Что такое реактор по технологии аммиака? Принципы, дизайн и применение

Принципы, конструкция и применение

Отвечая на главный вопрос:Что такое реактор с технологиями аммиака, и как процесс синтеза Габер-Бош производит аммиак из азота и водорода?An ammonia technology reactor is a high-pressure catalytic synthesis vessel that converts nitrogen (N2) and hydrogen (H2) into ammonia (NH3) via the exothermic equilibrium reaction N2 + 3H2 <-> 2NH3 (delta-H_r = -92Промышленный процесс Хабер-Бош работает при 150-350 бар и 400-500C с использованием продвинутого катализатора железа (Fe с промоторами K2O и Al2O3,площадь поверхности 10-20 м2/г) или катализатор на основе рутения (Ru на углеродной или MgO-основе), 2-5x более высокая активность). конверсия в проходе составляет 15-25% из-за ограничений термодинамического равновесия при высокой температуре, необходимой для приемлемой кинетики реакции.аммиак конденсируется и отделяется (при -25C и 150 бар)Мировое производство аммиака превышает 180 миллионов тонн в год, потребляя 28-35 GJ на тонну NH3 (1-2% мировой энергии).Развивающаяся технология зеленого аммиака использует возобновляемый водород (электролиз) и синтез на ветровой/солнечной энергии для декарбонизации удобрений и применения для хранения энергии.

1Принципы синтеза основного аммиака и термодинамика

Проектирование реактора с использованием технологии аммиака регулируется тремя термодинамическими и кинетическими принципами:

• Термодинамическое равновесие и эффект Ле ШательераРеакция синтеза аммиака N2 + 3H2 <-> 2NH3 является экзотермической (дельта-H = -92,4 кДж/моль при 450C) и приводит к получению 4 молов реагентов, образующих 2 мола продукта.высокое давление смещает равновесие в сторону аммиака (менее молов газа)При 200 барах и 450 °C равновесная концентрация аммиака составляет приблизительно 16% (космическая скорость 15 000 ч-1).равновесие достигает 25%Однако кинетика реакции требует минимум 400-500C для энергии активации катализатора железа (Ea = 170 kJ/mol для диссоциации N2 на поверхности Fe),создание фундаментального напряжения между равновесием (низкий T) и кинетикой (высокий T), который определяет оптимальное рабочее окно.
• Механизм катализатора и эффект стимулятораТрехкратно продвигаемый катализатор железа (магнетит Fe3O4 уменьшенный до альфа-Fe с K2O в качестве электронного промотора, Al2O3 в качестве структурного промотора,и CaO в качестве фактурного промотора) активирует N2 через дисоциативную химиоссорбцию на кристаллических поверхностях Fe ((111)Установляющий скорость этап - диссоциативная адсорбция N2 (Ea = 170 kJ/mol); последующее гидрогенизирование N* в NH* в NH2* в NH3* происходит быстро.Алюминий предотвращает синтерирование железа при 400-500C, образуя поверхностный спинельный барьер, сохраняя площадь поверхности 10-20 м2/г в течение более 10 лет эксплуатации.2-5 мас. % Ru) проявляют 2-5 раз более высокую активность при более низких давлениях (80-100 бар), но стоят в 100-1000 раз дороже железа, ограничивая его использование модернизацией процессов Kellogg Braun KAAP.
• Конструкция преобразователя управления теплом и гашенияДля поддержания оптимальной температуры необходимо удалить экзотермическую реакцию (-92,4 кДж/моль, эквивалент 2,7 ГДж на тонну НГ3).Kellogg Braun) вводить холодный синтезный газ (4H2:N2) между катализаторными ложами для поглощения тепла, с 3-4 ложами и межположной тушением, достигая 12-18% конверсии на проход;Casale) используют внутренние теплообменники между кроватями для контроля температурыВ результате высокого давления (100-120 бар, 480 °C) в качестве ценного побочного продукта образуется высокотемпературный пар.выход 500-520C (максимальная температура катализатора)Последующие кровати при более низких температурах приближаются к равновесию.

2Основные типы реакторов технологии аммиака

Промышленные реакторы синтеза аммиака классифицируются по внутренней схеме потока и методу охлаждения:

• Преобразователь аксиального потока (Kellogg Braun)Синтезный газ течет вниз через 3-4 катализаторных слоя (высота каждого 1-2 м, общее количество катализатора на конвертер 60-80 м3) с впрыском газа для тушения между слоями.Размер частиц катализатора 6-10 мм (для понижения давления), ~0,5 МПа по каждому кровати). конверсия по прохождению 12-16%, в целом с циклом переработки 98%. рабочее давление 150-200 бар, температура 380-520C.Конструкция тушения проще и дешевле, чем косвенное охлаждение, но меньше конверсии на проходСтандарт в крупномасштабных заводах по производству удобрений (1000-3000 т/день NH3 на конвертер).
• Конвертер радиального потока с косвенным охлаждением (Haldor Topsoe S-200)Газ течет радиально через тонкие слои катализатора (0,3-0,6 м толщины) от центра к внешнему кольцу, позволяя небольшим частицам катализатора (1,5-3 мм) с низким падением давления (<0,3 МПа) из-за большой площади потока.Внутренние теплообменники между ложами вырабатывают пар 100-120 бар и контролируют температуру выхода ложа до 480-500 °C. Преобразование на проход 18-22%, выше, чем в конструкциях тушения.Меньший размер частиц увеличивает коэффициент эффективности катализатора с 0.3 (10 мм) до 0,8 (3 мм), уменьшая требуемый объем катализатора на 40%.
• Рутениевый катализатор (KAAP, Kellogg Advanced Ammonia Process)Использует катализатор Ru/MgO или Ru/активированного углерода (2-5 мас. % Ru) при более низком давлении (80-100 бар) и 350-450C.Более высокая внутренняя активность катализатора Ru (2-5x Fe) компенсирует термодинамически менее благоприятное низкое давлениеПроцесс KAAP используется в однополосных крупных заводах по производству аммиака (2000-5000).000 т/день) для снижения энергии сжатия на 25-30% (нижее давление = меньшая мощность компрессора синтезного газа)Общее потребление энергии: 25-28 GJ/t NH3 (против 33-35 GJ/t для обычного Fe при 150-200 бар).

Типы реакторов по технологии аммиака Сравнительная матрица

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос: Что такое процесс Хабер-Бош и почему он требует высокого давления?

Ответ: Процесс Хабера-Боша синтезирует аммиак из азота и водорода (N2 + 3H2 -> 2NH3, дельта-H = -92,4 кДж/моль при 450 °С).Требуется высокое давление (150-350 бар), поскольку реакция производит меньше молов газа (4 мола реагентов -> 2 мола продукта)При 200 барах и 450 градусах Цельсия концентрация аммиака в равновесии составляет приблизительно 16%; при 350 барах - 25%.кинетика реакции требует 400-500C для энергии активации катализатора железа (Ea = 170 kJ/mol для диссоциации N2 на Fe), создавая напряжение между равновесием (низкий T) и кинетикой (высокий T), которое определяет рабочее окно.

Вопрос: Каков состав железного катализатора, используемого при синтезе аммиака?

A: Стандартный катализатор синтеза аммиака - тройно-промодированный магнетит (Fe3O4), редуцированный in situ до альфа-Fe. Состав: 80-90% Fe (как Fe3O4 до редуцирования), 2-4% K2O (электронный промотор,увеличивает плотность электронов на поверхности Fe, усиливая химиосорбцию N2), 2-5% Al2O3 (структурный промотор, предотвращает синтезацию Fe при 400-520 °C путем образования поверхностного спинельного барьера, поддерживая поверхность 10-20 м2/г в течение 10+ лет),и 1-3% CaO (текстуральный промотор), увеличивает объем пор) катализатор получают путем слияния оксида железа с промоторами при температуре 1500 °C, измельчения и фильтрации до частиц 1,5-10 мм,и уменьшается синтезным газом (H2 + N2) при запуске в течение 50-100 часов.

Вопрос: Что такое зеленый аммиак и чем он отличается от обычного производства аммиака?

A: Зелёный аммиак производится с использованием возобновляемого водорода (из электролиза воды на ветровой/солнечной/гидроэнергии) вместо водорода, полученного из ископаемого топлива (из метанового преобразования природного газа).Обычный серый аммиак выделяет 10,8-2,5 т СО2 на т НГ3 (SMR + Haber-Bosch). Зеленый аммиак снижает выбросы почти до нуля (только N2 из воздуха, без СО2 от производства водорода).Технология реактора синтеза одинакова (Fe или Ru катализатор, 80-350 бар, 400-500C), но передний конец отличается: электролиз (PEM или щелочный, 1-5 МВт на т / д NH3) заменяет SMR, а устройство разделения воздуха (криогенная дистилляция или PSA) обеспечивает N2.Зелёный аммиак предназначен для: декарбонизация удобрений, водородный носитель (NH3 имеет 17,6% массы H2, жидкость при -33C или 8,6 бар) и морское топливо (двигатели на аммиаке, нулевой CO2).

Вопрос: Почему преобразование на проход в синтезе аммиака составляет только 15-25% и как достигается общее преобразование?

Ответ: преобразование на проход ограничено 15-25% из-за того, что термодинамическое равновесие при 400-500C (требуется для кинетики катализатора) не благоприятствует полному преобразованию.концентрация аммиака в равновесии составляет только 16%Для достижения общего преобразования выше 95% цикл синтеза аммиака использует: 1) систему переработки газа, которая передает нереагированный N2 + H2 обратно в входный блок реактора после удаления аммиака,(2) стадия конденсации аммиака, при которой сток реактора охлаждается до -25 °C при 150 барах (или охлаждается водой при > 200 барах), конденсируя 80-90% произведенного аммиака, и (3) поток очистки (5-10% от переработки) для предотвращения накопления инертных газов (Ar, CH4) из подачи синтеза.Компрессор для переработки обрабатывает 4-6 раз скорость потока свежей пищи.