Азотная промышленность
Азотная промышленность
Введение
Азотная промышленность представляет собой важнейшую отрасль химического производства, специализирующуюся на выпуске аммиака, азотной кислоты и разнообразных азотных удобрений, таких как аммиачная селитра и мочевина. На производство азотных удобрений расходуется до семидесяти пяти процентов синтезируемого аммиака и азотной кислоты. Помимо сельскохозяйственного назначения, азотная кислота широко применяется в производстве синтетических красителей, взрывчатых веществ, лаков, пластмасс и лекарственных препаратов. Кроме того, пероксид и диоксид азота используются в качестве мощных окислительных компонентов жидкого ракетного топлива, а также применяются для стерилизации семенного фонда в агропромышленном комплексе. Базовым сырьем для всей производственной цепочки отрасли выступает аммиак, который, в свою очередь, синтезируется из атмосферного азота и водорода.
Сырьевая база и производство аммиака
Основой производства аммиака является газообразный азот, извлекаемый из атмосферного воздуха, и водород. Промышленное получение водорода чаще всего осуществляется методом конверсии метана, входящего в состав природного газа. Альтернативным путем является конверсия оксида углерода с водой, в результате которой образуются углекислый газ и водород. Синтез аммиака представляет собой каталитическое соединение азота и водорода в аммиак. Перед началом процесса метан подвергается обязательной очистке от сернистых соединений, после чего проходит технологические стадии конверсии. Процесс синтеза аммиака отличается крайне высокой энергоемкостью. Для сжатия азотоводородной смеси до необходимого рабочего давления, достигающего тридцати двух атмосфер, применяются мощные турбокомпрессоры. Расход электроэнергии на производство одной тонны аммиака составляет около девятисот киловатт-часов, при этом основной объем энергии потребляется именно компрессорным оборудованием для сжатия синтез-газа.
Энерготехнологические схемы
Для повышения рентабельности и экологической безопасности производства аммиака и азотной кислоты активно применяются энерготехнологические схемы, обеспечивающие максимальное использование вторичных энергетических ресурсов. В процессе конверсии метана и последующего синтеза образуются газы с высокой температурой, тепловая энергия которых используется для генерации водяного пара в специальных котлах-утилизаторах. Полученный пар аккумулируется в паросборниках и направляется на паровые турбины, приводящие в движение компрессоры для сжатия рабочих газов. Таким образом, тепловая энергия, выделяющаяся в ходе экзотермических химических реакций, частично возвращается в производственный цикл. Дополнительная энергия может вырабатываться за счет сжигания природного газа. Современные крупные промышленные установки функционируют в режиме замкнутого энергетического баланса, где сжатие газов осуществляется преимущественно за счет теплоты самих технологических процессов.
Производство азотной кислоты
Азотная кислота производится из аммиака, очищенного воздуха и воды. Технологический процесс начинается с каталитического окисления аммиака кислородом воздуха до образования оксида азота и воды. Данная реакция протекает при температуре около девятисот градусов Цельсия в присутствии катализатора, состоящего из тончайших платино-родиевых сеток. Окисление может проводиться как при атмосферном, так и при повышенном давлении. Использование повышенного давления, достигающего семи атмосфер, позволяет значительно ускорить процесс, сократить количество абсорбционных колонн с семи-восьми до одной, а также вдвое снизить расход дорогостоящего платинового катализатора. Существуют различные модификации данного процесса, рассчитанные на рабочее давление от четырех десятых до одного мегапаскаля. Образовавшийся оксид азота подвергается дальнейшему окислению до диоксида азота. На финальной стадии происходит абсорбция диоксида азота водой с образованием конечного продукта — азотной кислоты. В процессе также образуется нестойкая азотистая кислота, которая быстро разлагается. Ключевым этапом, определяющим как производственную эффективность, так и степень воздействия на окружающую среду, является именно стадия абсорбции.
Экологические аспекты и обращение с выбросами
Азотная промышленность оказывает существенное влияние на биосферу, что требует внедрения сложного комплекса природоохранных технологий. Одной из главных экологических проблем является выброс в атмосферу оксидов азота, которые образуются в процессе производства кислоты. При попадании в атмосферный воздух они способны образовывать кислотные осадки и наносить значительный вред природным экосистемам. Для очистки отходящих газов от оксидов азота их предварительно подогревают, смешивают с природным газом или водородом и направляют в реакторы каталитической очистки, где на палладиевых, платиновых или родиевых катализаторах происходит их химическое восстановление. Также применяются современные адсорбционные методы очистки, при которых вредные примеси концентрируются на специальных сорбентах, а затем выделяются и восстанавливаются. Наиболее передовой технологией считается селективная каталитическая очистка, позволяющая аммиаку избирательно реагировать исключительно с оксидами азота с образованием экологически безопасных азота и воды.
Помимо оксидов азота, серьезную опасность представляют газовые выбросы самого аммиака, который обладает высокой токсичностью, вызывает раздражение слизистых оболочек, химические ожоги и удушье. Для эффективной очистки производственных газов от аммиака применяется его абсорбция водой или слабыми растворами кислот. Производство азотных удобрений сопровождается образованием мелких взвешенных частиц в газообразном состоянии. Попадание этих частиц в естественные пресноводные водоемы приводит к их эвтрофикации, неконтролируемому росту водной растительности и интенсивному цветению воды.
Водопотребление и очистка сточных вод
Технологические процессы в азотной промышленности отличаются крайне высоким уровнем потребления водных ресурсов. На производство одной тонны азотной кислоты расходуется около четырехсот пятидесяти килограммов воды, которая интенсивно циркулирует в абсорбционных колоннах и теплообменном оборудовании. На предприятиях повсеместно внедряются системы водоподготовки, глубокой очистки и оборотного водоснабжения, позволяющие многократно использовать водные ресурсы в замкнутом производственном цикле. При производстве аммиачной селитры образуется так называемый соковый пар, значительно загрязненный частицами удобрений. Для его очистки применяются сложные многоступенчатые системы промывателей газа, выпарных аппаратов и сепараторов, а также блоки катионитовых и анионитовых ионообменных фильтров. Очищенная таким образом вода возвращается в производственный процесс. Вода, прошедшая через абсорбционные колонны и загрязненная остаточными количествами кислоты, в обязательном порядке требует предварительного обессоливания и химической нейтрализации перед сбросом в канализацию или повторным использованием. Вода в технологических контурах регулярно подвергается тонкой фильтрации от механических примесей и обработке хлором для предотвращения размножения бактериальной микрофлоры. Строгий контроль кислотно-щелочного баланса необходим для предотвращения интенсивного коррозионного износа промышленного оборудования.