Практическая работа №9

Тема: Расчет материального баланса установки синтеза аммиака

Цель: Рассчитать материальный баланс установки синтеза аммиака

Теоретические основы

     Синтез аммиака описывается уравнением: 

     N₂ + 3H₂ « 2 NH₃ +Н

     Это обратимый гетерогенный каталитический процесс, протекающий с выделением теплоты и значительным уменьшением объема. По принципу Ле Шателье для увеличения выхода аммиака (смещения равновесия вправо) необходимо повышение давления и понижение температуры. 

     Равновесный выход аммиака с уменьшением температуры увеличивается, но при этом падает скорость реакции. В промышленных условиях для ускорения процесса синтез аммиака проводят при 450-520⁰С в присутствии катализатора.

     Из существующих катализаторов наибольшую активность проявляют контактные массы на основе пористого железа с добавлением промоторов Al₂O₃, K₂O, CaO, MgO и SiO₂. Однако под воздействием высокой температуры и каталитических ядов железный катализатор быстро теряет свою активность, поэтому для увеличения срока службы катализатора азотно-водородную смесь перед синтезом тщательно очищают от каталитических ядов. Срок службы железного катализатора составляет два года.

Задание

Составить и рассчитать материальный баланс установки синтеза аммиака

Варианты заданий

Давление при синтезе (Р) – 30 Мн/м².

Температура синтеза (t_{синтеза})  – 480-500⁰С.

Объем катализатора в катализаторной коробке колонны синтеза (V_{катализатора}) – 4,8м³.

Содержание NH₃ в газе на выходе из колонны синтеза:

максимальное (на свежем катализаторе) n_тах – 16%;

минимальное (перед перезарядкой катализаторной коробки) n_тiп – 12%.

Содержание инертных газов (СН₄ + Ar) в свежем газе n_{CH4 в св.газе}     – 0,2%,

в циркулирующем газе (n_{CH4 в ц. газе}) при входе в колонну синтеза не должно превышать 3,0%.

Температура первичной конденсации газа на выходе из водяного холодильника и сепаратора при первой конденсации t₁     – 25⁰С.

Температура вторичной конденсации газа на выходе из второго (аммиачного) холодильника и сепаратора t₂      – 0⁰С.

Порядок выполнения работы

I Материальный баланс, состав газов и производительность колонны синтеза. Подсчет количества агрегатов установки синтеза.

1.1 Приход. Количество газа (V₁ нм³/ч), поступающего в колонну синтеза (из сепаратора вторичной конденсации), определяется из объемной его скорости (W_АВС) и количества катализатора, заполняющего катализаторную коробку (V_{катализатора}).

V₁ = W_АВС × V_{катализатора}

1.2 Состав газовой смеси, поступающей в колонну синтеза. Концентрация NH₃ в смеси определится по эмпирическому уравнению Ларсона и Блека.

                                59,879       1099,5

lg с_{1 (NH3)} = 4,185 + ─────  –  ─────

                                             Т

где Р – давление газовой смеси, кн/м²;

       Т – температура в ⁰К.

     Подставляя в это выражение Р = 30 × 10³кн/м² и Т = 273⁰К, находим

с_{1 (NH3)} в %.

     Таким образом, газ, поступающий в колонну синтеза (или, что то же самое, выходящий из сепаратора вторичной конденсации) имеет состав

(в %) см. таблицу 9.1.

Таблица 9.1 – Состав газа, поступающего в колонну синтеза

1.3 Расход. Обозначим объем газовой смеси, выходящей из колонны синтеза, через V₂ нм³/ч. Согласно заданию, в этой смеси содержится 16% NH₃. Следовательно, выход из колонны 0,16 × V₂ нм³/ч NH₃.

Поступает в колонну аммиака V , нм³/ч

    с_{1 (NH3)} 

V  = ──── × V₁

   100

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

V_NH3 = 0,16 × V₂   –  V

     Реакция синтеза (3Н₂ + N₂ = 2 NH₃) протекает с уменьшением объема исходной смеси вдвое. Следовательно, единица объема NH₃ в конечном газе  дает такое же уменьшение объема исходной газовой смеси. Отсюда имеем

V₂ = V₁ – V_NH3

     Решая это уравнение, получим V₂ нм³/ч.

1.4 Состав газа на выходе из колонны синтеза.

На входе в колонну синтеза газовая смесь содержит 3,0% (СН₄ + Ar). Количество метана и аргона в процессе синтеза остается неизменным . следовательно. содержание их в газовой смеси. выходящей из колонны, составит в %.

                      n_{CH4 в ц. газе} × V₁

(СН₄ + Ar ) = ───────────

                      V₂

Таким образом, на выходе из колонны газовая смесь имеет состав (в %) см. таблицу 9.2.

Таблица 9.2 – Состав газовой смеси на выходе из колонны синтеза

Сведем данные материального баланса колонны синтеза в таблицу 9.3

Таблица 9.3 – Материальный баланс колонны синтеза аммиака

Примечание:

• · Выход в % газовых смесей брать из таблиц 9.1 и 9.2
• · Пересчет объемных единиц (V нм³) в массовые (G кг) производим по уравнению:                  V × M

                            G = ─────, где М – молекулярная масса

                                     22,4

• · Среднее значение М _{СН4 + Ar} = 20г/моль, так как примерное соотношение СН₄ : Ar = 4 : 1

1.5 Производительность колонны.

Количество аммиака, образующегося в катализаторной коробке за счет реакции синтеза, составит

V_NH3 = V₁ - V₂

Это составит максимальную (на свежем катализаторе) производительность колонны синтеза, кг/ч

         V_NH3 × M

G= ───────,

   22,4

где M- молекулярная масса аммиака.

     По той же методике подсчитываем минимальное количество NH₃, образующегося в колонне синтеза (к концу работы колонны, т.е. перед перезарядкой катализаторной коробки свежим катализатором), нм³/ч :

n_тiп × V₂

  V=  ─────   -  V

                                                               100

                                                              V× M

или   кг/ч                                  G= ────────

                                                                  22,4

Отсюда средняя производительность колонны синтеза будет, кг/ч

            G+ G

G= ───────

           2

1.6 Подсчет количества колонн (агрегатов).

Общая производительность установки дана в задании, надо подсчитать ее в кг/ч. Средняя производительность одной колонны G. Следовательно, количество колонн (агрегатов) составит

      G_общ

n = ────

       G

II Материальный баланс первичной конденсации.

2.1 Приход. На первичную конденсацию поступает см. таблицу 9.3:

газовая смесь, в том числе аммиак, инертные газы и азото-водородная смесь (азот + водород).

2.2 Расход. Обозначим: V₃ - объем газовой смеси, выходящей из сепаратора первичной конденсации; V - количество нм³/ч сконденсированного NH₃ и удаляемого из сепаратора первичной конденсации в виде жидкого аммиака; V- количество инертных газов, растворенных в жидком аммиаке; V - количество азото-водородной смеси, растворенной в жидком аммиаке.

    Тогда уравнение материального баланса первичной конденсации примет вид

V₂ = V₃ + V + V+ V

Откуда

                          V₃ = V₂ - V - (V+ V)                      (а)

2.3 Расчет количества газов ( Vи V), растворенных в жидком аммиаке.

Растворимость газов в 1000кг жидкого аммиака при 30Мн/м² и 25⁰С составляет:

водорода (κ) - 32,92нм³;

азота (κ) - 33,95 нм³;

метана (κ) - 103,0 нм³;

аргона (κ) - 43,1 нм³.

Отсюда растворимость азото-водородной смеси (3Н₂+N₂) и инертных газов (4СН₄ + Ar) на 1кг NH_3(ж) составит, нм³

S = (0,75 × κ+ 0,25 × κ)× 10 ^-3

S_ин.г = (0,8 × κ + 0,2 × κ) × 10 ^-3

Аммиака конденсируется V нм³, что составит, кг

                V× M

G = ────────

            22,4

Количество растворенных газов в аммиаке будет соответствовать их парциальной доле в составе газовой смеси:

                      р= 0,806 × Р;            р = 0,034 × Р

Р = 1

Из этих данных получим

V = G × S× р                                                            

Итого (V+ V) находим сложив два уравнения

V+ V= G × S× р+ G × S_ин.г × р

Подставляя (V+ V) в уравнение (а), получим V₃ .

Это будет уравнение (б) с неизвестным V.

2.4 Баланс аммиака. Концентрация аммиака в газовой смеси, выходящей из сепаратора первичной конденсации, определяем по формуле:

                                59,879       1099,5

lg с_(NH3) = 4,185 + ─────  –  ─────

                                             Т

Т = 298⁰К (25⁰С), Р = 30×10³кн/м²

откуда находим с_(NH3).

Следовательно, баланс аммиака при первичной его конденсации определится

                                с_(NH3)× V₃

W(NH₃) = V + ──────,

                             100

где W(NH₃) объем аммиака в нм³/ч в газовой смеси, выходящей из колонны синтеза (см. материальный баланс колонны синтеза аммиака таблица 9.3, расход)

откуда находим V₃. Это будет уравнение (в) с неизвестным V.

Приравнивая уравнение (б) к уравнению (в), находим V в нм³.

Это составит, кг/ч

               V× M

G = ──────────

             22,4

2.5 Количество и состав газа на выходе из сепаратора первичной конденсации.

Объем газовой смеси, выходящей из сепаратора первичной конденсации, V₃ в нм³/ч определится из уравнения (б) или (в).

Количество азото-водородной смеси, растворенной в жидком аммиаке, (в нм³) определяем, подставляя в уравнение определения V.

Количество инертных газов, растворенных в жидком аммиаке (в нм³) определяем, подставляя в уравнение определения V.

Находим общее количество газов, растворенных в жидком аммиаке (в нм³):

V_{общ. газов} = V + V

Количество азото-водородной смеси и инертных газов в газовой смеси, выходящих из сепаратора первичной конденсации, составит (нм³/ч):

V₁ = (V + V) - V,

где V и V- см. материальный баланс колонны синтеза аммиака

таблица 9.3, расход.

V₁= V - V

или в процентах

                   V₁× 100

(3Н₂ + N₂) = ─────────

                                                                           V₃

                  V₁× 100

(CH₄ + Ar) = ──────────

                   V₃

Количество NH₃ в газовой смеси

V_1NH3 = V₃ – (V₁+ V₁)

Сведем данные баланса первичной конденсации в таблицу 9.4

Таблица 9.4 – Материальный баланс первичной конденсации аммиака

III Материальный баланс продувки и вторичной конденсации аммиака

3.1 Баланс продувки. Поступает из сепаратора первичной конденсации на продувку V₃ нм³/ч газовой смеси. Обозначим количество продувочных газов через V_{прод. газов}  нм³/ч. Тогда объем газовой смеси Vпосле продувки составит, нм³/ч

V = V₃ – V_{прод. газов}

3.2 Баланс вторичной конденсации.

     Обозначим:

V - количество жидкого аммиака, отбираемого из сепаратора вторичной конденсации (расход);

V - количество азото-водородной смеси, растворенной в жидком аммиаке (расход);

V - количество инертных газов, растворенных в жидком аммиаке (расход);

V₄ – количество свежей азото-водородной смеси, поступающей на синтез (приход).

     Выходит из сепаратора вторичной конденсации V₁ нм³/ч газовой смеси (см. таблицу 9.3 материального баланса колонны синтеза). Следовательно, материальный баланс вторичной конденсации определится, нм³/ч

V + V₄ = V₁ + V + (V + V),

или

V₃ – V_{прод. газов} + V₄ = V₁ + V + (V + V)

откуда

              V₄ - V - V_{прод. газов} - (V + V) = V₁ - V₃                      (г)         

3.3 Количество азото-водородной смеси (3Н₂+N₂) и инертных газов

(CH₄ + Ar), растворенных в жидком аммиаке вторичной конденсации.

Растворимость газов в 1000кг NH₃(ж) при 30 Мн/м²и 0⁰С составляет:

водорода (κ) – 18,96 нм³;

азота (κ) – 17,7 нм³;

метана (κ) – 60,0 нм³;

аргона (κ) – 25,0 нм³.

     Отсюда растворимость азото-водородной смеси (3Н₂+N₂) и инертных газов (4СН₄ + Ar) на 1кг NH_3(ж) составит, нм³

S = (0,75 × κ+ 0,25 × κ)× 10 ^-3

S = (0,8 × κ + 0,2 × κ) × 10 ^-3

Аммиака конденсируется, кг

                V× М

G= ────────

             22,4

     В газовой смеси на выходе  из сепаратора первичной конденсации содержится ω₁% (3Н₂+N₂) и ω₂ % (СН₄ +Ar)  (см. выход % таблица 9.4- материальный баланс первичной конденсации аммиака). Перед входом в холодильник второй конденсации в эту смесь добавляется свежий газ (3Н₂+N₂) в количестве примерно 25% от общего количества газовой смеси. Отсюда парциальное давление (3Н₂+N₂) и (СН₄ +Ar) в газовой смеси перед входом ее в холодильник  второй конденсации составит

                   (ω₁ + 25)× Р

р_(3Н2+N2) = ────────

                   1,25

                  ω₂× Р

р_{(СН4 +Ar)} = ─────

                 1,25

Р=1

На основе этих данных определяем значение V и V (в нм³/ч):

V = G× S× р_(3Н2+N2)× 10 ^-2                                               (г)

Сложив два уравнения, находим (V + V) с неизвестным V

     Подставляя это значение (V + V) в уравнение (г), получим

уравнение с неизвестными V₄, V_{прод. газов}, V                             (д)

4. Баланс аммиака:

а) количество NH₃, поступающего с газовой смесью из сепаратора первичной конденсации, составит V_1NH3 (см. баланс первичной конденсации), нм³/ ч;

б) количество NH₃, отходящего с продувочными газами, нм³/ч

ω_NH3

     V_2NH3 = ────× V_{прод. газов}

100

ω_NH3 – см. материальный баланс первичной конденсации (выход аммиака в %);

в) количество аммиака в газовой смеси, выходящей из сепаратора вторичной конденсации (поступающей в колонну синтеза – см. таблицу материального баланса колонны синтеза), V_{приход NH3}, нм³/ч;

г) количество жидкого аммиака, отходящего из сепаратора вторичной конденсации, V.

     Отсюда баланс аммиака при продувке и вторичной конденсации определится

V_1NH3 = V_2NH3 + V_{приход NH3} + V

Из баланса аммиака находим V_{прод. газов}. Это будет уравнение с неизвестным V (е)

Подставляя  V_{прод. газов} в уравнение (д), получим уравнение с двумя неизвестными V₄ и V. Это будет уравнение  (ж).

5. Баланс инертных газов.

Приход по инертным газам (в нм³/ч):

- с газовой смесью, выходящей из холодильника первичной конденсации V₁ (см. материальный баланс первичной конденсации аммиака)

- со свежей азото-водородной смесью 0,002 × V₄.

Расход инертных газов (в нм³/ч):

- с жидким аммиаком вторичной конденсации V;

                                                                                       ω₂

- с продувочными газами (концентрация их ω₂)    ─── × V_{прод. газов};

                                                                                     100

- с газовой смесью, выходящей из сепаратора вторичной конденсации (поступающей в колонну синтеза) V_{(СН4 + Ar)}  (см. материальный баланс колонны синтеза, приход (СН₄ + Ar)   в нм³/ч).

Итого

V₁+ 0,002 × V₄ = V + ω₂/100 × V_{прод. газов} + V_{(СН4 + Ar)}

Отсюда находим V_{прод. газов}. Это будет уравнение с двумя неизвестными V₄ и V. Уравнение (з).

6. Количество продувочных газов и жидкого аммиака, полученного при вторичной конденсации.

     Приравниваем уравнение (з) к уравнению (е) и находим V. Это будет уравнение (и).

     Затем, подставляя V в уравнение (ж) находим V₄.

     Таким образом, свежей азото-водородной смеси поступает в цикл V₄, что составит к общему количеству газовой смеси, поступающей в колонну синтеза в %:

      V₄ ×100

n = ─────

   V₁

     Количество жидкого аммиака, полученного во вторичной конденсации, (V) в нм³/ч  определится из уравнения (и).

V× М

или                                    G = ────────  кг/ч

22,4

     Количество газов, растворенных в этом аммиаке, составит (в нм³):

азото-водородной смеси Vопределяем по уравнению (г);

инертных газов V определяем по уравнению (г)

Итого V_{газов в NH3} = V + V

     Количество продувочных газов V_{прод. газов}  в нм³/ч определится по уравнению (е).

     Поступает газовой смеси в холодильник вторичной конденсации

V = V₃ – V_{прод. газов}

     Выходит аммиака с продувочными газами (6,95%)

NH_3(прод.) = V_{прод. газов} × 0,0695

                         NH_3(прод.)× М

или G_{NH3(прод.)} = ────────      кг/ч

                              22,4

Таблица 9.5 – Материальный баланс продувки и вторичной конденсации аммиака

Результаты расчетов материального баланса колонны синтеза и процесса конденсации аммиака сводим в общую таблицу материальных потоков цикла синтеза

Таблица 9.6 – Сводная таблица материальных потоков цикла синтеза

Контрольные вопросы:

1. Что является сырьем для производства аммиака?

2. Каким процессом является синтез аммиака?

3. Как надо проводить синтез для увеличения выхода аммиака?

4. Какие катализаторы используют при получении аммиака?

5. Перечислите стадии синтеза аммиака.

6. Какие вы знаете типы химико-технологических систем синтеза аммиака?

7. Как осуществляется циркуляция газа?

8. Как производят ввод свежего газа в цикл синтеза аммиака?

9. Из чего состоит колонна синтеза аммиака?

10. Какие вы знаете типы насадок колонны синтеза аммиака?

11. Перечислите аппараты для выделения аммиака.