Produkce amoniaku - Ammonia production

Amoniak je jednou z nejvíce vyráběných anorganických chemikálií. Existuje mnoho rozsáhlých výroba čpavku závody po celém světě, které produkují celkem 144 milionů tun dusíku (ekvivalent 175 milionů tun amoniaku) v roce 2016.[1] Čína vyprodukovala 31,9% celosvětové produkce, následovalo Rusko s 8,7%, Indie s 7,5% a USA se 7,1%. 80% nebo více vyrobeného amoniaku se používá k hnojení zemědělských plodin. Amoniak se také používá k výrobě plastů, vláken, výbušnin, kyseliny dusičné (prostřednictvím Ostwaldův proces ) a meziprodukty pro barviva a farmaceutika.

Dějiny

Před začátkem roku první světová válka, většina amoniaku byla získána suchým způsobem destilace dusíkatých rostlinných a živočišných produktů; snížením kyselina dusitá a dusitany s vodík; a také rozkladem amonných solí alkalickými hydroxidy nebo nehasené vápno, přičemž nejčastěji používanou solí je chlorid (sal-amoniak ).

Dnes většinu amoniaku vyrábí ve velkém měřítku Haberův proces s kapacitou až 3 300 tun denně. V tomto procesu N2 a H2 plyny mohou reagovat při tlaku 200 bar.

Moderní závody na výrobu čpavku

Blokové vývojové schéma procesu syntézy amoniaku

Typická moderní továrna na výrobu amoniaku se nejprve přemění zemní plyn (tj., metan ) nebo LPG (zkapalněné ropné plyny jako např propan a butan ) nebo ropa nafta do plynného vodík. Způsob výroby vodíku z uhlovodíky je známý jako parní reformování.[2] Vodík se potom spojí s dusíkem za vzniku amoniak prostřednictvím procesu Haber-Bosch.

Počínaje a zemní plyn surovina, procesy používané při výrobě vodíku jsou:

  • Prvním krokem v procesu je odstranění síra sloučeniny ze suroviny, protože síra deaktivuje katalyzátory použit v následujících krocích. Odstranění síry vyžaduje katalytické hydrogenace převádět sloučeniny síry v surovinách na plynné sirovodík:
H2 + RSH → RH + H2S (plyn)
H2S + ZnO → ZnS + H2Ó
CH4 + H2O → CO + 3H2
CO + H2O → CO2 + H2
  • Oxid uhličitý se poté odstraní buď absorpcí ve vodě ethanolamin řešení nebo adsorpcí v adsorpční zařízení s kolísáním tlaku (PSA) využívající proprietární pevná adsorpční média.
  • Posledním krokem při výrobě vodíku je použití katalytické methanace k odstranění jakéhokoli malého zbytkového množství oxidu uhelnatého nebo oxidu uhličitého z vodíku:
CO + 3H2 → CH4 + H2Ó
CO2 + 4H2 → CH4 + 2 hodiny2Ó

K výrobě požadovaného konečného produktu amoniaku se vodík poté katalyticky nechá reagovat s dusíkem (odvozeným od procesního vzduchu) za vzniku bezvodého kapalného amoniaku. Tento krok je známý jako smyčka syntézy amoniaku (označovaná také jako Haber-Bosch proces):

3H2 + N2 → 2NH3

Vzhledem k povaze katalyzátoru (obvykle vícepropagovaného magnetitu) použitého při syntéze amoniaku, jen velmi nízké hladiny kyslíku (zejména CO, CO2 a H2O) sloučeniny lze tolerovat v syntézním plynu (směs vodíku a dusíku). Relativně čistý dusík lze získat pomocí separace vzduchu, ale může být nutné další odstranění kyslíku.

Vzhledem k relativně nízkým konverzním poměrům při jednom průchodu (obvykle méně než 20%) je vyžadován velký recyklační proud. To může vést k hromadění inertů ve smyčkovém plynu.

Parní reformování, směnová konverze, odstranění oxidu uhličitého a methanační kroky fungují každý při absolutních tlacích asi 25 až 35 barů a smyčka syntézy amoniaku pracuje při absolutních tlacích v rozmezí od 60 do 180 barů v závislosti na tom, jaký je použit vlastní design. Existuje mnoho inženýrských a stavebních společností, které nabízejí proprietární návrhy pro závody na syntézu amoniaku. Haldor Topsoe Dánska, Thyssenkrupp Industrial Solutions GmbH z Německa, Ammonia Casale ze Švýcarska a Kellogg Brown & Root USA patří mezi nejzkušenější společnosti v této oblasti.

Udržitelná produkce amoniaku

Další informace: Haberův proces § Ekonomické a environmentální aspekty

Produkce amoniaku závisí na bohatých zásobách energie, převážně zemní plyn. Kvůli kritické roli amoniaku v intenzivní zemědělství a dalších procesů je žádoucí udržitelná výroba. To je možné pomocí obnovitelná energie generovat vodík pomocí elektrolýza z vody. To by bylo v a vodíkové hospodářství přesměrováním určité výroby vodíku z paliva na použití suroviny. Například v roce 2002 Island vyrobil 2 000 tun plynného vodíku elektrolýzou, využívající přebytečnou výrobu elektřiny z hydroelektrický rostlin, zejména na výrobu čpavku pro hnojiva.[3] The Vemork vodní elektrárna v Norsku využila svůj přebytek elektřiny na generovat obnovitelnou kyselinu dusičnou od roku 1911 do roku 1971,[4] vyžadující 15 MWh / tunu kyseliny dusičné. Stejná reakce se provádí bleskem, což poskytuje přirozený zdroj pro přeměnu atmosférického dusíku na rozpustné dusičnany.[5] V praxi zůstane zemní plyn hlavním zdrojem vodíku pro výrobu amoniaku, pokud bude nejlevnější.

Odpadní voda je často vysoký obsah amoniaku. Protože vypouštění vody s obsahem amoniaku do životního prostředí může způsobit problémy, dokonce i v čistírnách odpadních vod, nitrifikace je často nutné odstranit amoniak.[6] To může být v budoucnu potenciálně udržitelným zdrojem amoniaku kvůli jeho množství a potřebě stejně jej vyjměte z vody.[7] Alternativně je amoniak z odpadních vod odesílán do amoniakového elektrolyzéru (amoniaková elektrolýza), který pracuje s obnovitelnými zdroji energie (solární fotovoltaika a větrná turbína) za účelem výroby vodíku a čisté upravené vody.[8] Elektrolýza amoniaku může vyžadovat mnohem méně termodynamické energie než elektrolýza vodou (pouze 0,06 V v alkalickém prostředí).[9]

Další možností zpětného získávání amoniaku z odpadních vod je použití mechaniky cyklu absorpce amoniak-voda.[10][11] Pomocí této možnosti lze amoniak získat zpět buď jako kapalinu, nebo jako hydroxid amonný. Výhodou prvního je, že je mnohem snazší manipulovat a přepravovat, zatímco druhý má také komerční hodnotu, když se vytvoří koncentrace 30% hydroxidu amonného v roztoku.

Vedlejší produkty

Jedním z hlavních průmyslových vedlejších produktů výroby amoniaku je CO2. V roce 2018 měly vysoké ceny ropy za následek prodloužené letní odstávky evropských továren na amoniak, které způsobily reklamu CO2 nedostatek, čímž se omezuje výroba sycených nápojů, jako je pivo a šumivé nealkoholické nápoje.[12]

Viz také

Reference

  1. ^ Publikace geologické služby USA
  2. ^ Twygg, Martyn V. (1989). Příručka pro katalyzátory (2. vyd.). Oxford University Press. ISBN  978-1-874545-36-1.
  3. ^ „Island zahajuje energetickou revoluci“. BBC novinky. 2001-12-24. Archivovány od originál dne 7. dubna 2008. Citováno 2008-03-23.
  4. ^ Bradley, David (06.02.2004). „Velký potenciál: Velká jezera jako regionální obnovitelný zdroj energie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 29. října 2008. Citováno 2008-10-04.
  5. ^ Karl Fisher; William E. Newton (2002). G. J. Leigh (ed.). Fixace dusíku v tisíciletí. Elsevier. str.2 –3. ISBN  978-0-444-50965-9.
  6. ^ http://www.waterworld.com/articles/print/volume-26/issue-3/editorial-features/addressing-the-challenge.html
  7. ^ Huang, Jianyin; Kankanamge, Nadeeka Rathnayake; Chow, Christopher; Welsh, David T .; Li, Tianling; Teasdale, Peter R. (leden 2018). „Odstranění amonia z vody a odpadních vod pomocí nákladově efektivních adsorbentů: recenze“. Journal of Environmental Sciences. 63: 174–197. doi:10.1016 / j.jes.2017.09.009. PMID  29406102.
  8. ^ Muthuvel, Madhivanan; Botte, Gerardine G (2009). "Trendy v elektrolýze amoniaku". Moderní aspekty elektrochemie, č. 45. Moderní aspekty elektrochemie. 45. 207–245. doi:10.1007/978-1-4419-0655-7_4. ISBN  978-1-4419-0654-0.
  9. ^ Gwak, Jieun; Choun, Myounghoon; Lee, Jaeyoung (únor 2016). „Elektrolýza alkalického amoniaku na elektrodem nanesené platině pro kontrolovatelnou výrobu vodíku“. ChemSusChem. 9 (4): 403–408. doi:10.1002 / cssc.201501046. PMID  26530809.
  10. ^ Lin, P .; Wang, R.Z .; Xia, Z.Z .; Ma, Q. (červen 2011). „Cyklus absorpce amoniak – voda: perspektivní způsob přenosu nízké tepelné energie na velkou vzdálenost“. International Journal of Low-Carbon Technologies. 6 (2): 125–133. doi:10.1093 / ijlct / ctq053.
  11. ^ Shokati, Naser; Khanahmadzadeh, Salah (srpen 2018). „Vliv různých kombinací Rankinova amoniak-voda a absorpčních chladicích cyklů na exergoekonomickou výkonnost kogeneračního cyklu“. Aplikovaná tepelná technika. 141: 1141–1160. doi:10.1016 / j.applthermaleng.2018.06.052.
  12. ^ „To je přesně důvod, proč nám dochází CO2 na výrobu piva a masa.“. iNews. 2018-06-28.

externí odkazy