Как делают удобрения из газа: от метана до аммиака и карбамида
Основа производства азотных удобрений — природный газ, из которого получают аммиак, а из аммиака уже синтезируют готовые удобрения: карбамид (мочевину), аммиачную селитру, сульфат аммония или жидкие удобрения КАС. Весь производственный цикл от газа до гранулированного продукта занимает несколько часов и идёт непрерывно на крупных химических комплексах.
Первый шаг: из газа в аммиак
Природный газ — смесь, где около 95% составляет метан (CH4). Чтобы получить аммиак (NH3), нужен азот, которого в газе нет. Его берут прямо из воздуха: азот составляет 78% атмосферы, и на аммиачных заводах работают установки разделения воздуха, поставляющие чистый азот в производственный цикл.
Сначала газ проходит сероочистку — серосодержащие соединения отравляют катализаторы. Затем в трубчатом реакторе при температуре 800–900 °C и в присутствии никелевого катализатора идёт паровая конверсия метана: метан реагирует с водяным паром, давая водород и оксиды углерода. Полученный газ очищают от углекислоты и оксида углерода — их присутствие снизит активность катализатора на следующей стадии. В результате получают смесь азота и водорода в соотношении 1:3.
Синтез аммиака проводят по методу Габера-Боша, открытому ещё в начале XX века. Азотно-водородная смесь под давлением 150–300 атмосфер при температуре 400–500 °C проходит через колонну с железным катализатором, промотированным оксидами калия и алюминия. За один проход конвертируется лишь 10–15% смеси, поэтому непрореагировавший газ снова возвращают на реактор. Производительность современного аммиачного агрегата составляет 1 500–3 000 тонн аммиака в сутки.
Карбамид и аммиачная селитра: как из аммиака делают твёрдые удобрения
Карбамид (мочевина, формула CO(NH2)2) содержит 46% азота и является самым концентрированным твёрдым азотным удобрением. Его получают реакцией аммиака с углекислым газом при давлении 150–200 атмосфер и температуре 180–185 °C. Расплав карбамида поднимают на высоту 50–80 м и распыляют через форсунки в приллировочной башне: капли застывают в воздухе, образуя белые сферические гранулы диаметром 1–3 мм. Пожароопасность карбамида невысокая, его удобно хранить и транспортировать.
Аммиачная селитра (NH4NO3) содержит 34% азота. Её производят нейтрализацией аммиака азотной кислотой. Азотную кислоту получают окислением аммиака: его сжигают в присутствии платинового катализатора, образующийся оксид азота поглощают водой. Готовую селитру гранулируют или приллируют. Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде и быстро усваивается растениями, но требует аккуратного хранения из-за взрывоопасности при нагреве выше 230 °C. Поэтому её часто смешивают с карбонатом кальция или сульфатом магния, получая более безопасные марки для сельского хозяйства.
КАС и другие жидкие удобрения
Карбамидно-аммиачная смесь (КАС) — это жидкое удобрение, раствор карбамида и аммиачной селитры в воде. Оно удобно для внесения с помощью опрыскивателей или через системы капельного орошения. КАС содержит 28–32% азота в трёх формах: амидной, нитратной и аммонийной, что обеспечивает растениям пролонгированное питание. Производство КАС проще и дешевле: не нужны энергоёмкое гранулирование и упаковка в мешки.
Масштабы производства в России
Россия входит в число крупнейших производителей и экспортёров азотных удобрений. Крупные аммиачные комплексы расположены в Тольятти, Новомосковске, Череповце, Невинномысске, Дорогобуже и других городах, как правило рядом с магистральными газопроводами. Производство аммиака в стране превышает 17 миллионов тонн в год. Азотный цикл замыкается выгодно: природный газ дешевле, чем во многих регионах мира, а сама технология отработана до высокой степени надёжности и автоматизации. Современный аммиачный агрегат работает непрерывно по 330–340 дней в году, останавливаясь лишь на плановый ремонт.
