аммиачным удобрениям во всем мире.

    В 1900 году население Земли составляло менее 2 миллиардов, тогда как в 2019 году оно превысило 7 миллиардов. Этот демографический взрыв был частично вызван быстрым прогрессом в производстве продуктов питания, в частности, широким использованием аммиачных удобрений.Источником этого аммиака был процесс Габера-Боша, и хотя некоторые говорят, что это одно из самых значительных достижений всех времен, за него приходится высокая цена.

    Процесс Haber-Bosch преобразует только 10 процентов исходного материала за цикл, поэтому его нужно запускать несколько раз, чтобы израсходовать все. Одним из таких исходных материалов является водород (H 2 ), производимый с использованием ископаемого топлива. Он химически соединен с азотом (N 2 ) при температурах около 400-600 градусов Цельсия и давлении около 100-200 атмосфер, а также при больших затратах энергии. Профессор Йошиаки Нисибаяси и его команда из Департамента системных инноваций Токийского университета надеются улучшить ситуацию с помощью своего процесса SWAP.

    «Во всем мире процесс Haber-Bosch потребляет от 3 до 5 процентов всего добываемого природного газа, что составляет около 1-2 процентов от всех мировых поставок энергии», - пояснил Нисибаяши. «Напротив, у бобовых растений есть симбиотические азотфиксирующие бактерии, которые производят аммиак при атмосферных температурах и давлениях. Мы изолировали этот механизм и реконструировали его функциональный компонент - нитрогеназу.«

    На протяжении многих лет Нисибаяси и его команда использовали лабораторные катализаторы, чтобы попытаться воспроизвести поведение нитрогеназы. Другие пытались, но их катализаторы производят от нескольких десятков до нескольких сотен молекул аммиака до истечения срока их годности. Специальный катализатор Нисибаяши на основе молибдена производит 4350 молекул аммиака примерно за четыре часа до истечения срока его годности.

    Сульфат аммония из процесса SWAP. Аммиак может найти применение в будущем в качестве носителя энергии для возобновляемых источников энергии.Кредит: 2019 Ёсиаки Нисибаяси

    «Наш процесс SWAP производит аммиак в 300-500 раз быстрее, чем процесс Хабера-Боша, и с эффективностью 90 процентов», - продолжил Нисибаяши. «Фактор гигантской экономии энергии в процессе и источниках сырья, и преимущества действительно показывают».

    Любой, у кого есть подходящие исходные материалы, может выполнить SWAP в настольной химической лаборатории, тогда как процесс Haber-Bosch требует крупномасштабного промышленного оборудования.Это могло позволить доступ тем, у кого нет средств для инвестиций в такое большое и дорогое оборудование. Сами сырье дает огромную экономию затрат и энергии.

    «Сильная мотивация заключалась в том, чтобы сделать процесс SWAP возможным в настольном масштабе. Я надеюсь, что этот процесс демократизирует производство удобрений», - сказал Нисибаяси. «Так что дело не только в начальных затратах, но и в постоянной экономии затрат и энергии на сырье. Моя команда предлагает эту идею, чтобы помочь агротехнике там, где это больше всего необходимо.«

    SWAP принимает азот (N 2 ) из воздуха, как это делает процесс Габера-Боша, но специальный катализатор на основе молибдена объединяет это с протонами (H + ) из воды и электронов (e - ) из самария (SmI 2 ). Самарий - также известный как реагент Кагана - в настоящее время добывается и используется в процессе SWAP. Однако самарий можно переработать с помощью электричества, чтобы восполнить потерянные электроны, и исследователи стремятся использовать для этого дешевые возобновляемые источники в будущем.

    «Я был приятно удивлен, когда мы обнаружили нечто столь же обычное, как вода, которая может служить источником протонов; молибденовый катализатор обычно не позволяет этого, но наш особенный», - заключил Нисибаяси. «Это первая искусственная азотфиксирующая реакция, которая достигла скорости, близкой к той, которую мы наблюдаем в природе, производимой нитрогеназой. И, как и естественный процесс, она также является пассивной, поэтому лучше для окружающей среды. Я надеюсь, что работа моей жизни может состоять в большое благо для человечества ".

    Исследование опубликовано в журнале Nature .



    Дополнительная информация: Катализируемое молибденом производство аммиака с дииодидом самария и спиртами или водой, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1134-2, www.nature.com/articles/s41586-019-1134-2 Предоставлено Токийский университет

    Ссылка : Исследователи резко сократили производство аммиака и сократили расходы (24 апреля 2019 г. ) получено 27 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2019-04-amia-production.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

    Аммиак по запросу? Альтернативный метод производства для устойчивого будущего

    Прыжок протонов играет важную роль в реакции, поскольку он активирует газообразный азот даже при низких температурах и смягчает требования жестких условий. Предоставлено: Университет Васэда.

    Наше общество как никогда нуждается в аммиаке. Химические удобрения, пластик, волокна, фармацевтические препараты, хладагенты в тепловых насосах и даже взрывчатые вещества используют аммиак в качестве сырья. Более того, недавно аммиак был предложен в качестве носителя водорода из-за высокого содержания в нем водорода.

    В процессе Габера-Боша, который является основным методом синтеза аммиака, азот реагирует с водородом с использованием металлического катализатора с образованием аммиака.Однако этот производственный процесс проводят при 200 атм и высоких температурах реакции, составляющих почти 500 ° C. Кроме того, производство аммиака требует использования большого количества природного газа, поэтому ученые искали альтернативные методы устойчивого синтеза аммиака при низкой температуре.

    В недавнем исследовании исследователи из Университета Васэда и Nippon Shokubai Co. Ltd. достигли высокоэффективного синтеза аммиака при низкой температуре с самым высоким выходом из когда-либо зарегистрированных.

    «Применяя электрическое поле к катализатору, используемому в нашем эксперименте, мы достигли эффективного мелкомасштабного процесса синтеза аммиака в очень мягких условиях», - говорит профессор Ясуси Секин из Университета Васеда.«Используя этот новый метод, мы можем собирать высокочистый аммиак в виде сжатой жидкости и открывать двери для развития заводов по производству аммиака, работающих на возобновляемых источниках энергии».

    Это исследование было опубликовано в журнале Chemical Science .

    В 1972 году было обнаружено, что катализатор рутерний (Ru) с щелочными металлами снижает температуру и давление реакции, необходимые для обработки Габера-Боша, и после этого открытия были предложены различные методы. К сожалению, скорость синтеза аммиака тормозилась кинетическими ограничениями.

    «Мы применили электрическое поле постоянного тока к катализатору Ru-CS для синтеза аммиака. Наша исследовательская группа получила чрезвычайно высокое поле аммиака примерно 30 ммоль гкат-1ч-1 с высокой производственной энергоэффективностью. Не говоря уже о том, что это было сделано в низкие температуры реакции и давление от атмосферного до 9 атм, которые можно регулировать кинетически. Потребление энергии для производства аммиака также было очень низким ».

    То, как исследователи смогли получить такие результаты, можно объяснить механизмом, называемым прыжками на поверхности протонов, уникальной поверхностной проводимостью, вызываемой электрическим полем.

    «Наши экспериментальные исследования, включая наблюдение под электронным микроскопом, измерения инфракрасной спектроскопии и тесты изотопного обмена с использованием газообразного азота, доказывают, что прыжки протонов играют важную роль в реакции, поскольку они активируют газообразный азот даже при низких температурах и смягчают требования суровых условий , - поясняет профессор Секин.

    Новый метод также устраняет препятствия при обычном синтезе аммиака, такие как отравление водородом катализаторов Ru и задержка диссоциации азота. Кроме того, результаты исследований показывают, что может быть реализовано более мелкомасштабное, более дисперсное производство аммиака, и станет возможным строительство высокоэффективных заводов по производству аммиака, работающих на возобновляемых источниках энергии. Ожидается, что такие аммиачные заводы будут производить от 10 до 100 тонн аммиака в день. Профессор Секин считает, что их выводы будут важны для будущих источников энергии и материалов.


    Открытие простого процесса производства h3 с использованием аммиака в качестве носителя.
    Дополнительная информация: Р.Манабе и др., Электрокаталитический синтез аммиака с помощью прыжков на поверхность протонов, Chem. Sci. (2017). DOI: 10.1039 / c7sc00840f Предоставлено Университет Васэда

    Ссылка : Аммиак по запросу? Альтернативный метод производства для устойчивого будущего (2017, 13 июня) получено 27 декабря 2020 с https: // физ. org / news / 2017-06-аммиак-альтернативный-производственный-метод.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

    Повышение экологичности аммиака

    Графическая иллюстрация, демонстрирующая реакцию протонированной воды с молекулами азота с образованием аммиака на границе раздела плазма-жидкость.Предоставлено: Университет Кейс Вестерн Резерв.

    Аммиак, соединение, впервые синтезированное около столетия назад, находит десятки современных применений и стал незаменимым в производстве удобрений, которые в настоящее время обеспечивают большую часть нашего глобального производства продуктов питания.

    Но хотя мы производим аммиак в больших количествах с 1930-х годов, это осуществлялось в основном на громоздких химических предприятиях, требующих огромного количества газообразного водорода из ископаемого топлива, что делает аммиак одним из самых энергоемких среди всех крупных предприятий. химикаты.

    Пара исследователей из Университета Кейс Вестерн Резерв - один эксперт в области электрохимического синтеза, другой - в области применения плазмы - работают над исправлением этого положения.

    Исследователи Джули Реннер и Мохан Шанкаран придумали новый способ получения аммиака из азота и воды при низкой температуре и низком давлении. До сих пор они успешно делали это в лаборатории без использования водорода или твердого металлического катализатора, необходимого в традиционных процессах.

    «Наш подход - электролитический процесс в плазме - совершенно новый», - сказал Мохан Шанкаран, профессор инженерных инноваций Гудрич в инженерной школе Case.

    Плазма, которую часто называют четвертым состоянием материи (помимо твердого, жидкого или газового), представляет собой ионизированные газовые облака, состоящие из положительных ионов и свободных электронов, которые придают ей уникальную способность активировать химические связи, в том числе весьма вызывающая молекула азота при комнатной температуре.

    Реннер, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, добавил, что, поскольку этот новый процесс не требует высокого давления, высокой температуры или водорода, он делает его масштабируемым - «идеальный вид технологии для гораздо меньшего предприятия, один с высоким потенциалом использования возобновляемых источников энергии.«

    Результаты их двухлетнего сотрудничества были опубликованы в этом месяце в журнале Science Advances .

    Урок истории: процесс Габера-Боша

    Практически весь коммерческий аммиак производится из азота и водорода с использованием железного катализатора при высокой температуре и давлении.

    Немецкий физико-химик Фриц Габер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 году за разработку этого процесса, который сделал производство аммиака экономически целесообразным.

    Но этот процесс стал более экономически выгодным, когда промышленный химик Карл Бош (который также получил Нобелевскую премию в 1931 году) ввел метод в крупномасштабную систему. Дальнейшему развитию процесса способствовало второе нововведение: разработка парового риформинга метана, которая сделала водород более доступным и менее дорогим.

    Итак, то, что стало известно как процесс Габера-Боша, стало глобальным методом фиксации азота и водорода для производства аммиака.

    Но Haber-Bosch никогда не был единственным подходом к фиксации азота, он был просто победителем на рубеже веков.

    Новый, старый метод подъема

    Реннер и Шанкаран воскресили элемент малоизвестного норвежского метода, предшествовавшего Haber-Bosch (процесс Биркеланда-Эйде), который вступал в реакцию с азотом и кислородом с образованием нитратов - еще одного химического вещества, которое можно использовать в сельском хозяйстве. Этот процесс проиграл Haber-Bosch в основном потому, что требовал еще большего количества энергии в виде электричества - ограниченного ресурса в начале 20 века.

    «Наш подход аналогичен электролитическому синтезу аммиака, который вызвал интерес как альтернатива Haber-Bosch, поскольку он может быть интегрирован с возобновляемыми источниками энергии», - сказал Шанкаран. «Однако, как и процесс Биркеланда-Эйда, мы используем плазму, которая требует больших затрат энергии. Электричество по-прежнему является препятствием, но в меньшей степени сейчас, а с увеличением использования возобновляемых источников энергии, возможно, оно вовсе не станет препятствием в будущем.

    «И, пожалуй, самое главное, в нашем процессе не производится газообразный водород», - сказал он. «Это было основным узким местом других электролитических подходов к образованию аммиака из воды (и азота), нежелательного образования водорода».

    В процессе Реннера-Шанкарана также не используется твердый металлический катализатор, который может быть одной из причин получения аммиака вместо водорода.

    «В нашей системе аммиак образуется на границе раздела газовой плазмы и жидкой воды на поверхности и свободно образуется в растворе», - сказал Шанкаран.

    До сих пор «настольные партии» аммиака, производимые этим дуэтом, были очень небольшими, а энергоэффективность все еще ниже, чем у Haber-Bosch. Но при постоянной оптимизации их открытие и разработка нового процесса может когда-нибудь привести к созданию более мелких и локализованных заводов по производству аммиака, использующих зеленую энергию.


    Синтез аммиака - величайшее нововведение 20 века
    Дополнительная информация: Бескаталитический высокоселективный синтез аммиака из азота и воды с помощью плазменной электролитической системы Science Advances 11 января 2019 г .: Vol.5, вып. 1, eaat5778, DOI: 10.1126 / sciadv.aat5778, advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat5778 Предоставлено Кейс Вестерн Резервный университет

    Ссылка : Сделаем аммиак более экологичным (11 января 2019 г.) получено 27 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2019-01-amia-greener.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *