Практическая работа №15

Тема: Расчет материального и теплового балансов 1 и 2 ступени дистилляции плава карбамида.

Цель: Рассчитать материальный и тепловой балансы 1 и 2 ступени дистилляции плава карбамида.

Теоретические основы

     Карбамид получают в кристаллическом и гранулированном виде. В первом случае после дистилляции плава раствор карбамида выпаривают в одну ступень до концентрации 95-96% СО(NН₂)₂ в вакуум-выпарном аппарате при абсолютном давлении 0,4×10⁵ н/м² и температуре кипения 125⁰С. Упаренный раствор охлаждается в кристаллизаторе, при этом образуется кристаллический продукт.

     Для получения гранулированного карбамида раствор упаривают до состояния плава, после охлаждения которого продукт затвердевает. Раствор карбамида упаривают в две ступени: вначале до концентрации 95-96%, затем до 99,8% СО(NН₂)₂. вторую ступень выпаривания ведут при абсолютном давлении 0,003×10⁵ н/м².

Задание

     Рассчитать материальный и тепловой балансы 1 и 2 ступени дистилляции плава карбамида.

Порядок выполнения работы

I Расчет материального баланса 1 ступени дистилляции плава.

     Исходные данные:

Абсолютное давление в колонне дистилляции …………………………..25 ат.

Избыток аммиака………………………………………………………………..125%.

Степень отгонки аммиака (k)……………………………………………...67%.

     Состав газовой фазы, выходящей из колонны дистилляции 1 ступени (без учета инертных газов):

аммиак (ω)……………………………………………………………………..96,75%;

двуокись углерода (ω) ………………………………………………………0,25%;

вода (пар) (ω)………………………………………………………………….3,00%.

     Состав плава принят согласно материальному расчету процесса синтеза карбамида (см. практическую работу №14 таблицу 14.1).

1.1 Количество аммиака, отгоняемого из плава, кг:

           G_своб. × k

G= ──────────,

   100

где G_своб.- свободный аммиак, кг (см. практическую работу №14 таблицу 14.1)

или в м³                                               G× 22,4

                                              V=  ─────────,

М

где М- молекулярная масса аммиака.

1.2 Количество аммиака, оставшегося в плаве, кг:

G= G_своб.- G

1.3 Количество газовой фазы, м³:

V_{газ. фазы} =

1.4 В газовой фазе содержится:

• · Двуокись углерода, м³ :         V=

                            или в кг          G=,

где М- молекулярная масса двуокиси углерода.

• · Пары воды, м³:   V =            

             или в кг      G= ,

где М- молекулярная масса воды.

1.5 Двуокись углерода образуется при разложении карбамата аммония по реакции

NH₂COONH₄ → 2NH₃ + CO₂

Количество разложившегося карбамата аммония составляет

G= ,

где М- молекулярная масса карбамата аммония;

       М- молекулярная масса двуокиси углерода.

1.6 Количество аммиака, выделившееся при разложении карбамата аммония, кг:

G= ,

где М- молекулярная масса 2-х молекул аммиака;

       М- молекулярная масса карбамата аммония.

1.7 Уточняем количество аммиака, оставшегося в плаве, кг:

G= G+ G

1.8 Количество карбамата, выводимого из колонны дистилляции 1 ступени, кг:

G= G- G,

G- количество карбамата аммония. оставшегося в растворе (плаве) карбамида, кг (см. таблицу 14.1, практическая работа №14).

Результаты расчета сведены в таблицу 15.1

Таблица 15.1 – Материальный баланс 1 ступени дистилляции плава

Примечание: G, G, G, G, G (см. таблицу 14.1, графа 4, практическая работа №14)

II Тепловой баланс 1 ступени дистилляции плава

     Исходные данные:

Температура поступающего плава (до дросселирования) t₁ ……………190⁰С.

Температура жидкости в нижней части колонны t₂ ……………………….110⁰С.

Температура плава в верхней части колонны (после дросселирования) t₃……………………………………………………………………………………….90⁰С.

     Приход тепла:

2.1 Тепло, приносимое плавом карбамида, ккал:

Q₁ = G₁× C_плава × t₁,

где G₁ – количество поступающего плава карбамида (без инертных газов), кг   G₁ = G_{прихода} – G;

       t₁ – температура поступающего плава карбамида, ⁰С (см. исходные данные);

      C_плава – средняя теплоемкость плава, ккал/кг×град.

Среднюю теплоемкость плава определяем по формуле:

      C_плава =,

где  G, G, G, G - количество карбамида, карбамата аммония, воды, избыточного аммиака в % (см. приход, графа 3, таблица 15.1);

        С_Р1 – теплоемкость карбамида (С_Р1 = 0,321ккал/кг×град);

        С_Р2 – теплоемкость карбамата аммония (С_Р2 = 0,466ккал/кг×град);

        С_Р3 – теплоемкость воды (С_Р3 = 1,0ккал/кг×град);

        С_Р4 – теплоемкость жидкого аммиака (С_Р4 = 1.14ккал/кг×град).

2.2 Тепло, выделяющееся при охлаждении инертных газов, ккал:

Q₂ = G × C_азота × (t₁ – t₃),

где G_{ин. г} – количество инертных газов, кг

(G= , кмоль   М _азота – молекулярная масса азота);

       С_азота - теплоемкость азота (С_азота = 7,16 ккал/кмоль×град);

       t₁ и t₃  - см. исходные данные.

2.3 Тепло, подводимое в колонну с водяным греющим паром, ккал:

Q₃ = Х ккал

2.4 Общий приход тепла составляет, ккал:

Q_{прихода} = Q₁ + Q₂ + Q₃

    Q_{прихода} = Q₁ + Q₂ + Х

Расход тепла:

2.5 Количество тепла, отводимого с плавом карбамида, ккал:

Q= G× C × t₂,

где G- количество выводимого плава карбамида, кг (см. таблицу 15.1. расход, жидкая фаза)  G= G+ G+ G + (G- G);

       t₂ – см. исходные данные;

       C - теплоемкость выводимого плава карбамида, ккал/кг×град.

Теплоемкость выводимого плава карбамида определяем по формуле:

C =

где G, G, G, (G- G) – количество карбамида, карбамата аммония, воды, аммиака в % (см. расход, жидкая фаза, графа 3, таблица 15.1);

       С_Р1 – теплоемкость карбамида (С_Р1 = 0,321ккал/кг×град);

       С_Р2 – теплоемкость карбамата аммония (С_Р2 = 0,466 ккал/кг×град);

       С_Р3 – теплоемкость воды (С_Р3 = 1,0 ккал/кг×град);

       С_Р4 – теплоемкость жидкого аммиака (С_Р4 = 1.14 ккал/кг×град).

2.6 Тепло, расходуемое на разложение карбамата аммония, ккал:

Q= ,

где G- количество, разложившегося карбамата аммония, кг;

       Q_{реакции} – тепловой эффект реакции образования карбамата аммония

(Q_{реакции} = 38060 ккал/кмоль);

      Q_пл.- теплота плавления карбамата аммония (Q_пл = 18500 ккал/кмоль).

2.7 Тепло, расходуемое на выделение избыточного аммиака, ккал:

Q= ,

где G- количество аммиака, отгоняемого из плава, кг;

       Q_{раств. аммиака} – тепло, выделяющееся при растворении аммиака

(Q_{раств. аммиака} = 7800ккал/кмоль);

       М- молекулярная масса аммиака.

2.8 Тепло, расходуемое на испарение воды, ккал:

Q= G× Q_{исп. воды},

где G, кг - см. материальный баланс таблица 15.1, расход, газовая фаза.

        Q_{исп. воды} – теплота испарения воды при 25 ат. (Q_{исп. воды} = 441ккал/кг).

2.9 Тепло, уносимое отходящими газами дистилляции (без инертных газов), ккал:

Q= G_{отх. г} × С_{газов дист.}× t₃,

где G_{отх. г} = G+ G+ G (см. таблицу 15.1, расход, газовая фаза, кг);

       t₃ – см. исходные данные;

       С_{газов дист} – средняя теплоемкость газов дистилляции, ккал/кг×град.

     Определяем среднюю теплоемкость газов дистилляции по формуле:

С_{газов дист.} = ,

где ω, ω, ω - см. исходные данные для расчета материального баланса 1 ступени дистилляции плава (%);

      С- теплоемкость газообразного аммиака (С=0,59ккал/кг×град);

      С- теплоемкость двуокиси углерода (С=0,245 ккал/кг×град);

      С- теплоемкость воды (С=1,0 ккал/кг×град).

2.10 Подсчитываем расход тепла, ккал:

Q_{расхода} = Q + Q + Q+ Q+ Q

2.11 Потери тепла в окружающую среду принимаем в размере 3% от общего расхода тепла, ккал:

Q_{окр. ср.} = 0,03× Q_{расхода}

2.12 Суммарный расход тепла составит, ккал:

Q= Q_{расхода} + Q_{окр. ср}

2.13 Приход тепла равен расходу, тогда

Q₁ + Q₂ + Х = Q

отсюда находим Х, ккал  – количество тепла, подводимого греющим паром.

2.14 Расход пара на дистилляцию 1 ступени составляет, кг:

G = ,

где Q_{конд. пара} – теплота конденсации пара при р_абс. = 3 ат

(Q_{конд. пара}= 517,3 ккал/кг).

III Расчет материального баланса 2 ступени дистилляции плава

     Исходные данные:

     Для расчета на q кг (см. варианты заданий практическая работа №14) готового продукта принимается, что абсолютное давление в колонне дистилляции 2 ступени (Р) …………………………….. 1, 2ат.

     Потери карбамида при разложении карбамата аммония в процессе дистилляции 2 ступени (g)…………………………………………………… 5%.

     Состав плава, поступающего в колонну дистилляции 2ступени, соответствует, согласно материальному балансу процесса дистилляции 1 ступени, составу жидкой фазы, уходящей из колонны дистилляции 1 ступени (см. таблицу 15.1).

     Условно принимаем, что разложение аммонийных солей и отгонка аммиака и двуокиси углерода во 2 ступени будут полными.

     Средняя температура, отгоняемых газов t₄………………………. 82⁰С.

3.1 Количество карбамида, разложившегося при дистилляции (5% от веса готового продукта) составит, кг:

              q× g

G= ─────────

            100

Из которого по реакции  (NH₂)₂CO + H₂O = NH₂COONH₄

образуется следующее количество карбамата аммония, кг:

                       G× M

G= ─────────────── ,

                         M

где M- молекулярная масса карбамата аммония;

       M- молекулярная масса карбамида.

3.2 На образование карбамата аммония из карбамида расходуется воды, кг:

          G× M

G= ────────────,

        M

где M- молекулярная масса воды.

3.3 Общее количество карбамата аммония, который должен разложиться в колонне, составляет, кг:

G= G + G

3.4 При разложении карбамата аммония по реакции NH₂COONH₄ →2NH₃+CO₂

выделяется, кг:   

                                   G× М

• · аммиака   G= ────────────,

                                          M

где М- молекулярная масса аммиака

                                                          G× M

• · двуокиси углерода   G= ────────────,

                                                                M

где M- молекулярная масса двуокиси углерода.

3.5 Общее количество отгоняемого в колонне аммиака составляет, кг:

G= G+ G,

G- см. таблицу 15.1, расход, жидкая фаза

3.5 Объемы аммиака и двуокиси углерода, отгоняемых из колонны, м³:

       G× 22,4 × (273 + t₄)

V= ─────────────────

М× 273 × Р

          G× 22,4 × (273 + t₄)

V= ───────────────,

     M× 273 × Р

где 22,4 – объем 1 кмоль газа при нормальных условиях, м³;

      (273 + t₄) – средняя температура, отгоняемых газов, ⁰К ;

       Р – давление в колонне, ат  (Р = 1,2 ат).

3.6 Приняв степень насыщения газов (уходящих из колонны дистилляции) парами воды равной 18%, определим объем паров воды, уходящих с газами, м³:

V= (V + V) × 0,18

или при нормальных условиях, м³

                V × 273 × Р

V_(н.у) = ─────────

               (273 + t₄)

что соответствует, кг

             V_(н.у) × M

G= ────────

           22,4

3.7 Количество карбамида, выходящего их колонны дистилляции, кг:

G= G - G

3.8 Концентрация раствора карбамида, выходящего из колонны дистилляции, равна 80%, следовательно, общее количество раствора карбамида, кг:

                      G× 100

G= ─────────

                 80

Количество воды, содержащееся в растворе карбамида, составит, кг:

G= G -  G

3.9 Количество воды, которое должно поступить в колонну в виде пара, составляет, кг:

G= G + G + G - (G- G)

(G- G) см. таблицу 15.1, расход, жидкая фаза.

Таблица 15.2 – Материальный баланс второй ступени дистилляции плава

IVРасчет теплового баланса 2 ступени дистилляции плава

     Исходные данные:

Температура, поступающего плава t₅ ……………………………………… 100⁰С.

Температура, отходящих газов (в верхней части колонны) t₆...............  80⁰С

     Приход тепла:

4.1 Тепло, приносимое плавом карбамида, ккал:

Q₁ = G × C× t₅,

где C- средняя теплоемкость плава карбамида

(C=0,572 ккал/кг×град).

4.2 Тепло, выделяющееся при разложении Gкг карбамида, ккал:

         G× Q_{реакции}

Q₂ = ────────────,

     M

где Q_{реакции} – тепловой эффект реакции образования карбамида при

100%-ном избытке аммиака (Q_{реакции} = 4540 ккал/кмоль).

4.3 Суммарный приход тепла составит, ккал:

Q_{прихода} = Q₁ + Q₂

     Расход тепла:

4.4 Тепло, расходуемое на разложение карбамата аммония, ккал:

            G× (Q_{реак. обр. карб. аммония} – Q_{пл. карб. аммония})

Q= ───────────────────────────────────,

M

где Q_{реак. обр. карб. аммония}  - тепловой эффект реакции образования карбамата аммония (Q_{реак. обр. карб. аммония} = 38060 ккал/кмоль);

       Q_{пл. карб. аммония} – теплота плавления карбамата аммония

(Q_{пл. карб. аммония} = 18500 ккал/кмоль);

       G- количество разлагаемого карбамата аммония, кг (см. стр.7)

4.5 Тепло, расходуемое на выделение избыточного аммиака, ккал:

         G× Q_{раств. аммиака}

Q= ────────────,

 М

где Q_{раств. аммиака} – тепло, выделившееся при растворении аммиака

(Q_{раств. аммиака} = 7800 ккал/кмоль);

       G- см. таблицу 15.2, приход.

4.6 Тепло, расходуемое на испарение воды, ккал:

Q = G× Q_{исп. воды},

где Q_{исп. воды} – теплота испарения воды при абсолютном давлении 1,2 ат

(Q_{исп. воды} = 536 ккал/кг).

4.7 Тепло, уносимое отходящими газами дистилляции, ккал:

Q= G_{отх. газов} × С_{газов дист.} × t₆,

где G_{отх. газов} = G+ G+ G (см. таблицу 15.2)

       С_{газов дист.} - средняя теплоемкость газов дистилляции, ккал/кг×град.

 Среднюю теплоемкость газов дистилляции определяем по формуле:

                        G× С + G× С+ G× С

С_{газов дист.} = ───────────────────────────,

100

где G, G, G- количество аммиака, двуокиси углерода, водяных паров ( в %) (см. таблицу 15.2, расход, отходящие газы, графа 5);

      С- теплоемкость газообразного аммиака (С=0,59ккал/кг×град);

      С- теплоемкость двуокиси углерода (С=0,245 ккал/кг×град);

      С- теплоемкость воды (С=1,0 ккал/кг×град).

4.8 Тепло, уносимое раствором карбамида, ккал:

Q= G× C× t₂,

где G- см. стр. 9

       t₂ – см. стр. 4 (исходные данные)

       C - теплоемкость раствора карбамида

(C= 0,457 ккал/кг×град).

4.9 Посчитываем расход тепла, ккал:

Q_{расхода} = Q + Q + Q + Q + Q

4.10 Потери тепла в окружающую среду, ккал:

Q_{окр. среду} = Q_{расхода} × 0,03

4.11 Суммарный расход тепла составит, ккал:

Q= Q_{расхода} + Q_{окр. среду}

4.12 Расход тепла в процессе дистилляции плава превышает приход тепла на:

∆ = Q - Q_{прихода}

Это недостающее количество тепла подводится извне греющим паром.

4.13 Требуемый расход греющего пара (р_абс. = 3ат) составит, кг:

G = ,

где l - теплота парообразования при 3 ат. (l = 517,2 ккал/кг)

Контрольные вопросы:

1. В каком виде получают карбамид?

2. Как получают карбамид в кристаллическом виде?

3. Как получают карбамид в гранулированном виде?

4. Назовите две ступени упаривания карбамида.