Синтез аммиака производительностью 100 тонн. Аня Кудашова. Курсовая работа по дисциплине (учебному курсу)

• Название: Курсовая работа по дисциплине (учебному курсу)
• Анкор: Синтез аммиака производительностью 100 тонн
• Дата: 02.07.2022
• Размер: 352.29 Kb.
• Имя файла: Аня Кудашова.docx
• Тип: Курсовая; #622927
• страница: 3 из 4

Расчеты технологических процессов

1. 
   Материальный расчет (материальный баланс) синтеза аммиака колонны
   

Материальный баланс - это состав газовой смеси, проходящая из сепаратора первичной и вторичной конденсации, а также расход и приход газов протекающая через колонну синтеза аммиака.

На рисунке 3 показана схема материального баланса синтеза аммиака, проходящая через колонну, холодильную установку и сепаратор первичной конденсации.



Рисунок 3 – Схема материального баланса синтеза аммиака

5 — колонна синтеза; 6 — холодильник 7 —сепаратор первичной конденсации; NH₃(ж)— жидкий аммиак (продукт); А.-в. — добавление свежей азотоводородной смеси; П. г. — продувочные газы
Уравнение синтетического аммиака имеет вид:



Исходные данные для расчетов:

1. 
   Производительность установки тыс. тонн в год – 100;
   
2. 
   Рабочие дни – 350;
   
3. 
   Объемная скорость азото – водородной смеси – ;
   
4. 
   Давление при синтезе аммиака – P=30 Мн/ ;
   
5. 
   Температура для синтеза аммиака – ;
   
6. 
   Катализатор объемом – ;
   
7. 
   Содержание в газе на выходе из колонны синтеза на новом свежем катализаторе – ;
   
8. 
   Содержание в газе на выходе из колонны синтеза на перезаряженном катализаторе – ;
   
9. 
   Содержание инертных газов – в свежем газе – ;
   
10. 
    Содержание инертных газов – в циркуляционном газе – ;
    
11. 
    Температура первичной конденсации газа на выходе из водяного холодильника и сепаратора при первой конденсации –
    
12. 
    Температура вторичной конденсации газа на выходе из второго (аммиачного) холодильника и сепаратора –
    

Расчет:

1. 
   Приход это количество газов, поступающая в колонну синтеза аммиака из сепаратора вторичной конденсации, исходя из его скорости и объема катализатора:
   

2. 
   По уравнению Ларсона и Блека состав газовой смеси, которая поступает в колонну для синтеза аммиака будет иметь следующий вид:
   

где: Р – давление газовой смеси, кн/м²;

Т – температура, К.

Подставляем значения в полученное выражение:



Отсюда получаем, что

Процентный состав газовой смеси показан в таблице 5.

Таблица 5

Поступающий газ в колонну, для синтезирования аммиака

Наименование	Процентное соотношение
	3,2
	3
	93,8 где:
Всего:	100

3. 
   Расход это объем газовой смеси, которая выходит из колонны синтеза аммиака:
   

    Сначала определяем, сколько поступает в колонну:



    Отсюда количество аммиака, образовавшегося в колонне за счет реакции синтеза, составит, нм³/ч

4. 
   Состав газа на выходе:
   

На выходе из колонны смесь имеет состав:

Таблица 6

Выходящая смесь из колонны синтеза

Наименование	Процентное соотношение
	16
	3,4
	80,6 где:
Всего:	100

Таблица 7

Материальный баланс колонны для синтеза аммиака

Приход		Расход
Статьи прихода	V в час, (кг)		Статьи расхода	V
Газовая смесь	144000		Газовая смесь	128100
	4160, (3500)			20500, (15560)
	4320, (3870)			4320, (3870)
	101300, (9010)			77470, (6940)
	33770, (42210)			25810, (32220)
Итого:	(58590)		Итого:	(58590)

5. 
   Производительность колонны – это количество аммиака, образующегося в катализаторной коробке за счет реакции синтеза, составит:
   

где:



Максимальная производительность колонны составляет:

6. 
   Подсчет количества колонн для синтеза аммиака производительностью 100 тонн:
   

Количество колонн:



Следовательно, для получения 100 тонн в год синтетического аммиака понадобится 1 колонна синтеза аммиака.

2. 
   Материальный баланс первичной конденсации
   

1. 
   Материальный баланс первичной конденсации имеет следующий вид:
   

где:

2. 
   Расчет количества газов растворенных в жидком аммиаке:
   

На 1000 кг жидкого аммиака при 30 Мн/ и при составляет: водород – 32,92; азот – 33,95; метан 103,00; аргон – 43,10.

Получается, на 1 кг растворимость смеси и инертных газов составит:





Конденсация аммиака:



Растворимые газы в аммиаке и их процентное соотношение в смеси:



Получаем, что:





Общее количество газов составляет: 0,02267

Подставим полученные данные в уравнение материального баланса первичной конденсации:

3. 
   Найдем аммиачный баланс в газовой смеси:
   

где:





Аммиачный баланс при первичной конденсации:



Отсюда:



Получаем уравнение:



где:

Отсюда получаем кг/ч:

4. 
   Уравнение выходящего газа имеет вид:
   

где:

Растворенные газы в жидком аммиаке и их количество можно рассчитать следующим образом:

- инертные газы:

- смесь, содержащее водород и азот: ;

Количество всех газов составляет 283 .

Количество растворенных газов, выходящих из первичной конденсации сепаратора составляет:



в процентном соотношении:



в процентном соотношении:



Количество аммиака в газовой смеси:



Состав выходящей газовой смеси при первичной конденсации аммиака:

Таблица 6

Выходящая смесь при первичной конденсации

Наименование	, (кг/ч)
(6,95%)	8023 (6100)
(3,7%)	4291 (3830)
(89,35)	103026 (39080)
Всего:	115340 (49010)

Материальный баланс первичной конденсации аммиака

Таблица 8

Приход		Расход
Статьи прихода	, (кг/ч)	Статьи расхода	, (кг/ч)
Газовая смесь из расхода синтеза аммиака колонны	128100 (58590)	Аммиак в жидком состоянии	12480 (9480)
			283, (100)
			115340
Итого:			128100 (58500)

3. 
   Материальный баланс продувки вторичной конденсации аммиака
   

1. 
   Баланс прихода.
   

Приход аммиака происходит из сепаратора первичной конденсации на продувку объемом Объем продувочных газов составляет:

2. 
   Баланс вторичной конденсации рассматривают, как объем жидкого аммиака; расход вторичной конденсации аммиака отбираемого из сепаратора; расход инертных газов и азото – водородной смеси, а также их количество, которые растворяются в жидком аммиаке количество новопоступающей азото – водородной смеси .
   

На выходе из сепаратора вторичной конденсации, газовая смесь составляет а значит материальный баланс вторичной конденсации составит:



где:

3. 
   Количество и инертных газов растворенных в жидком аммиаке при вторичной конденсации. Растворимость газов в 1 тонну , при 30 Мн/ и получаем:
   

- водород

- азот

- метан

- аргон

Растворимость и инертных газов в 1 кг жидкого аммиака составит:



Аммиак конденсируется:



В газовой смеси на выходе из сепаратора первичной конденсации содержится и инертных газов Перед входом в холодильник вторичной конденсации в смесь добавляют свежий газ в количестве 25% от основной смеси. Получаем, что парциальное давление в газовой смеси перед входом ее в холодильную установку второй конденсации составит:

то есть

то есть

Определим значение и





Всего: +

Подставим полученные значения в уравнение:

4. 
   Баланс аммиака:
   

- количество аммиака, поступающего с газовой смесью из сепаратора первичной конденсации, составляет 8023

- количество аммиака, отходящего с продувочными газами составляет:

- количество аммиака в газовой смеси, выходящей из сепаратора вторичной конденсации составляет

- количество жидкого аммиака, отходящего из сепаратора вторичной конденсации составляет

Уравнение баланса аммиака:







Подставим полученные значения в уравнение:

5. 
   Баланс инертных газов.
   

Приход по инертным газам с газовой смесью, выходящей из холодильной установки первичной конденсации составляет со свежей азотоводородной смесью Всего

Расход инертных газов с жидким аммиаком вторичной конденсации С продувочными газами 3,7%=0,037 С газовой смесью, выходящей из сепаратора вторичной конденсации .

Всего:

Получаем баланс инертных газов:









Количество продувочных газов и жидкого аммиака, получаемого при вторичной конденсации. Приравнивая вышеуказанные уравнения получим:





где .

Определим поступление азотоводородной смеси в цикл:



Общее количество газовой смеси:



Количество жидкого аммиака, полученного во вторичной конденсации:





Количество газов, растворенных в этом аммиаке:

- азотоводородной смеси:

- инертных газов:

Всего составит .

Количество продувочных газов:



Количество смеси, поступающей в холодильную камеру вторичной конденсации:



Количество выходного аммиака с продувочными газами для





Таблица 9

Материальный баланс продувки и вторичной конденсации аммиака

Приход		Расход
Статьи прихода	, (кг/ч)	Статьи расхода	, (кг/ч)
Газовая смесь из сепаратора первичной конденсации	15340 (9010)	Продувочные газы	2530 (1050)
		Жидкий аммиак	3230 (2450)
			46, (20)
		поступающая в колонну синтеза	144000 (58590)
Свежая азотоводородная смесь	4450 (3070)
Итого	49790 (2080)	Итого	149805 (62110)
Невязки	16 (30)	Невязки	+16 (+30)

Таблица 10

Сводная таблица циклов синтеза аммиака

Материальные потоки		(кг/ч)
1	2	3
Газовая смесь на выходе в колонну синтеза из сепаратора вторичной конденсации	144000	58590
Газовая смесь на выходе из колонны синтеза в сепаратор первичной конденсации	128100	58590
Газовая смесь на выходе из сепаратора первичной конденсации	115340	49010
Удаляемые газы из колонны -продувкой -с жидким аммиаком	2380 329	976 120
Количество аммиака -жидкого - выходит с продувочными газами	15710 176	11930 127

4. 
   Тепловой баланс
   

Состав теплового баланса ведется по 3 агрегатам:

1. 
   По теплообменнику колонны синтеза аммиака;
   
2. 
   По холодильной установке первичной конденсации;
   
3. 
   По холодильной установке вторичной конденсации;
   

Исходные данные:

Количество газовой смеси, поступающей в колонну синтеза из сепаратора вторичной конденсации: 40 ;

Температура смеси:

- при входе в кольцевое пространство колонны: ;

- при входе в теплообменник: ;

Количество газовой смеси, поступающей в трубки теплообменника из коробки катализатора

Температура смеси 5000 ;

Температура газа, поступающего в зону контактной массы коробки катализатора 40,00 ;

Количество аммиака, образовавшегося в колонне синтеза:



Тепловые потери колонны синтеза аммиака:

Приход тепла в колонну синтеза аммиака:

1. 
   Приход тепла в колонну составляет так как температура смеси составляет
   
2. 
   Тепловой эффект реакции синтеза при
   

где: Т=773К определяется следующим образом:











При синтезе, получаем аммиак в количестве Значит:



Общий расход тепла в колонну синтеза аммиака составит:



Расход тепла в колонну синтеза аммиака:

Тепловой поток с газовой смесью после колонны синтеза аммиака попадает в холодильную установку (холодильник первичной конденсации ), при этом выделяются тепловые потери ( ).

1. 
   Тепловые потери составляет 10%, следовательно:
   

2. 
   При температуре газовой смеси количества тепловой потери составит:
   

Таблица 11

Тепловые потери газовой смеси при температуре

Наименование теплопотерь	Формулы	Количество теплопотерь, Вт (Дж/сек)
Всего

3. 
   При температуре газовой смеси поступающая в трубку теплообменника, количества тепловой потери составит:
   

Таблица 12

Тепловые потери газовой смеси при температуре

Наименование теплопотерь	Формулы	Количество теплопотерь, Вт
Всего

4. 
   При температуре газовой смеси поступающая в катализатор, количества тепловой потери составит:
   

Таблица 13

Тепловые потери газовой смеси при температуре

Наименование теплопотерь	Формулы	Количество теплопотерь, Вт
Всего

Таким образом, газовая смесь должна получить тепла в теплообменнике:

количество тепла передаваемой газовой смесью в теплообменник из катализаторной коробки. Тепловой поток этой смеси будет равен:



Тепловой поток газовой смеси на выходе из теплообменника (с учетом теплоотдачи в кольцевое пространство ) составляет:



Температура газовой смеси на выходе из теплообменника, поступающего в холодильную камеру первичной конденсации:



где: ;



Таблица 14

Тепловые потери газовой смеси при температуре

Наименование теплопотерь	Формулы для , кВт	Формулы для , кВт	При , кВт	При , кВт
Всего

Следовательно: .

Найдем и :







При последующих расчетах принимаем

5. 
   Тепловой поток поступающий в катализаторную коробку, с температурой . Баланс тепловых потоков равен:
   

За счет синтеза происходит выделение тепла:



Приход тепла в катализаторную коробку:



При температуре тепловой поток этого газа составляет:



Часть тепла из катализаторной коробки передается газу, проходящему через кольцевое пространство колонны. Количество тепла равно:



Избыток тепла:

удаляется путем охлаждения.

Схема тепловых потоков колонны показана на рисунке 5 с исходными данными.



Рисунок 5 – Схема тепловых потоков в колонне синтеза:

I — кольцевое пространство; 2 — теплообменник в верхней части колонны синтеза, который включает и теплообменные трубки катализаторной коробки; 3 — катализаторная коробка.

1. 
   Тепловой расчет холодильной установки первичной конденсации
   

Исходные данные:

- Количество газовой смеси на входе в холодильную камеру (исходя из материального баланса первичной конденсации

- Температура газа на входе в холодильную камеру На выходе из холодильной камеры

- Температура охлаждающей воды а на выходе из холодильника

- Количество аммиака, сконденсированного в холодильной установке (исходя из материального баланса первичной конденсации

- Скрытая теплота конденсации аммиака

- Содержание аммиака в газовой смеси



где .

Количество тепла, отводимое от газа в зоне перегрева



Количество тепла, отводимое от газа в зоне конденсации:



где





Общее количество тепла:



Общее количество тепла, отводимое в холодильную камеру:



Количество воды поступающей в холодильную установку:



где: ;









Температура воды в зоне конденсации:



Температурная точка росы равна: