Jump to content

Производство аммиака

Производство аммиака осуществляется во всем мире, в основном на крупных производственных предприятиях, производящих 183 миллиона метрических тонн. [1] аммиака (2021 г.) ежегодно. [2] [3] Ведущими производителями являются Китай (31,9%), Россия (8,7%), Индия (7,5%) и США (7,1%). 80% и более аммиака используется в качестве удобрения . Аммиак также используется для производства пластмасс, волокон, взрывчатых веществ, азотной кислоты (посредством процесса Оствальда ) и промежуточных продуктов для красителей и фармацевтических препаратов. На долю отрасли приходится от 1% до 2% мировых выбросов CO.
2
. [4] Ежегодно по всему миру транспортируется 18–20 млн тонн газа. [5]

Сухая перегонка

[ редактировать ]

До начала Первой мировой войны большую часть аммиака получали путем сухой перегонки азотистых продуктов растительного и животного происхождения; восстановлением кислоты и нитритов водородом ; азотистой а также разложением солей аммония щелочными гидроксидами или негашеной известью , причем наиболее часто используемой солью является хлорид ( аммиачная соль ).

Блок-схема процесса синтеза аммиака

Процесс Франка – Каро

[ редактировать ]

Адольф Франк и Никодем Каро обнаружили, что азот можно фиксировать, используя тот же карбид кальция, который производится при производстве ацетилена с образованием цианамида кальция, который затем можно разделить с водой с образованием аммиака.Метод был разработан между 1895 и 1899 годами.

[6]

Процесс Биркеланда – Эйда

[ редактировать ]

Хотя, строго говоря, азот не является методом производства аммиака, его можно фиксировать, пропуская его (с кислородом) через электрическую искру.

При нагревании металлов, таких как магний, в атмосфере чистого азота образуется нитрид , который при соединении с водой образует гидроксид металла и аммиак.

Процесс Габера-Боша

[ редактировать ]
Фриц Габер , 1918 год.

Процесс Габера , [7] также называемый процессом Габера-Боша, является основным промышленным методом производства аммиака. [8] [9] Он преобразует атмосферный азот (N 2 ) в аммиак (NH 3 ) путем реакции с водородом (H 2 ) с использованием тонкоизмельченного металлического катализатора железа :

Эта реакция немного выгодна с точки зрения энтальпии , но невыгодна с точки зрения энтропии, поскольку четыре эквивалента газов-реагентов превращаются в два эквивалента газообразного продукта. В результате для продвижения реакции необходимы высокие давления и умеренно высокие температуры .

Немецкие химики Фриц Хабер и Карл Бош разработали этот процесс в первом десятилетии 20-го века, и его повышенная эффективность по сравнению с существующими методами, такими как процессы Биркеланда-Эйда и Франка-Каро, стала крупным достижением в промышленном производстве аммиака. [10] [11] [12] Процесс Хабера можно объединить с паровым риформингом для производства аммиака с использованием всего трех химических веществ: воды, природного газа и атмосферного азота. И Хабер, и Бош в конечном итоге были удостоены Нобелевской премии по химии : Хабер в 1918 году, в частности, за синтез аммиака, а Бош в 1931 году за соответствующий вклад в химию высокого давления .

Воздействие на окружающую среду

[ редактировать ]

Поскольку производство аммиака зависит от надежных поставок энергии , часто используется ископаемое топливо, что способствует изменению климата, когда оно сгорает и образует парниковые газы . [13] Производство аммиака также вводит азот в азотный цикл Земли, вызывая дисбаланс, который способствует возникновению экологических проблем, таких как цветение водорослей. [14] [15] [16] Некоторые методы производства оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, например, методы, основанные на возобновляемых источниках или ядерной энергии. [16]

Устойчивое производство

[ редактировать ]
метана Иллюстрирование входных и выходных данных пиролиза , процесса производства водорода.

Устойчивое производство возможно за счет использования экологически чистого пиролиза метана или получения водорода путем электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии . [17] С этой целью компания Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers увеличила годовую производственную мощность электролиза щелочной воды до 1 гигаватта мощности электролизера. [18]

Иллюстрирование затрат и результатов простого электролиза воды для производства водорода.

В водородной экономике часть производства водорода может быть перенаправлена ​​на использование сырья. Например, в 2002 году Исландия произвела 2000 тонн газообразного водорода путем электролиза , используя избыточную мощность своих гидроэлектростанций , в первую очередь для производства удобрений. [19] Гидроэлектростанция Веморк в Норвегии использовала излишки электроэнергии для производства возобновляемой азотной кислоты с 1911 по 1971 год. [20] требуется 15 МВтч/тонну азотной кислоты. Ту же реакцию осуществляет молния, являющаяся естественным источником растворимых нитратов. [21] Природный газ остается самым дешевым методом.

Сточные воды часто содержат большое количество аммиака. Поскольку сброс воды, содержащей аммиак, в окружающую среду наносит ущерб морской жизни, нитрификация . для удаления аммиака часто необходима [22] Это может стать потенциально устойчивым источником аммиака, учитывая его обилие. [23] Альтернативно, аммиак из сточных вод можно направить в электролизер аммиака ( электролиз аммиака ), работающий на возобновляемых источниках энергии, для производства водорода и чистой воды. [24] Электролиз аммиака может потребовать гораздо меньше термодинамической энергии, чем электролиз воды (всего 0,06 В в щелочной среде). [25]

Другим вариантом извлечения аммиака из сточных вод является использование механики цикла термической абсорбции аммиак-вода. [26] [27] Таким образом, аммиак можно регенерировать либо в виде жидкости, либо в виде гидроксида аммония. Преимущество первого состоит в том, что с ним гораздо легче обращаться и транспортировать, тогда как второй имеет коммерческую ценность при концентрации в растворе 30 процентов.

Процесс получения аммиака из угля

Производство аммиака из угля в основном практикуется в Китае, где он является основным источником. [6] Кислород из модуля воздухоразделения подается в газификатор для переработки угля в синтез-газ ( H 2 , CO, CO 2 ) и Ч 4 . Большинство газификаторов основаны на псевдоожиженном слое, который работает при давлении выше атмосферного и может использовать различное угольное сырье.

Производственные предприятия

[ редактировать ]

В середине 1960-х годов компания American Oil Co разместила в Техас-Сити, штат Техас, одноконвертерный завод по производству аммиака, спроектированный MW Kellogg , производительностью 544 тонны аммиака в день. На нем использовалась однолинейная конструкция, получившая в 1967 году «Премию Киркпатрика за достижения в области химического машиностроения». На заводе использовался четырехкорпусный центробежный компрессор для сжатия синтез -газа до давления 152 бар. Окончательное сжатие до рабочего давления 324 бар произошло в поршневой компрессор. Центробежные компрессоры для контура синтеза и холодильного оборудования обеспечили значительное снижение затрат.

Почти все заводы, построенные в период с 1964 по 1992 год, имели крупные однолинейные конструкции с производством синтез-газа при 25–35 бар и синтезом аммиака при 150–200 бар. На технологических установках Braun Purifier использовалась установка первичного или трубчатого риформинга с низкой температурой на выходе и высокой утечкой метана , чтобы уменьшить размер и стоимость установки риформинга. В установку вторичного риформинга добавляли воздух для снижения содержания метана в выходном потоке установки первичного риформинга до 1–2%. Избыточный азот и другие примеси удалялись после метанатора. Поскольку синтез-газ практически не содержал примесей, были использованы два конвертера аммиака с осевым потоком. В начале 2000 года компания Uhde разработала технологию, позволившую заводу увеличить производительность до 3300 тонн в сутки и более. Ключевым нововведением стал однопоточный контур синтеза при среднем давлении, последовательно соединенный с традиционным контуром синтеза высокого давления. [28]

Небольшие локальные заводы

[ редактировать ]

В апреле 2017 года японская компания Tsubame BHB внедрила метод синтеза аммиака, который позволил бы обеспечить экономичное производство в масштабах на 1-2 порядка ниже, чем на обычных установках с использованием электрохимического катализатора. [29] [30]

Зеленый аммиак

[ редактировать ]

В 2024 году BBC объявила, что многочисленные компании пытаются сократить на 2% глобальные выбросы углерода, вызванные использованием/производством аммиака, производя этот продукт в лабораториях. В отрасли стали называть «зеленым аммиаком». [31]

Побочные продукты и дефицит из-за простоев

[ редактировать ]

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 коммерческому CO2 дефициту , что привело к ограничению производства продуктов на основе CO2, таких как пиво и безалкогольные напитки. [32] Такая ситуация повторилась в сентябре 2021 года из-за роста оптовой цены на природный газ за год на 250-400%. [33] [34]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Исследовательская служба Конгресса. (7 декабря 2022 г.). «Потенциальная роль аммиака в низкоуглеродной экономике». Веб-сайт CRP Проверено 24 сентября 2023 г.
  2. ^ «Годовая мощность мирового производства аммиака» .
  3. ^ «Mitsubishi Heavy Industries BrandVoice: масштабирование производства аммиака для обеспечения мирового производства продовольствия» . Форбс .
  4. ^ Куп, Фермин (13 января 2023 г.). «Зеленый аммиак (и удобрения), возможно, наконец-то появится в поле зрения – и его объемы будут огромными» . ЗМЭ Наука . Проверено 21 марта 2023 г.
  5. ^ Исследовательская служба Конгресса. (7 декабря 2022 г.). «Потенциальная роль аммиака в низкоуглеродной экономике». Веб-сайт CRP Проверено 24 сентября 2023 г.
  6. ^ Jump up to: а б «Введение в производство аммиака» . www.aiche.org . 08.09.2016 . Проверено 19 августа 2021 г.
  7. ^ Габерс – химический процесс . Индия: публикации Ариханта. 2018. с. 264. ИСБН  978-93-131-6303-9 .
  8. ^ Аппл, М. (1982). «Процесс Габера-Боша и развитие химической технологии». Век химической инженерии . Нью-Йорк: Пленум Пресс. стр. 29–54. ISBN  978-0-306-40895-3 .
  9. ^ Аппл, Макс (2006). «Аммиак». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a02_143.pub2 . ISBN  978-3527306732 .
  10. ^ Смиль, Вацлав (2004). Обогащение Земли: Фриц Хабер, Карл Бош и трансформация мирового производства продуктов питания (1-е изд.). Кембридж, Массачусетс: Массачусетский технологический институт. ISBN  978-0-262-69313-4 .
  11. ^ Хагер, Томас (2008). Алхимия воздуха: еврейский гений, обреченный магнат и научное открытие, которое накормило мир, но способствовало возвышению Гитлера (1-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Книги Гармонии. ISBN  978-0-307-35178-4 .
  12. ^ Ситтиг, Маршалл (1979). Промышленность удобрений: процессы, контроль загрязнения и энергосбережение . Noyes Data Corp. Парк-Ридж, Нью-Джерси: ISBN  978-0-8155-0734-5 .
  13. ^ Майер, Патрисия; Рамирес, Адриан; Пеццелла, Джузеппе; Зима, Бенедикт; Сарати, С. Мани; Гаскон, Хорхе; Бардоу, Андре (18 августа 2023 г.). «Производство синего и зеленого аммиака: технико-экономическая перспектива и оценка жизненного цикла» . iScience . 26 (8): 107389. Бибкод : 2023iSci...26j7389M . дои : 10.1016/j.isci.2023.107389 . ПМЦ   10404734 . ПМИД   37554439 .
  14. ^ Глиберт, Патрисия М; Марангер, Роксана; Собота, Дэниел Дж; Бауман, Лекс (1 октября 2014 г.). «Связь Хабер-Бош – вредное цветение водорослей (HB – HAB)» . Письма об экологических исследованиях . 9 (10): 105001. Бибкод : 2014ERL.....9j5001G . дои : 10.1088/1748-9326/9/10/105001 . ISSN   1748-9326 .
  15. ^ Эрисман, Ян Виллем; Галлоуэй, Джеймс Н.; Зейцингер, Сибил; Бликер, Альберт; Дайс, Нэнси Б.; Петреску, AM Роксана; Лич, Эллисон М.; де Врис, Вим (5 июля 2013 г.). «Последствия человеческой модификации глобального азотного цикла» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 368 (1621): 20130116. doi : 10.1098/rstb.2013.0116 . ISSN   0962-8436 . ПМЦ   3682738 . ПМИД   23713116 .
  16. ^ Jump up to: а б Ли, Ифэй; Чжан, Цзунъюэ; Ван, Цинжуй; Лонг, Сянтао; Цао, Ювэй; Ян, Хайпин; Ян, Цин (01 ноября 2023 г.). «Азотный и углеродный следы синтеза аммиака в Китае на основе оценки жизненного цикла» . Журнал экологического менеджмента . 345 : 118848. doi : 10.1016/j.jenvman.2023.118848 . ISSN   0301-4797 . ПМИД   37660421 .
  17. ^ Ламберс, Брок (2022). «Математическое моделирование и моделирование термокаталитического разложения метана для экономически выгодного производства водорода» . Международный журнал водородной энергетики . 47 (7): 4265–4283. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.11.057 . S2CID   244814932 . Проверено 16 марта 2022 г.
  18. ^ «Электролиз воды > Продукция > Дом» . Ухде Инженеры по хлору . Архивировано из оригинала 19 октября 2021 г. Проверено 8 декабря 2021 г.
  19. ^ «Исландия начинает энергетическую революцию» . Новости Би-би-си. 2001-12-24. Архивировано из оригинала 7 апреля 2008 года . Проверено 23 марта 2008 г.
  20. ^ Брэдли, Дэвид (6 февраля 2004 г.). «Большой потенциал: Великие озера как региональный источник возобновляемой энергии» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 октября 2008 года . Проверено 4 октября 2008 г.
  21. ^ Карл Фишер; Уильям Э. Ньютон (2002). Дж. Дж. Ли (ред.). Азотфиксация на тысячелетии . Эльзевир. стр. 2–3 . ISBN  978-0-444-50965-9 .
  22. ^ «СтекПуть» . www.waterworld.com . Март 2010.
  23. ^ Хуан, Цзянинь; Канканамге, Надика Ратнаяке; Чоу, Кристофер; Уэлш, Дэвид Т.; Ли, Тяньлин; Тисдейл, Питер Р. (январь 2018 г.). «Очистка аммиака из воды и сточных вод с помощью экономичных адсорбентов: обзор». Журнал наук об окружающей среде . 63 : 174–197. дои : 10.1016/j.jes.2017.09.009 . ПМИД   29406102 .
  24. ^ Мутувел, Мадхиванан; Ботте, Жерардин Дж. (2009). «Тенденции в электролизе аммиака». Современные аспекты электрохимии, № 45 . Том. 45. стр. 207–245. дои : 10.1007/978-1-4419-0655-7_4 . ISBN  978-1-4419-0654-0 .
  25. ^ Гвак, Джиен; Чон, Мёнхун; Ли, Джеён (февраль 2016 г.). «Щелочной электролиз аммиака на электроосажденной платине для контролируемого производства водорода». ChemSusChem . 9 (4): 403–408. Бибкод : 2016ЧСЧ...9..403Г . дои : 10.1002/cssc.201501046 . ПМИД   26530809 .
  26. ^ Лин, П.; Ван, Р.З.; Ся, ZZ; Ма, К. (июнь 2011 г.). «Цикл поглощения аммиака и воды: перспективный способ транспортировки низкопотенциальной тепловой энергии на большие расстояния» . Международный журнал низкоуглеродных технологий . 6 (2): 125–133. дои : 10.1093/ijlct/ctq053 .
  27. ^ Шокати, Насер; Ханахмадзаде, Салах (август 2018 г.). «Влияние различных комбинаций аммиачно-водного цикла Ренкина и абсорбционного холодильного цикла на экзергоэкономические показатели когенерационного цикла». Прикладная теплотехника . 141 : 1141–1160. Бибкод : 2018AppTE.141.1141S . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2018.06.052 . S2CID   115749773 .
  28. ^ «Двухдавленный процесс от Удэ-туковых заводов» . Промышленные решения (на немецком языке) . Проверено 8 декабря 2021 г.
  29. ^ «Профессора Ajinomoto Co., Inc., UMI и Токийского технологического института создают новую компанию для внедрения первого в мире производства аммиака на месте» . Аджиномото . 27 апреля 2017 года . Проверено 22 ноября 2021 г.
  30. ^ «Технологии/Введение в бизнес» . Цубаме БХБ . 27 апреля 2017 года . Проверено 22 ноября 2021 г.
  31. ^ Баранюк, Крис (27 февраля 2024 г.). «Почему фирмы спешат производить зеленый аммиак» . Новости Би-би-си .
  32. ^ «Именно поэтому у нас заканчивается выброс CO2 для производства пива и мяса» . iNews . 28 июня 2018 г.
  33. ^ «Почему существует нехватка CO2 и как это отразится на запасах продовольствия?» . Новости Би-би-си . 20 сентября 2021 г. Проверено 21 сентября 2021 г.
  34. ^ «Газовый кризис: ни единого шанса, что свет погаснет, заявляет правительство» . Новости Би-би-си . 20 сентября 2021 г. Проверено 21 сентября 2021 г.

Цитируемые работы

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2680bc0a2b907cf1bf537e22bc83555c__1712501100
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/26/5c/2680bc0a2b907cf1bf537e22bc83555c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ammonia production - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)