Как делают азотные удобрения: от природного газа до гранул аммиачной селитры
Азотные удобрения производят из атмосферного азота и природного газа. Сначала из газа получают водород, затем связывают его с азотом воздуха в аммиак, а из аммиака синтезируют конечные продукты: аммиачную селитру, карбамид (мочевину) или азотно-сульфатные смеси. Весь процесс требует высоких давлений и температур, поэтому производство сосредоточено на крупных химических заводах.
Откуда берётся азот и водород
Атмосферный воздух содержит около 78% азота, однако молекула N2 исключительно прочна и почти не вступает в химические реакции при обычных условиях. Для связывания азота нужен водород. Его получают методом парового риформинга природного газа: смесь метана и водяного пара при температуре 850-900 градусов и давлении 25-35 бар проходит через никелевый катализатор в трубчатых реакторах. Реакция даёт синтез-газ — смесь водорода, монооксида углерода и углекислого газа. Монооксид углерода реагирует с паром в конверторе, выделяя дополнительный водород. Углекислый газ затем улавливают и используют для синтеза карбамида, чтобы исключить его выброс в атмосферу.
Азот выделяют из воздуха в блоке разделения: воздух охлаждают до жидкого состояния (минус 196 градусов), а затем фракционной перегонкой разделяют на азот, кислород и аргон. Очищенный азот подают в колонну синтеза аммиака.
Синтез аммиака по методу Габера-Боша
Реакция образования аммиака из азота и водорода обратима: при высоком давлении и умеренной температуре равновесие смещается в сторону продукта. На практике процесс ведут при давлении 150-300 атмосфер и температуре 400-500 градусов над железным катализатором с добавками оксидов калия и алюминия. За один проход через колонну аммиак образуется только на 15-25% от теоретического выхода, поэтому непрореагировавшую смесь возвращают по замкнутому контуру после отделения аммиака конденсацией. Готовый жидкий аммиак (температура кипения минус 33 градуса) хранят в изотермических резервуарах при атмосферном давлении.
Синтез аммиака энергоёмок: на производство одной тонны уходит около 7-9 Гкал тепла. Современные заводы рекуперируют значительную часть теплоты реакции для нагрева входящих потоков и выработки пара, достигая энергоэффективности 85-90%.
Производство аммиачной селитры и карбамида
Аммиачную селитру (нитрат аммония, NH4NO3) получают нейтрализацией азотной кислоты аммиаком. Сначала аммиак сжигают в кислороде над платино-родиевым катализатором при 870-940 градусах, превращая его в оксид азота. Далее оксид поглощают водой с образованием 55-65% раствора азотной кислоты. В реактор нейтрализации подают аммиак и кислоту, реакция экзотермическая и происходит при 80-90 градусах. Получившийся раствор аммиачной селитры упаривают до концентрации 97-99,5%, а затем гранулируют.
Гранулирование ведут двумя способами. Приллирование: горячий расплав распыляют через форсунки в верхней части 35-50-метровой башни, капли застывают при падении. Гранулирование в барабане или тарелке: кристаллы орошают расплавом и наращивают слой за слоем. Готовые гранулы диаметром 1-4 мм охлаждают воздухом, обсыпают кондиционирующим покрытием, чтобы предотвратить слёживание, и рассыпают в мешки или отгружают навалом.
Карбамид (мочевину) синтезируют иначе: аммиак и углекислый газ сжимают до 150-200 атмосфер и нагревают до 180-200 градусов. Образуется карбамат аммония, который при нагреве отдаёт воду и превращается в мочевину. Раствор выпаривают и гранулируют аналогично. Карбамид содержит 46% азота и является самым концентрированным твёрдым азотным удобрением.
Как удобрения действуют в почве
Аммиачная селитра при растворении в почвенной влаге немедленно диссоциирует на ионы аммония и нитрата. Нитратный ион усваивается растениями напрямую через корневую систему. Аммонийный ион сорбируется почвенным комплексом и постепенно нитрифицируется почвенными бактериями до нитрата. Это двойное действие обеспечивает быстрый начальный эффект и пролонгированное питание.
Карбамид в почве разлагается уреазой, бактериальным ферментом, до аммония и углекислого газа. Процесс занимает 3-7 дней в зависимости от температуры и влажности почвы. При заделке в почву потери азота минимальны, при поверхностном внесении в жаркую погоду часть аммиака улетучивается. Поэтому карбамид рекомендуют вносить перед дождём или немедленно заделывать. Содержание азота в аммиачной селитре составляет 34%, что несколько ниже, чем в карбамиде, но скорость начального действия выше.
