исправленный курсач 2. Выбор и обоснование источников сырья, энергоресурсов, географической точки строительства

• Название: Выбор и обоснование источников сырья, энергоресурсов, географической точки строительства
• Дата: 12.05.2019
• Размер: 0.51 Mb.
• Имя файла: исправленный курсач 2.docx
• Тип: Документы; #76738
• страница: 2 из 4

1) Конверсия природного газа

В настоящее время крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов осуществляется в мире в основном путем паровой конверсии метана. Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, требуются пар и тепловая энергия при температурах 750—850 °С, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях.

Первый шаг реакции расщепляет метан и водяной пар на водород и монооксид углерода (синтез-газ):

СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂ ‒ 206 кДж/моль.

Выход водорода увеличивается благодаря дополнительной реакции СО с водой при пониженных температурах в присутствии катализаторов. «Реакция сдвига» превращает монооксид углерода и воду в диоксид углерода и водород:

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂ + 44 кДж/моль.

Эта реакция происходит при температурах 200—250 °С.

При осуществлении указанных реакций может быть извлечено около 96 % водорода, а необходимая теплота процесса получается при сжигании части природного газа.

2) Электролиз воды

Из-за низкой удельной электропроводности чистой воды ее прямой электролиз неэффективен, поэтому на практике обычно применяется водный раствор КОН. Эта щелочь обладает хорошей удельной электропроводностью,

В щелочном растворе концентрация ионов водорода невелика, в результате чего их недостаток у катода восполняется за счет диссоциации молекул воды или их прямого разряда с образованием атомов водорода и ионов ОН с последующей рекомбинацией атомарного водорода в молекулы:

2Н₂O + 2е + Ме → Н2 + ОН‒ + Ме,

где Me — металл катода.

Выделение на аноде кислорода происходит в результате разряда гидроксильных ионов или молекул воды по реакциям:

2OН^‒ ‒ 2е → Н₂O + (½)O₂;

Н₂O ‒ 2е → (½)O₂ + 2Н⁺.

Основными переносчиками тока в КОН являются положительные ионы К⁺ и гидроксильные ионы ОН^‒.

Электролиз воды с использованием твердополимерного электролита (ТПЭ) является одним из наиболее перспективных методов как для промышленного крупномасштабного получения водорода, так и для решения широкого ряда специальных задач. [19]

В настоящее время основное сырье для получения азота - воздух, а для водорода - природный газ. [1]


1.2 Источники энергоресурсов
Синтез аммиака происходит при высоком давлении и большой температуре. Именно это приводит к большой энергозатратности в производстве аммиака, что является главным недостатком.

В данном производстве используют тепловую, электрическую, механическую энергию, а также вторичные энергоресурсы.

Тепловая энергия получается засчет сжигания твердого или жидкого топлива, при производстве аммиака используют производственные вторичные энергетические ресурсы, а также потребляют дополнительное тепло, получаемое от сжигания природного газа в котле, который входит составной частью в технологическую схему. [6]

Механическая энергия получается из электрической и тепловой, в данном производстве применяется для создания высокого давления.

Электрическая энергия используется для освещения доп. аппаратуры.

В настоящее время ведутся научные разработки, которые призваны решить проблемы экономии энергии. Разрабатываются способы утилизации выделенной энергии, а также совмещение, например, производства аммиака и карбамида. [3] Одним из направлений модернизации является создание интегрированных производств на базе агрегатов аммиака.(По данным института катализа им. Г. К. Борескова в России действует 31 агрегат аммиака III-го поколения) [5] . Аммиачные агрегаты могут технологически удачно интегрироваться с производством метанола, причем удельные затраты энергии при производстве обоих продуктов понижаются. [4]


1.3 Выбор географической точки строительства

Для обоснования выбора места строительства предприятия необходимо учесть следующие факторы размещения химической промышленности: [8]

Сырьевой фактор: оказывает огромное влияние на размещение всех отраслей химической промышленности. Так как в настоящее время природный газ является одной из основ производства аммиака, то благоприятная географическая точка строительства будет находиться вблизи добычи природного газа.

Энергетический фактор. Химический комплекс потребляет около 1/5 энергоресурсов, используемых в промышленности. Все процессы при получении аммиака требуют большого количества энергии, поэтому необходимо выбирать районы, которые богаты энергоресурсами.

Наличие квалифицированных кадров

Водный фактор. Играет особую роль при размещении предприятий химического комплекса, так как вода используется и для вспомогательных целей в процессе и для работы оборудования.

Наличие потребителей.

Транспортный фактор. Близость к транспортным путям, чтобы обеспечить быструю доставку сырья.

Климатический фактор. [9]

Рассмотрим одно из крупнейших производителей азотных удобрений Урала «УРАЛХИМ» и проанализируем его географическое положение, исходя из вышеперечисленных факторов:

Данное предприятие располагается в городе Перми, ул. Промышленная,96

1) Основным сырьем для синтеза аммиака является воздух и природный газ.

Благоприятная географическая точка строительства находится вблизи добычи сырья. В воздухе предприятие не нуждается, а залежей природного газа в данном районе — нет, но по всей России идет магистральные газопроводы («Газпром» располагает крупнейшей в мире газотранспортной системой, её протяженность на территории России составляет 171,2 тыс. км.), следовательно сырьем «УРАЛХИМ» обеспечено. [20]

2) Рядом с предприятием расположена ТЭЦ-9 (ул. Промышленная, 103), таким образом, имеется доступ к энергоресурсам.

3) В городе Перми множество вузов, колледжей, университетов (ПНИПУ, ПГНИУ, Пермский ГАТУ и тд), откуда выпускаются высококвалифицированные специалисты, которые востребованы во всех отраслях химической, горнодобывающей и нефтегазовой промышленности.

4) В данном районе располагается река Кама — главная река Пермского края и одна из крупнейших среди рек Европы.

5) Предприятие «ПМУ» АО «ОХК» «УРАЛХИМ»производит карбамид. Для данного производства аммиак является сырьем. Компания является российским лидером в производстве аммиачной селитры, а также занимает второе место в России по объемам производства аммиака и азотных удобрений. [21]

6) В рассматриваемом районе большое количество железнодорожных путей, проблем с доставкой сырья нет.

7) Климат благоприятный.

Вывод: Предприятие «ПМУ» АО «ОХК» «УРАЛХИМ» соответствует требованиям строительства и имеет благоприятное географическое положение для производства и реализации своей продукции.

1. 
   Выбор и обоснование способа производства.
   

Агрегаты синтеза аммиака в зависимости от применяемого давления можно разделить на 3 группы:

Низкого (10-16 МПа);

Среднего (20-50 МПа);

Высокого (80-100 МПа);

Раньше на установках низкого давления процесс проводили под давлением 10 МПа и при низкой температуре (400⁰С). Благодаря применению активного катализатора, состоящего из комплексной соли, содержащей цианид железа, получали 8-13% аммиака. Плюсы данной установки заключаются в снижении энергозатрат, так как одной из главных статей расхода в производстве аммиака является компрессия технологического газа и его рециркуляция.

На установках высокого давления процесс проводили под давлением 90-100 МПа, что позволяло получать высокую степень превращения азотоводородной смеси в аммиак (40%), однако рост давления увеличивал расход электроэнергии на компрессию и повышал требования к машинам и аппаратам. В настоящее время данные установки не используются.

Наибольшее распространение получили установки среднего давления. В России эксплуатируются системы, работающие под давлением 30-36 МПа. Строящиеся системы рассчитаны преимущественно на давление 32 МПа.

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 повышение 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
3= С+ ЕК/П,

где

С-- себестоимость аммиака, руб./т;

Е-- нормативный коэффициент эффективности, год^-1;

К -- капитальные затраты, руб.;

П-- производительность агрегата по аммиаку, т/год.

Расчеты показали, что приведенные удельные энергоматериальные и капитальные затраты с повышением давления уменьшаются. На основании проведенного анализа определено, что для современных схем наиболее эффективным является давление приблизительно 30 МПа.

Таким образом, получение NH₃ в настоящее времяпротекает на железном катализаторе с добавками стабилизирующих (примеси Al₂O₃ и K₂O) и промотирующих добавок при давлении 30-35МПа.

Реакция синтеза аммиака обратима, поэтому полного превращения азота и водорода в аммиак за время их однократного прохождения через аппарат не происходит. Условия равновесия процесса и кинетические закономерности его протекания на железных катализаторах обусловливают возможность превращения в аммиак только 20-40% исходной реакционной смеси. Для более полного использования реагентов необходима их многократная циркуляция через колонну синтеза. Все современные схемы синтеза аммиака являются циркуляционными, предусматривающими выделение, возвращение непрореагировавшей азотоводородной смеси в цикл синтеза.

Чтобы выделить аммиак, азотоводородную смесь вместе с аммиаком охлаждают до температуры сжижения аммиака. Достичь полной конденсации аммиака не удается, наибольшая часть его остается в азотоводородной смеси.

Помимо водяного или воздушного охлаждения азотоводородную смесь охлаждают кипящим жидким аммиаком. В системах, работающих при более высоком давлении (например, 60-100 МПа), для выделения аммиака из азотоводородной смеси можно ограничиться воздушным или водяным охлаждением. Непрореагировавшая азотоводородная смесь с остаточным аммиаком вновь возвращается на синтез аммиака. [1]

3) Обоснование оптимальных параметров технологичекого процесса.

3.1 Термодинамический анализ

Согласно данным литературы [1], процесс синтеза аммиака протекает по данной реакции:
N₂+3H₂=2NH₃
Термодинамические константы продуктов реакции и исходных веществ взяты из справочной литературы [7] и представлены в таблице 3.1:

	N2	H2	NH3
ΔH0298 (кДж/моль)	0	0	-46,19
ΔS0298 (Дж/моль*К)	191, 5	130,6	192, 5

Таблица 3.1
Для расчета энергии Гиббса воспользуемся формулой:
ΔG = ΔH – T*ΔS


1) Найдем ΔH⁰_298,х.р. для реакции по формуле: 

ΔH⁰_298,х.р.=∑H⁰₂₉₈,_прод - ∑H⁰₂₉₈,_исх
ΔH⁰_298,х.р.=2*(-46,19)=-92,38 кДж/моль

Q=-ΔH298=92,38 кДж/моль, следовательно реакция экзотермическая 


2) Найдем ΔS⁰_298,х.р.для реакции по формуле: 

ΔS⁰_298,х.р.=∑S⁰₂₉₈,_прод- ∑S⁰₂₉₈,_исх

ΔS⁰_298,х.р=2*192,5-(191,5+3*130,6)=385-583,06=-198,3 Дж/моль∗К=-0,1983 кДж/моль∗К


3) Для расчета энергии Гиббса воспользуемся формулой:


ΔG₂₉₈ =ΔH⁰_298,х.р. - T*ΔS⁰_298,х.р.

ΔG₂₉₈=-92,38 — 298*-0,1983=-92,38+59,0934=-33,2866 кДж/моль


ΔG₂₉₈ ∈ [-40;40] кДж/моль => Температура влияет на ход процесса 

4) Данная реакция обратимая, рассчитаем температуру инверсии:


Т= ΔH⁰_298,х.р. / ΔS⁰_298,х.р.


Т=-92380/-198,3=465,8 К


5) Найдем ΔG₇₇₃ процесса по формуле:


ΔG₇₇₃ = ΔH⁰_298,х.р.-T*ΔS⁰_298,х.р.

ΔG₇₇₃=-92,38 — 773*-0,1983 = 60, 9059 кДж/моль


По данным литературы [1], промышленный синтез аммиака происходит при температуре 450-500 0С (773 К) Поэтому примем интервал рассматриваемых температур для реакции от 298-998 К.


ΔG₃₉₈=-92,38-398*-0,1983=-13,4566 кДж/моль
ΔG₄₉₈=-92,38- 498*-0,1983=6,3734 кДж/моль
ΔG₅₉₈=-92,38 — 598*-0,1983=26,2034 кДж/моль
ΔG₆₉₈=-92,38 — 698*-0,1983 =46,0334 кДж/моль
ΔG₇₉₈=-92,38 — 798*-0,1983= 65,8634 кДж/моль
ΔG₈₉₈=-92,38 — 898*-0,1983 = 85,6934 кДж/моль
ΔG₉₉₈=-92,38 — 989*-0,1983 = 103,7387 кДж/моль

Температура (К)	ΔGт(кДж/моль)
298	-33,2866
398	-13,4566
498	6,3734
598	26,2034
698	46,0334
798	65,8634
898	85,6934
998	103,7387

7) Проанализирую данную реакцию по принципу Ле-Шателье:


- Данная реакция экзотермическая, при увеличении температуры химическое равновесие смещается в сторону исходных веществ. Также при увеличении температуры энергия Гиббса увеличивается, это означает, что термодинамическая вероятность протекания процесса уменьшается.
- При увеличении концентрации исходных веществ, химическое равновесие смещается в сторону продуктов реакции.
- Реакция протекает с уменьшением количества молей, поэтому повышение давление приводит к смещению химического равновесия в сторону продуктов реакции.

Оптимальные параметры проведения процесса:

Таким образом, синтез аммиака протекает с выделением тепла и уменьшением объёма.

Для данной реакции необходимо понижать температуру, повышать давление и увеличивать концентрацию исходных реагентов, так как равновесие при этом будет смещаться в сторону продуктов реакции.
3.2 Кинетический анализ
Гетерогенно-каталитические процессы, к числу которых относится синтез аммиака, протекают на поверхности твердого тела, чаще всего через ряд последовательных стадий.

Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствие катализатора, причем катализаторами данной реакции служат твердые вещества. Гетерогенно- каталитический синтез аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями: 
· диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора; 
· хемосорбция молекул реагентов (адсорбатов) на поверхности катализатора; 
· поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействия между ними; 
· десорбция продукта; 
· диффузия продукта реакции (аммиака) от поверхности катализатора в газовую фазу. [1]

Можно представить, что синтез аммиака на поверхности катализатора протекает через следующие промежуточные стадии: [11]


I. N₂→2N (адс)
II. H₂→2H (адс)
III. N (адс) +H(адс) → NH(адс)
IV. NH(адс)+ H(адс)→NH₂ (адс)
V. NH₂ (адс)+H (адс)→NH₃ (адс)→NH₃ (газ)

Азот и водород диффундируют из объема газовой фазы к поверхности катализатора, где протекает активированная адсорбция обоих газов. Далее адсорбированный азот вступает во взаимодействие с адсорбированным или газообразным водородом, причем последовательно образуются имид NH, амид NH₂ и аммиак NH₃. Последний десорбируется с поверхности и поступает в объем газовой фазы. [12]

Исследование кинетики и механизма реакции позволило сделать вывод о том, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота. Тогда механизм синтеза аммиака в сокращенной схеме: 
N₂+Z ↔ ZN₂
ZN₂+3H₂ ↔ 2NH₃+Z
__________________
N₂+3H₂ ↔ 2NH₃


где Z - свободный центр поверхности катализатора, ZN₂ - хемосорбированная частица (адсорбат)

Определению соотношения скоростей перечисленных стадий и выявлению наиболее медленной из них при проведении процесса на железных катализаторах, посвящено большое количество работ. 

Шолтен и Цвитеринг при помощи вакуумных микровесов изучили хемосорбцию азота на железном однопромотированном катализаторе и сопоставили ее со скоростью синтеза аммиака. Оказалось, что вес катализатора и скорость реакции достигают постоянной величины в одно и то же время. Поскольку привес катализатора определялся хемосорбцией азота, авторы сделали вывод, что скорость синтеза совпадала со скоростью адсорбции азота.[10] 

Приведенные данные в литературе [10], свидетельствуют о сложности процесса хемосорбции азота на катализаторах синтеза аммиака. Активация азота в каждом случае зависит от конкретныхусловий, а именно — от температуры, покрытия, химического состава поверхности. Введение в железный катализатор оксидов щелочных металлов обеспечивает образованию на поверхности большего количества участков с оптимальной адсорбированной способностью.

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и состава реакционной смеси.