Главная страница
Навигация по странице:

  • МИТХТ Кафедра Общей химической технологии Курсовая работа по теме: « Производство аммиака» Вариант 1

  • Выполнил: Новиков.Д.Е Группа: ХЕБО 13-15 Проверил: Пермякова.Н.А Москва , 201 9

  • 4.1 Равновесие и скорость процесса в системе

  • 4.2 Выбор оптимальных условий процесса

  • 4.2.1 Давление и температура

  • 4.2.2 Состав азотоводородной смеси

  • 4.2.3 Катализатор

  • 4.3 Совершенствование аммиачного производства

  • 4.4 Охрана окружающей среды в производстве аммиака

  • Состав потоков

  • Курсовая работа по теме Производство аммиака


    Скачать 339.83 Kb.
    НазваниеКурсовая работа по теме Производство аммиака
    Дата17.01.2019
    Размер339.83 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаOKhT_Kursovaya.docx
    ТипКурсовая
    #64114


    МОСКОВСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

    МИТХТ

    Кафедра Общей химической технологии

    Курсовая работа по теме:

    «Производство аммиака»

    Вариант 1


    Выполнил:Новиков.Д.Е

    Группа: ХЕБО 13-15

    Проверил: Пермякова.Н.А

    Москва, 2019

    Оглавление

    1. Введение

    2. Характеристика исходного сырья

    3. Характеристика целевого продукта

    4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства аммиака

    5. Экологическая безопасность производства

    6. Описание технологической схемы процесса

    7. Расчет материального баланса

    8. Расчет основных технологических показателей процесса

    9. Список использованной литературы



    Введение

    Необходимость получения аммиака в промышленных количествах стала остро возникать в конце XIX века, когда стали истощаться месторождения чилийской селитры, из которой в основном получали азотные соединения. Именно «щелочной воздух» стал самым перспективным компонентом для производства различных химических соединений, которые оказали огромное влияние на разные стороны жизни человека: от военного дела, до сельского хозяйства.

    Но эта проблема была решена только в начале XX столетия, когда появился способ производства аммиака путем прямого синтеза из азота и водорода. Таким образом, от возникновения проблемы до ее решения прошел довольно длительный период.

    Аммиак широко применяется в различных охлаждающих установках. Так же аммиак является отличным элементом при производстве удобрений, азотной кислоты и соды, взрывчатых веществ, продуктов химической промышленности. 10-процентный раствор аммиака называется нашатырным спиртом и используется в медицинских целях.

    Во всех индустриально развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной из основных ведущих отраслей. Доказательством этого служат цифры, характеризующие стремительный рост производство связанного азота. В 1955г во всем мире было произведено аммиака около 8 млн. т, в 1965г - 20 млн. т, в 1975г - 66 млн. т, в 1980г - 100 млн. т, в 1985 - 120 млн. т.

    Такое бурное развитие азотной промышленности диктуется в первую очередь необходимостью удовлетворения неудержимо растущего населения земного шара продуктами земледелия. Без минеральных удобрений, и в первую очередь азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства.

    Производству азотных удобрений и их основы, аммиака, в нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. Среднегодовой прирост темпа аммиака за последние 20 лет составлял 10-19%.

    Характеристика исходного сырья

    Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности является атмосферный воздух и различные виды топлива.

    В число постоянных составляющих воздуха входят следующие газы (в% по объему): азот - 78,16; кислород - 20,90; аргон - 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы - 0,01. В технических расчетах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода.

    Для синтеза аммиака в некоторых схемах необходима азотоводородная смесь в соотношении N2: H2=1: 3. Азот получают разделением воздуха или же совместно с водородом в виде азотоводородной смеси. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез - газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В последнем случае воздух подвергают разделению методом глубокого охлаждения.

    Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сырья - топливом, применяемым для получения водорода или водородсодержащего газа.

    В настоящее время основным сырьем в производстве аммиака является природный газ.

    Синтез-газ из твердых топлив. Первым из основных источников сырья для получения синтез - газа явилось твердое топливо, которое перерабатывалось в газогенераторах водяного газа по следующим реакциям:

    C+H2O ↔ CO +H2; ΔH>0

    C+O2 ↔CO2; ΔH<0

    Такой способ получения заключается в попеременной подаче через слой крупнокускового твердого топлива (антрацита, кокса, полукокса) воздушного и парового дутья. Синтез - газ получают на стадии парового дутья, а необходимая температура слоя топлива достигается в течение стадии воздушного дутья. Цикл работы генератора составляет 3-5 мин. Полученный водяной газ содержит 50-53% Н2 и

    36,5 СО.

    Для дальнейшего использования в производстве водяной газ необходимо очистить от сернистых соединений и провести конверсию оксида углерода по реакции:

    CO+H2OCO2+H2; ΔH<0

    а затем полностью удалить диоксид углерода в случае его применения для синтеза аммиака.

    Недостатками процесса являются его периодичность, низкая единичная производительность газогенератора, а также высокие требования к сырью по количеству и температуре плавления золы, его гранулометрическому составу и другим характеристикам.
    Другим направлением является газификация топлива в виде пыли. Этот процесс позволяет использовать практически любые виды топлива. Его особенностями является высокая турболизация в зоне реакции за счет подачи встречных потоков топливной смеси и хорошее смешение парокислородной смеси с топливной пылью.

    Синтез - газ из жидких углеводородов. По технологическим схемам переработки в синтез – газ, жидкие топлива можно разделить на две группы. Первая группа включает топлива, перерабатываемые высокотемпературной кислородной конверсией. Сюда относятся тяжелые жидкие топлива - мазут, крекинг - остатки и т.п. Вторая группа - легкие прямоточные дистилляты (нафта), имеющие конечную температуру кипения не выше 200-220°С; она включает бензин, лигроины, смеси светлых дистиллятов. Вторая группа жидких топлив перерабатывается в синтез - газ каталитической конверсией водяным паром в трубчатых печах.

    Достоинством этого метода является возможность получения синтез - газа под давлением, легкость регулирования состава синтез - газа, малый расход электроэнергии. К недостаткам можно отнести высокие требования к углеводородному составу исходного сырья по содержанию в нем непредельных и циклических углеводородов, серы и других примесей, большой удельный расход углеводородов.

    Синтез-газ из природного газа. Синтез - газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) в настоящее время является основным источником получения аммиака. По использованию окислителя и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водородосодержащих газов:

    высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая паро-углекислотная конверсия в трубчатых печах.

    Окисление метана (основного компонента углеводородных газов) при получении синтез - газа протекает по следующим основным суммарным реакциям:

    CH4+0,5O2 = CO+2H2; ΔH=-35,6 кДж

    CH4+H2O = CO+3H2; ΔH=206,4 кДж

    CH4+CO2 = 2CO+2H2; ΔH=248,3 кДж

    Аналогичным образом осуществляются реакции окисления гомологов метана.
    Характеристика целевого продукта
    Аммиак (NH3) – бесцветный газ с резким запахом с температурой кипения -33,35 0С и температурой плавления -77,75 0С. Аномально высокие температуры кипения и плавления аммиака объясняются ассоциацией его молекул вследствие высокой их полярности и образования водородных связей. Критическая температура аммиака равна 132,4 0С. Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды), ограниченно растворим в органических растворителях.

    В водных растворах аммиака содержаться его гидраты состава NH3*H2O и 2NH3*H2O, образующие эвтектики, а также незначительное количество ионизированных молекул в результате реакции:

    NH3 + H2O = NH4++OH-

    Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочно-земельные металлы, фосфор, серу, йод и многие неорганические и органические соединения. При температурах выше 1300 0С аммиак диссоциирует на азот и водород:

    2NH3 = N2 + 3H2 + ΔH

    Cухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры. С повышение температуры границы взрываемости аммиачно-воздушных смесей расширяются и взрыв происходит при более низкой концентрации аммиака. (стр. 187-188 [1])

    В промышленности выпускаются два сорта жидкого аммиака. Согласно ГОСТ 6221- 75 аммиак первого сорта должен содержать не менее 99,9 % и второго сорта 99,6 % аммиака.
    Физические постоянные аммиака.

    Молекуляр. вес

    Мольный объем

    760 мм рт ст

    Критические константы




    (0 С, 760 мм рт ст)

    Тпл

    Ткип

    Ткр 0С

    Ркр атм

    Vкрсм3/моль

    17,0306

    22049

    -77,8

    -33,5

    132,4

    111,5

    72,5


    Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-82. Наиболее типичными примесями являются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы, (водород, азот, метан).

    Аммиак жидкий синтетический должен соответствовать следующим требованиям (ГОСТ 6221 - 82);

    Содержание,%

    1-й сорт

    2-й сорт

    аммиак, не менее

    99,9

    99,6

    влага, не более

    0,1

    0,4

    Примеси, мг/л, не более

    масло

    10,0

    35,0

    железо

    2,0

    не нормируется


    Физико-химические основы процесса
    4.1 Равновесие и скорость процесса в системе

    Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции
    1/2N2+3/2H2 = NH3; ΔH<0
    Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (ΔH298 = -91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (ΔH725 =

    -112,86 кДж/моль). По принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае имеет тоже отрицательное значение (ΔS298 =

    -198,13 кДж/(моль*К), поэтому повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции.

    Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. По принципу Ле Шателье в условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

    Для реакции синтеза константа равновесия имеет вид:

    Kp = P(NH3)/(P^(1/2)N2*P^(3/2)H2)

    И может быть рассчитана по уравнению:

    lg(1/Kp) = -A/T+B*lgT+aT-C*T2-b,
    где А,В,С – постоянные величины; коэффициенты а и b зависят от давления и возрастают с его увеличением.

    Качественная и количественная оценки условий термодинамического равновесия позволяют сделать вывод, что максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низких температурах.
    Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора, причем катализаторами данной реакции служат твердые вещества. Гетерогенно-каталитический процесс синтеза аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями:

    1. Диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора.

    2. Хемосорбция молекул реагентов (адсорбатов) на поверхности катализатора.

    3. Поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними.

    4. Десорбция продукта.

    5. Диффузия продукта реакции (аммиака) от поверхности катализатора в газовую фазу.

    Исследование кинетики и механизма реакции синтеза позволило сделать вывод, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота. Этот вывод можно описать механизмом синтеза аммиака сокращенной схемой:

    N2+Z = ZN2

    ZN2+3H2 = 2NH3 + Z

    N2+3H2 = 2NH3,

    где Z – свободный центр поверхности катализатора; ZN2 – хемосорбированная частица (адсорбат).

    Скорость обратимой реакции получения аммиака из элементов на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина-Пыжева:
    wгNH3


    где k1 и k2 – константы скоростей соответственно образования и разложения аммиака; PN2,PH2,PNH3 – парциальные давления соответственно азота, водорода, аммиака, а – постоянная, удовлетворяющая неравенству 0<а<1 и характеризующая степень покрытия поверхности катализатора азотом.

    При проведении процесса при атмосферном давлении и температуре от 400 до 500 0С для промышленных катализаторов величина а = 0,5.
    4.2 Выбор оптимальных условий процесса

    Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и состава реакционной смеси. Оптимальными считаются такие значения параметров, при которых скорость процесса максимальна.
    4.2.1 Давление и температура

    С ростом давления наблюдаемая скорость процесса увеличивается.

    И термодинамические, и кинетические факторы свидетельствуют в пользу проведения процесса при высоких давлениях (увеличивается равновесный выход, повышается скорость синтеза). Конденсация аммиака также улучшается при высоком давлении. Вместе с тем рост давления увеличивает расход электроэнергии на компрессию, повышает требования к машинам и аппаратам. При понижении давления упрощается аппаратурное оформление процесса, снижается расход энергии, но при этом увеличиваются размеры аппаратов, возрастают энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака, повышаются требования к чистоте синтез-газа.

    Для определения оптимального давления синтеза была использована комплексная математическая модель агрегата синтеза аммиака. В качестве критерия оптимизации в ней приняты приведенные затраты (руб./т):

    З = С + Е*К/П,
    где С – себестоимость аммиака (руб./т), Е – нормативный коэффициент эффективности (год-1), К – капитальные затраты (руб.), П – производительность агрегата по аммиаку (т/год).

    Опытные данные показали, что приведенные удельные и капитальные затраты с повышением давления уменьшаются. На основании проведенного анализа определено, что для современных схем наиболее эффективным является давление приблизительно 30 МПа (системы среднего давления).

    Поскольку присутствие инертных примесей равносильно снижению общего давления, то с увеличением содержания метана, аргона и гелия в смеси скорость реакции синтеза уменьшается.

    Оптимальная температура синтеза Топт рассчитывается:

    Из уравнения следует, что с увеличением содержания в циркуляционном газе аммиака и уменьшением содержания азотоводородной смеси оптимальная температура падает.
    4.2.2 Состав азотоводородной смеси

    Состав АВС выбирается, возможно, более близким к стехиометрическому, что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак. Так как степень превращения не превышает 0,14 – 0,20 дол. един., то процесс синтеза аммиака строится по циркуляционной схеме с отделением образующегося аммиака от непрореагировавшей АВС и возращением оставшейся части ее в реактор. Так как синтез аммиака идет с сокращением объема, то в циркулирующей АВС накапливаются инертные примеси (аргон, метан), что приводит к снижению выхода аммиака вследствие уменьшения концентраций азота и водорода в ней. Для устранения этого часть циркулирующей АВС периодически выводится из цикла в виде продувочного газа (отдувка). Для выделения образовавшегося аммиака из АВС ее охлаждают до температуры сжижения аммиака. При этом часть аммиака остается в АВС. Концентрация его зависит от температуры и изменяется от 0,015 об. доли при -20 0С до 0,073 об. дол. при +20 0С при давлении около 30 МПа. При использовании водяного и аммиачного охлаждения это обеспечивает остаточное содержание аммиака в циркулирующей АВС 0,03 - 0,05 об. дол.
    4.2.3 Катализатор

    Высокую каталитическую активность в синтезе аммиака проявляют металлы VI, VII и VIII групп периодической системы. Наибольшей активностью обладают Fe, Ru, Re, Os. В промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующими восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяются оксиды кислотного и амфотерного характера - Al2О3,SiО2,TiО2 и др., а также оксиды щелочных и щелочноземельных металлов - К2О, Na2О, CaO, MgO и др.

    Процесс восстановления катализатора можно описать суммарным уравнением:

    Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O; ΔH>0

    Катализаторы синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором. Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5*10^(-5)%.

    Кислородосодержащие соединения (H2O, СО, СО2) и кислород, присутствующие в азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность катализатора обратимо. Их отравляющее действие пропорционально содержанию в них кислорода. Если в составе свежего газа имеются кислородосодержащие примеси или масло, газ следует вводить в цикл перед вторичной конденсацией для удаления вредных соединений конденсирующимся NH3.

    В промышленности используется катализатор ГИАП состава:

    Fe + Al2O3 + K2O + CaO + SiO2
    Катализатор Промотор

    Он дешев, достаточно активен при температуре 450-500 0С, менее остальных катализаторов чувствителен к каталитическим ядам. Контактную массу готовят сплавлением в атмосфере азота смеси оксидов железа Fe3O4, алюминия Al2O3, калия K2O, кальция CaO и кремния SiO2, или порошков металлических железа и алюминия с оксидами кальция и кремния и карбоната калия с последующим измельчением массы до размеров зерен катализатора (5 мм) и восстановлением их водородом в колонне синтеза аммиака.

    4.3 Совершенствование аммиачного производства

    Совершенствование промышленного производства аммиака идет по следующим основным направлениям:

    - кооперация производства аммиака с производствами основного органического синтеза на базе использования природного газа и газов нефтепереработки.

    - создание агрегатов большой единичной мощности.

    - применение колонн синтеза с кипящим слоем катализатора.

    - разработка новых катализаторов, устойчивых к ядам с низкой температурой зажигания, позволяющих вести процесс синтеза без снижения выхода аммиака при низких давлениях.

    4.4 Охрана окружающей среды в производстве аммиака

    Крупнотоннажное производство аммиака характеризуют следующие выбросы в окружающую среду:

    1) газовые, содержащие в своем составе аммиак, оксиды азота и углерода и другие примеси

    2) сточные воды, состоящие из конденсата, продуктов промывки реакторов и систем охлаждения;

    3) низкопотенциальную теплоту.

    Относительная концентрация токсичных примесей производства аммиака в виде оксида углерода и оксидов азота в отходящих газах невысока, но когда происходит восстановление оксидов азота до элементного азота, для устранения даже незначительных выбросов разрабатываются специальные мероприятия. Полное исключение токсичных выбросов возможно при использовании каталитической очистки в присутствии газа-восстановителя.

    В результате воздушного охлаждения и замены поршневых компрессоров турбокомпрессорами значительно уменьшилось потребление воды на 1 т NН3, что привело к существенному снижению количества сточных вод (примерно в 50 раз).

    Низкопотенциальную теплоту удается утилизировать повышением ее потенциала: это достигается вводом некоторого количества высокопотенциальной теплоты. Но этот путь получения механической энергии связан с увеличением загрязненности воздушного бассейна дымовыми газами.

    Одним из способов уменьшения выбросов и повышения эффективности производства аммиака является применение энерготехнологической схемы с парогазовым циклом, в котором в качестве рабочей теплоты используется не только теплота водяного пара, но и продуктов сгорания топлива.

    Описание технологической схемы процесса

    Технологическая схема процесса

    1 - Подогреватель газа.2 - Колонна синтеза аммиака.3 - Подогреватель воды.

    4 - Выносной теплообменник.5 – Циркуляционное колесо компрессора.

    6 – Сепаратор жидкого аммиака.7 – Блок аппарата воздушного охлаждения.

    8 – Конденсационная колонна.9 - Конденсационная колонна продувочных газов.10 – испаритель жидкого аммиака на линии продувочных газов.

    11 – Сборник жидкого аммиака.12 – Испаритель жидкого аммиака на линии танковых газов.13 – Сепаратор.14 – Промежуточная дренажая ёмкость.

    15 – Испарители житкого аммиака.16 – Магнитный фильтр.
    Свежая АВС, после очистки метанированием, поступает в центробежный компрессор, где сжимается до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (не показано на схеме) поступает в нижнюю часть конденсаторной колонны 8 для очистки от остаточных примесей СО2, H2O и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров, следов СО и масла, насыщается аммиаком до 3-4 % и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь по трубам теплообменника конденсационной колонны направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4, где нагревается до 185-195 0С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонну синтеза 2.

    В колонне синтеза 2 газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного в горловине корпуса Колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до температуры начала реакции 400-440 0С за счет теплоты конвертированного газа и, затем, последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15 %. Пройдя через центральную трубу, при температуре 500-515 0С, азотоводородная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 330 0С. Дальнейшее охлаждение газовой смеси до 215 0С осуществляется в трубном пространстве подогревателя питательной воды 3, в трубном пространстве выносного теплообменника 4 до 65 0С за счет холодного циркуляционного газа, идущего по межтрубному пространству, и затем в аппаратах воздушного охлаждения 7 до 40 0С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе 6, а затем смесь, содержащая 10-12 % NH3, идет на циркуляционное колесо компрессора 5, где сжимается до 32 МПа.

    Циркуляционный газ при температуре 50 0С поступает а систему вторичной конденсации, включающую конденсационную колонну 8 и испарители жидкого аммиака 15. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18 0С и в испарителях за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве до -5 0С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей АВС с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубам теплообменника и направляется в выносной теплообменник 4, а затем в колонну синтеза 2. Жидкий аммиак из первичного сепаратора проходит магнитный фильтр 16, где из него выделяется катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны 8. Затем его дросселируют до давления 4 МПа. и отводят в сборник жидкого аммиака 11. В результате дросселирования жидкого аммиака до 4 МПа происходит выделение растворенных в нем газов H2, N2, O2, CH4. Эти газы, называемые танковыми, содержат 16-18 % NH3. Поэтому таковые газы направляют в испаритель 12 с целью утилизации аммиака путем его конденсации при -25 0С. Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор 13 для отделения жидкого аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака 11.

    Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертных газов, не превышающего 10 %, производится продувка газа после первичной конденсации аммиака (после сепаратора 6).

    Продувочные газы содержат 8-9% NH3, который выделяется при температуре -25-(-30) 0С в конденсационной колонне 9 и испарителе 10 продувочных газов. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используют как топливный газ.
    NH3(ж)

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    Операторная схема
    1

    2

    3

    4

    31

    12

    23

    24

    402

    401

    34

    03

    Материальный баланс
    Состав потоков:

    1) Колонна синтеза

    2) Сепаратор 1 ступени (водяное и воздушное охлаждение

    3) Сепаратор 2 ступени (аммиачный холодильник)

    4) Танк

    03 – поток свежей АВС: N2, H2, CH4

    31 – поток газа в колонну синтеза: N2, H2, CH4, NH3

    12 – поток газа после колонны синтеза: N2, H2, CH4, NH3

    20 – поток продувочных газов

    23 – поток газа после сепаратора 1 ступени

    24 – поток жидкого NH3 после сепаратора 1 ступени

    34 – поток жидкого NH3 после сепаратора 2 ступени

    401 – поток жидкого NH3

    402 – поток танковых газов: N2, H2, NH3
    При охлаждении газа происходит частичная конденсация NH3, устанавливается равновесие между жидкостью и газом, причем концентрация аммиака после конденсации в газе, является функцией температуры и давления и определяется по формуле:


    - концентрация аммиака в потоке% (по объему)

    pi и Ti давление, ат. и температура, К газа
    В сепараторе 1 ступени:

    lgY(NH3 23)=2,35916+6,56799/(28*10,2)^(1/2)-1168,1288/(273+28)= -1,1330 , =0,0736
    В сепараторе 2 ступени:

    lgY(NH3 31)=2,35916+6,56799/(30*10,2)^(1/2)-1168,1288/(273-5)= -1,6240 =0,0238

    Исходные данные для расчета


    Показатель

    Условное обозначение

    Единица измерения

    Значение

    Содержание NH3 в газе после колонны синтеза

    γ12

    Доли по объему

    0,14

    Давление газа

    В сепараторе 1 ступени

    р1

    МПа

    28

    Давление газа

    В сепараторе 2 ступени

    р1

    МПа

    30

    Температура газа

    После водяного(воздушного) охлаждения

    Т1

    К

    301

    Температура газа

    После водяного(воздушного) охлаждения

    Т1

    К

    268

    Содержание NH3 в газе после I-го сепаратора

    γ23

    Мольн. доли

    0,0736

    Содержание NH3 в газе после II-го сепаратора

    γ31

    Мольн. доли

    0,0238

    Растворимость АВС в жидком аммиаке в I сепараторе

    в24

    нм3/кг

    0,028

    Растворимость АВС в жидком аммиаке во II сепараторе

    в34

    нм3/кг

    0,017

    Концентрация NH3 в танковых газах

    γ402

    Доли по объему

    0,40

    Базис расчета, кг NH3 на выходе из танка

    П

    кг

    2500

    Содержание инертных примесей в свежей АВС

    γ 03CH4

    Доли по объему

    0,01

    Содержание примесей в продувочных газах

    γ 20CH4

    Доли по объему

    0,10


    Материальный баланс
    По колонне синтеза:

    По азотоводороднои смеси

    1)

    По сепаратору I ступени:

    По азотоводороднои смеси

    2)

    По аммиаку

    3)

    По сепаратору II ступени:

    По азотоводородной смеси

    4)

    По аммиаку

    5)

    По танку:

    По азотоводородной смеси

    6) +=

    По аммиаку

    7) +=

    П - расчетное количество аммиака.

    b - растворимость авс в жидком аммиаке

    Соответствие переменных потокам:




    Наименование потока

    Усл. обозн.

    Хi

    Размерн.

    Значение

    1

    Поток, поступающий в колонну синтеза

    N31

    X1

    КМОЛЬ

    1466,216

    2

    Поток газа после колонны синтеза

    N12

    X2

    КМОЛЬ

    1316,765

    3

    Поток газа после сепаратора I ступени

    N23

    X3

    КМОЛЬ

    1220,216

    4

    Поток свежей азотоводородной смеси

    N03

    X4

    КМОЛЬ

    301,622

    5

    Поток танковых газов

    N402

    X5

    КМОЛЬ

    5,978

    6

    Поток жидкого NH3 после сепаратора I ступени



    X6

    КГ

    1607,8

    7

    Поток жидкого NH3 после сепаратора II ступени



    X7

    КГ

    933,877


    Получаем уравнения

    1) 1,02387X1-1,14X2=0

    2) 0,86X2-0,9264X3-0,00125X6=0

    3) 0,14X2-0,0736X3-0,0588X6=0

    4) - 0,9762X1+0,9264X3+X4-0,00076X7=0

    5) - 0,0238X1+0,0736X3-0,0588X7=0

    6) - 0,6X5+0,00165X6+0,001X7=0

    7) - 0,40X5+0,0588X6+0,0588X7=147,06

    Составим матрицу коэффициентов при Х и столбец свободных членов:

    X1

    X2

    X3

    X4

    X5

    X6

    X7




    Св. члены

    1,0238

    -1,14

    0

    0

    0

    0

    0




    0

    0

    0,86

    -0,9264

    0

    0

    -0,00125

    0




    0

    0

    0,14

    -0,0736

    0

    0

    -0,0588

    0




    0

    -0,9762

    0

    0,9264

    1

    0

    0

    -0,00076




    0

    -0,0238

    0

    0,0736

    0

    0

    0

    -0,0588




    0

    0

    0

    0

    0

    -0,6

    0,00165

    0,001




    0

    0

    0

    0

    0

    -0,40

    0,0588

    0,0588




    147,06


    Решаем систему уравнений матричным методом в программе Excel, умножая матрицу, обратную матрице коэффициентов на вектор свободных членов.

    Заполняем таблицу потоков.

    1. Расчет количеств азота и водорода в АВС.

    N03=X4=301,622 кмоль

    =N03×Vm=301,622×22,4 = 6756,33 м3

    Отношение H2: N2 =3: 1Wоб(H2) =0,75Wоб(N2) =0,25

    =0,75 × 6756,33 = 5067,25 м3

    =0,25 × 6756,33 = 1689,08 м3

    m(H2) =V0(H2)*M(H2)/22,4=5067,25 *2/22,4=452,43 кг

    m(N2) = V0(N2)*M(N2)/22,4=1689,08 *28/22,4=2111,35 кг

    Общая масса АВС

    m(АВС) =m(H2) +m(N2) =452,43 +2111,35 =2563,78 кг

    Массовые доли азота и водорода:

    Wмас(H2) =m(H2)/m(ABC)*100%=452,43/2563,78=17,65%

    Wмас(N2)= m(H2)/m(ABC)*100%=2111,35/2563,78=82,35%

    2. Расчет количеств водорода, азота и аммиака в танковых газах.

    =N402×Vm=5,978×22,4 = 133,9 м3

    Количество водорода и азота:

    NАВС=N402(1-) =5,978×(1-0,40) =3,5868 кмоль

    =NАВС×Vm=3,5868×22,4 = 80,34 м3

    =0,75 × 80,34 = 60,255 м3

    =0,25 × 80,34 = 20,085 м3

    m(H2) = V0(H2)*M(H2)/22,4=60,255*2/22,4=5,38

    Wмас() = m(H2)/m(ABC)*100%=5,38/2563,78=0,21%

    m(N2) = V0(N2)*M(N2)/22,4=20,085*28/22,4=25,12 кг

    Wмас() = m(Т2)/m(ABC)*100%=25,12/2563,78=0,98%

    Количество аммиака в танковых газах.

    NNH3=N402×=5,978×0,40=2,39кмоль

    V(NH3) =NNH3×Vm=2,39×22,4=53,56 м3

    m(NH3) = V(NH3)*M(NH3)/22,4=53,56*17/22,4=40,65 кг

    Wмас() = m(NH3)/m(ABC)*100%=40,65/2563,78=1,58%

    Количество жидкого аммиака.

    m(NH3) =2500 кг

    Wмас()= m(NH3)/m(ABC)*100%=2500/2563,78=97,5%

    N(NH3) =147,06 кмоль

    V(NH3) =N(NH3) ×Vm=147,06 ×22,4=3294,14 м3

    Общая расходная масса

    Må==2500+40,65+5,38+25,12=2571,15 кг

    Масса танковых газов

    mтг= Må-=2571,15-2500=71,15 кг

    Wмас(т. г) = m(т.г.)/m(ABC)*100%=71,15/2563,78=2,77%

    Невязка

    D=mавс - Må=2563,78-2571,15=7,37 Wмас(невязки) @0

    Общий расходный объем(при н. у)

    Vå==3294,14 +53,56 +60,255 +20,085 =3428,04 м3

    Материальный баланс системы

    Базис расчета 2500 кг NH3

    Приход

    Расход

    Наименование

    М3, н. у.

    кг

    % масс

    Наименование

    М3, н. у.

    кг

    % масс

    АВС

    6756,33

    2563,78

    100

    Жидкий NH3

    3294,14

    2500

    97,88

    В том числе










    Танковые газы

    133,9

    71,15

    2,12

    Азот

    1689,08

    2111,35

    82,4

    Азот

    20,085

    25,12

    0,77

    Водород

    5067,25

    452,43

    17,6

    Водород

    60,255

    5,38

    0,16













    Аммиак

    53,56

    40,65

    1, 19

    Всего

    6756,33

    2563,78

    100

    Всего

    3428,04

    2563,78

    100













    Невязка




    7,37





    Расчет основных технологических показателей

    Выход аммиака

    n(NH3)= (1/2)*m(NH3)*M(N2)/(M(NH3)*m(N2))*100% = 1*2500*28/(2*17*2111,35)*100%=97,5%

    Расходные коэффициенты по сырью.

    По азоту

    а) теоретический



    б) практический

    Y(N2)практ=m(N2)/m(NH3)= 2111,35/2500=0,8445


    Поточная диаграмма



    По водороду

    а) теоретический



    б) практический

    Y(H2)практ=m(H2)/m(NH3)=452,43/2500=0,1809





    Список использованной литературы



    1.А.М. Кутепов, Т. И - Бондарева, М.Г. Беренгартен, Общая химическая технология, М., Высшая школа, 1990

    2.Справочник азотчика, М., Химия, 1987

    3.Ф.А. Андреев, С.И. Карган, Л.И. Козлов, В.Ф. Приставко, Технология связанного азота, М., Химия, 1966

    4.Г.Н. Кононова, В.В. Сафонов, Е.В. Егорова, Расчёт материального баланса химико-технологических систем интегральным методом, М., МИТХТ, 1999


    написать администратору сайта