Практическая работа №14

Тема:  Расчёт материального и теплового балансов процесса синтеза

            карбамида по схеме с полным жидкостным рециклом

Цель:  Научиться составлять и рассчитывать материальный и тепловой балансы процесса синтеза карбамида по схеме с полным жидкостным рециклом.

Теоретические основы

     Карбамид получают из жидкого аммиака и газообразного диоксида углерода.

     Процесс синтеза карбамида протекает в две стадии. Вначале образуется карбамат аммония:

Во второй стадии карбамат аммония превращается в карбамид, отщепляя воду:

     Обе реакции обратимы, их равновесие зависит от температуры, давления и соотношения реагентов NH₃,  CO₂, H₂O. Оптимальными условиями промышленного синтеза карбамида  являются температура 185-200⁰С, давление до 200×10⁵ н/м², начальное отношение  NH₃ : CO₂ : H₂O =

4-5 : 1 : 0,5. 

     Современные установки работают по схемам с двухступенчатой дистилляцией плава (полузамкнутые, или с частичным рециклом).  По этим схемам значительная часть избыточного аммиака возвращается в процесс.

     Применяются также разнообразные схемы с полной рециркуляцией (возвратом) в процесс всего избыточного аммиака и двуокиси углерода. Современные установки позволяют получать гранулированный карбамид с улучшенными физическими свойствами.

Задание

     Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы процесса синтеза карбамида по схеме с полным жидкостным рециклом на   кг 100%-ного карбамида.

Варианты заданий

Порядок выполнения работы

     I  Расчёт материального баланса процесса синтеза карбамида по схеме с полным жидкостным рециклом

     Исходные данные:

• · Содержание  :

-  в жидком аммиаке …………………………………………………….  100%;

-  в возвратном растворе аммонийных солей …………………….   40%

• · Состав экспанзерного газа:

-  ………………………………………………………………     97%;

-  азотоводородная смесь …………………………………….   2%;

-   ……………………………………………………………........    1%.

• · Давление в колонне синтеза………………………………………… 200 × 10⁵ н/м².
• · Температура в колонне синтеза ……………………………………200⁰С.
• · Мольное отношение   NH₃ : CO₂ : H₂O  …………4,5 : 1 : 0,5
• · Степень превращения СО₂ ()……………………………………… 65%.
• · Общие потери карбамида в колонне синтеза……………………  7%.
• · Безвозвратные потери карбамида………………………………...  1,5%.

     1.1  Для получения g кг карбамида с учётом 7% его общих потерь в колонне синтеза должно образоваться карбамида,  кг

Исходя из этого количества карбамида, следует рассчитать общее количество реагентов, вводимых в колонну синтеза, как со стороны, так и оборотных.

     1.2 Расход реагентов, поступающих только со стороны, подсчитывается с учётом 1,5% безвозвратных потерь карбамида,  кг

     1.3 Теоретический расход реагентов на   определяем из уравнения

расход аммиака,  кг

,

где       -  масса 2 моль NH_3,  

             -  масса 1 моль карбамида.

расход двуокиси углерода, кг

                                       ,                                      

где    масса 1 моль СО₂ 

     1.4 Расход аммиака, поступающего со стороны,  кг 

     1.5 Расход двуокиси углерода с эспанзерным газом,  кг

     1.6 Определяем количество реагентов,  введённых  в колонну синтеза для образования G,  с учётом мольного соотношения 

NH₃ : CO₂ : H₂O = 4,5 : 1 : 0,5  и степени превращения двуокиси углерода в карбамид 65% :

     · аммиака,  кг                    

,

где M_NH3  -  масса 1 моль  NH_3, 

       М   -  масса 1 моль карбамида

     · двуокиси углерода,  кг

                              ,                                

где   -  масса 1 моль СО₂ 

         -  масса 1 моль карбамида

     · воды,  кг

                                          ,                          

где   -  масса 1 моль Н₂О, 

         -  масса 1 моль карбамида

     1.7 Определяем количество оборотных реагентов:

     · аммиака,   кг

     · двуокиси углерода,  кг

     1.8 Определяем суммарное  количество СО₂ и Н₂О  в оборотном растворе углеаммонийных солей,  кг

Это  количество составляет 60% раствора углеаммонийных солей, т.к. по условиям расчёта концентрация третьего компонента аммиака равна 40%.

     1.9 Общее количество оборотного раствора аммонийных солей,  кг

G_{об.р-ра ам.солей}  =

в том числе аммиака,  кг

 G _{об.р-ра ам.солей}  -

     1.10 Количество оборотного  жидкого аммиака,  кг

     1.11 Определяем объём двуокиси углерода, поступающей с инертными газами,  м³

                                ,                                           

где   -  масса 1 моль СО₂ 

     1.12 Определяем объём инертных газов,  м³

     1.13 Определяем массу инертных газов,  кг

     1.14 Общее количество реагентов, поступающих в колонну синтеза,  кг

     1.15 На образование G карбамида в колонне синтеза израсходовано двуокиси углерода,  кг

                            ,                                                         

где w  -  степень превращения двуокиси углерода в карбамид по условиям расчёта.

     1.16 Количество двуокиси углерода, которое связывается в карбамат аммония,  кг

     1.17 Количество карбамата аммония, оставшегося в растворе (плаве) карбамида,  кг

,

где   -  масса 1 моль карбамата аммония,

         -  масса 1 моль СО_2. 

     1.18 Количество аммиака, превращённого в карбамид,  кг

     1.19 Количество аммиака, связанного в виде карбамата аммония,  кг

,

где   -  масса 1 моль NH_3, 

       -  масса 1 моль карбамата аммония

     1.20 Определяем количество всего связанного аммиака,  кг

     1.21 Определяем количество избыточного аммиака,  кг

     1.22 Определяем количество воды, которое выделится при образовании ,  кг

     1.23 Определяем общее количество воды в растворе (плаве) карбамида в колонне синтеза,  кг

     1.24 Определяем количество аммиака, образующего с водой гидроокись аммония,  кг

     1.25 Определяем количество образовавшегося NH₄OH,  кг

     1.26 Определяем количество свободного аммиака,  кг

Таблица 14.1  -  Материальный баланс колонны синтеза карбамида

1.27 Определяем концентрацию карбамида в смеси на выходе из колонны синтеза,  %

II Расчёт теплового баланса процесса синтеза карбамида по схеме с полным жидкостным рециклом

     Исходные данные:

• ·Температура  жидкого аммиака (свежего и оборотного)   60⁰С
• ·Температура экспанзерного газа 35⁰С
• ·Температура раствора аммиачных солей (t₁)  100⁰С
• ·Температура в колонне (t₂) 200⁰С

Приход тепла:

     2.1 Определяем физическое тепло жидкого аммиака, поступающего  в колонну синтеза под давлением 200 × 10⁵н/м²,  кДж:

,

где   -  расход аммиака, поступающего со стороны, кг;

         -  количество оборотного жидкого аммиака, кг;

         -  энтальпия аммиака в принятых условиях,  кДж/кг

(= 291,1 кДж/кг).

     2.2 Определяем физическое тепло газообразной двуокиси углерода, поступающей с экспанзерным газом,  кДж:

,

где   -  расход двуокиси углерода  с экспанзерным газом,  кг;

          -  энтальпия  СО₂   при принятых условиях,  кДж/кг  (= 67 кДж/кг).

     2.3 Определяем физическое тепло, вносимое с раствором углеаммонийных солей,  кДж:

Q₃ = G_{об. р-ра ам. с} × t₁× с _{р-ра ам.с},

где - общее количество оборотного раствора аммонийных солей, кг;

       t₁  -  температура раствора аммонийных солей,  ⁰С;

       с _{р-ра ам.с} -  теплоемкость раствора аммонийных солей, кДж/(кг · град)

(с _{р-ра ам.с} = 3,7 кДж/кг × град).

     2.4 Определяем теплоту образования карбамата аммония,  кДж:

,

где   -  количество карбамата аммония, рассчитанное по расходу двуокиси углерода,  кг;

        -  теплота образования твёрдого карбамата аммония из газообразных двуокиси углерода и аммиака,  кДж/кмоль

( = 159320 кДж/кмоль);

       -  теплота плавления карбамата аммония,  кДж/кмоль

( = 25140 кДж/кмоль);

       -  масса 1 моль карбамата аммония, кг.

,

где -  количество двуокиси углерода, введённой в колонну синтеза для 

образования , с учётом мольного соотношения  NH₃ : CO₂ : H₂O = 4,5:1: 0,5 и степени превращения двуокиси углерода в  карбамид  65%,  кг;

           - масса 1 моль карбамата аммония;

            -  масса 1 моль СО₂.

     2.5 Определяем теплоту реакции образования раствора NH₄OH,  кДж:

,

где   -  количество образовавшегося  NH₄OH,   кг;

         -  теплота образования раствора  NH₄OH  из NH₃ и H₂O,    кДж/кмоль ( = 4000 кДж/кмоль);

         -  масса  1моль NH₄OH.   

     2.6 Определяем суммарный приход тепла,  кДж:

  Расход тепла:

     2.7 Определяем расход тепла на образование карбамида,  кДж:

,

где G  -  количество карбамида с учётом 7% его общих потерь в колонне синтеза,  кг;

       Q _обр. -  тепло образования карбамида при 155-210⁰С и избытке аммиака 125%,  кДж/кмоль (Q _обр. = 19030 кДж/кмоль);

         -  масса 1 моль карбамида.

     2.8 Определяем расход тепла на нагревание вводимого аммиака от 60⁰С до 200⁰С,  кДж:

),

где  -  расход аммиака, поступающего со стороны, кг;

        -  количество оборотной жидкости аммиака, кг;

         и    -  энтальпия аммиака при температурах 200 и 600С и давлении 200 × 10⁵ н/м²,  кДж/кг ( = 1292 кДж/кг,   = 291,1 кДж/кг).

     2.9 Определяем расход тепла на нагревание вводимой двуокиси углерода от 35 до 200⁰С,  кДж:

),

где   -  расход двуокиси углерода с экспанзерным  газом,  кг;  

         и    -  энтальпия двуокиси углерода при 200 и 35⁰С и давлении  200 × 10⁵ н/м²,  кДж/кг ( = 403,4 кДж/кг,    =  67 кДж/кг).

     2.10 Определяем расход тепла на нагревание раствора аммонийных солей от 100 до 200⁰С,  кДж:

,

где       -  общее количество оборотного раствора аммонийных солей,  кг

              температура в колонне,  ⁰С;

              температура раствора аммонийных солей;

            -  теплоёмкость раствора аммонийных солей, кДж/(кг × град);

( = 3,7 кДж/кг × град).

     2.11 Определяем расход тепла, уносимого продуктами, образовавшимися в колонне синтеза,  кДж:

,

где -   количество карбамида с учётом 7% его общих потерь в колонне синтеза,  кг;

     -  теплоёмкость карбамида при 200⁰С,  кДж/ кг × град

( = 2,243 кДж/кг × град);

      - количество карбамата аммония, оставшегося в растворе (плаве) карбамида,  кг;

      -  теплоёмкость карбамата аммония при 200⁰С,  кДж/ кг × град

( = 1,954 кДж/кг × град);

      -  количество избыточного аммиака,  кг;  

       -  теплоёмкость аммиака при 200⁰С,  кДж/ кг × град

(= 1,8 кДж/ кг × град);

     -  общее количество воды в растворе (плаве) карбамида в колонне синтеза,  кг;

      -  теплоемкость воды при 200⁰С, кДж/ кг × град (= 4,4 кДж/кг×град).

     2.12 Определяем разность между приходом и расходом тепла,  кДж:

     2.13 Определяем разность между приходом и расходом тепла,  кДж:

Эта величина  может быть отнесена к потерям тепла в окружающую среду.

Таблица 14.2  -  Тепловой баланс колонны синтеза карбамида

Контрольные вопросы:

1. 1.   Что является сырьём для получения карбамида?
2. 2.   Назовите стадии процесса синтеза карбамида
3. 3.   От каких параметров зависит процесс синтеза карбамида?
4. 4.   Назовите оптимальные условия промышленного синтеза карбамида
5. 5.   По каким схемам получают карбамид?