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]
История
[ редактировать ]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 ).

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.
Процесс Биркеланда – Эйда
[ редактировать ]Хотя, строго говоря, азот не является методом производства аммиака, его можно фиксировать, пропуская его (с кислородом) через электрическую искру.
Нитриды
[ редактировать ]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 ]
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 ]
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]

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.
Уголь
[ редактировать ]
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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Исследовательская служба Конгресса. (7 декабря 2022 г.). «Потенциальная роль аммиака в низкоуглеродной экономике». Веб-сайт CRP Проверено 24 сентября 2023 г.
- ^ «Годовая мощность мирового производства аммиака» .
- ^ «Mitsubishi Heavy Industries BrandVoice: масштабирование производства аммиака для обеспечения мирового производства продовольствия» . Форбс .
- ^ 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.
- ^ Исследовательская служба Конгресса. (7 декабря 2022 г.). «Потенциальная роль аммиака в низкоуглеродной экономике». Веб-сайт CRP Проверено 24 сентября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б «Введение в производство аммиака» . www.aiche.org . 08.09.2016 . Проверено 19 августа 2021 г.
- ^ Габерс – химический процесс . Индия: публикации Ариханта. 2018. с. 264. ИСБН 978-93-131-6303-9 .
- ^ 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 .
- ^ Аппл, Макс (2006). «Аммиак». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a02_143.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Ситтиг, Маршалл (1979). Промышленность удобрений: процессы, контроль загрязнения и энергосбережение . Noyes Data Corp. Парк-Ридж, Нью-Джерси: ISBN 978-0-8155-0734-5 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ «Электролиз воды > Продукция > Дом» . Ухде Инженеры по хлору . Архивировано из оригинала 19 октября 2021 г. Проверено 8 декабря 2021 г.
- ^ «Исландия начинает энергетическую революцию» . Новости Би-би-си. 2001-12-24. Архивировано из оригинала 7 апреля 2008 года . Проверено 23 марта 2008 г.
- ^ 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.
- ^ Карл Фишер; Уильям Э. Ньютон (2002). Дж. Дж. Ли (ред.). Азотфиксация на тысячелетии . Эльзевир. стр. 2–3 . ISBN 978-0-444-50965-9 .
- ^ «СтекПуть» . www.waterworld.com . Март 2010.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Двухдавленный процесс от Удэ-туковых заводов» . Промышленные решения (на немецком языке) . Проверено 8 декабря 2021 г.
- ^ «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.
- ^ «Технологии/Введение в бизнес» . Цубаме БХБ . 27 апреля 2017 года . Проверено 22 ноября 2021 г.
- ^ Баранюк, Крис (27 февраля 2024 г.). «Почему фирмы спешат производить зеленый аммиак» . Новости Би-би-си .
- ^ «Именно поэтому у нас заканчивается выброс CO2 для производства пива и мяса» . iNews . 28 июня 2018 г.
- ^ «Почему существует нехватка CO2 и как это отразится на запасах продовольствия?» . Новости Би-би-си . 20 сентября 2021 г. Проверено 21 сентября 2021 г.
- ^ «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 ]- Кларк, Джим (апрель 2013 г.) [2002]. «Габеровский процесс» . Проверено 15 декабря 2018 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Современная индустрия производства водорода
- Энергопотребление и энергоемкость химической промышленности США. Архивировано 30 сентября 2018 г. в Wayback Machine , отчет LBNL-44314, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (прокрутите вниз до страницы 39 из 40 страниц PDF, чтобы увидеть список заводов по производству аммиака в США. Штаты)
- Аммиак: следующий шаг включает подробную технологическую схему .
- описание технологической схемы установки по производству аммиака с тремя элементами управления. Краткое